ПАРОВОЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ и ПАРОВОЙ АКСИАЛЬНО- ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
Паровой роторный двигатель (паровая машина роторного типа) является уникальной силовой машиной, развитие производства которой до настоящего времени не получило должного развития.
С одной стороны- разнообразные конструкции роторных двигателей существовали ещё в последней трети 19-го века и даже неплохо работали, в том числе и для привода динамо-машин с целью выработки электрической энергии и электроснабжения всяких объектов. Но качество и точность изготовления таких паровых двигателей (паровых машин) было весьма примитивным, поэтому они имели малый КПД и невысокую мощность. С тех пор малые паровые машины ушли в прошлое, но вместе с действительно малоэффективными и бесперспективными поршневыми паровыми машинами в прошлое ушли и имеющие хорошую перспективу паровые роторные двигатели.
Главная причина- на уровне технологий конца 19-го века сделать действительно качественный, мощный и долговечный роторный двигатель не представлялось возможным.
Поэтому из всего многообразия паровых двигателей и паровых машин до нашего времени благополучно и активно дожили лишь паровые турбины огромной мощности (от 20 мВт и выше), на которых сегодня осуществляется около 75% выработки электроэнергии в нашей стране. Еще паровые турбины большой мощности дают энергию от атомных реакторов в боевых подводных лодках-ракетоносцах и на больших арктических ледоколах. Но это все огромные машины. Паровые турбины резко теряют всю свою эффективность при уменьшении их размеров.
….
Именно поэтому силовых паровых машин и паровых двигателей мощности ниже 2000 — 1500 кВт (2 — 1,5 мВт), которые бы эффективно работали на паре, получаемом от сжигания дешевого твердого топлива и различных бесплатных горючих отходов, сейчас в мире нет.
Вот в этой –то пустой сегодня области техники (и абсолютно голой, но очень нуждающейся в товарном предложении коммерческой нише), в этой рыночной нише силовых машин небольшой мощности, могут и должны занять своё очень достойное место паровые роторные двигатели. И потребность в них только в нашей стране — на десятки и десятки тысяч… Особенно такие малые и средние по мощности силовые машины для автономное электрогенерации и независимого электроснабжения нуждаются малые и средние предприятия в отдаленных от больших городов и крупных электростанций местностях: — на малых лесопилках, отдаленных приисках, на полевых станах и лесных делянках, и пр. и др.
…..
..
Давайте рассмотрим показатели, из-за которых паровые роторные двигатели оказываются лучше, чем их ближайшие сородичи — паровые машины в образе поршневых паровых двигателей и паровых турбин.
…
— 1)
Роторные двигатели являются силовыми машинами объемного расширения – как поршневые двигатели. Т.е. они обладают небольшим потреблением пара на единицу мощности, потому что пар подается в их рабочие полости время от времени, и строго дозированными порциями, а не постоянным обильным потоком, как в паровых турбинах. Именно поэтому паровые роторные двигатели гораздо экономичнее паровых турбин на единицу выдаваемой мощности.
— 2)
Роторные паровые двигатели имеют плечо приложения действующих газовых сил (плечо крутящего момента) значительно (в разы) больше, чем поршневые паровые двигатели. Поэтому развиваемая ими мощность гораздо выше, чем у паровых поршневых машин.
— 3)
Паровые роторные двигатели имеют гораздо большее рабочий ход, чем поршневые паровые двигатели, т.е. имеют возможность переводить большую часть внутренней энергии пара в полезную работу.
— 4)
Паровые роторные двигатели могут эффективно работать на насыщенном (влажном) паре, без затруднений допускать конденсацию значительной части пара с переходом её в воду прямо в рабочих секциях парового роторного двигателя. Это так же повышает КПД работы паросиловой установки с использованием парового роторного двигателя.
— 5
) Паровые роторные двигатели работают на оборотах в 2-3 тыс. оборотов в минуту, что является оптимальной частотой вращения для выработки электричества, в отличие от слишком тихоходных поршневых двигателей (200-600 оборотов в минуту) традиционных паровых машин паровозного типа, или от слишком быстроходных турбин (10-20 тыс. оборотов в минуту).
При этом технологически паровые роторные двигатели относительно просты в изготовлении, что делает затраты на их изготовление относительно невысокими. В отличие от крайне дорогостоящих в производстве паровых турбин.
ИТАК, КРАТКИЙ ИТОГ ЭТОЙ СТАТЬИ — паровой роторный двигатель является весьма эффективной паровой силовой машиной для преобразования давления пара от тепла сгорающего твердого топлива и горючих отходов в механическую мощность и в электрическую энергию.
Автором настоящего сайта, уже получены более 5 патентов на изобретения по разным аспектам конструкций паровых роторных двигателей. А так же произведено некоторое количество небольших роторных двигателей мощностью от 3 до 7 кВт. Сейчас идет проектирование паровых роторных двигателей мощностью от 100 до 200 кВт.
Но у роторных двигателей есть «родовой недостаток» — сложная система уплотнений, которые для маленьких по размерам двигателей оказываются слишком сложными, миниатюрными и дорогими в изготовлении.
При этом автором сайта ведется разработка паровых аксиально поршневых двигателей с оппозитным — встречным движением поршней. Данная компоновка является наиболее энерго — производительной по мощности вариацией из всех возможных схем применения поршневой системы.
Данные двигатели в малых размерах получаются несколько дешевле и проще роторных моторов и уплотнения в них использхуються самые традиционные и самые простые.
Внизу размещено видео использования маленького аксиально-поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней.
В настоящее время идет изготовление такого аксиально-поршневого оппозитного двигателя на 30 кВт. Ресурс двигателя ожидается в несколько сотен тысячах моточасов ибо обороты парового двигателя в 3-4 раза ниже оборотов двигателя внутреннего сгорания, в пара трения «поршень- цилиндр» — подвергнута ионно -плазменному азотированию в вакуумной среде и твердость поверхностей трения составляет 62-64 ед по HRC. Подробно о процессе упрочения поверхности методом азотирования смотри .
Вот анимация принципа работы похожего по компоновке такого аксиально- поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней
Поводом для постройки этого агрегата послужила дурацкая идея: "а можно ли построить паровой двигатель без станков и инструментов, используя только детали, которые можно купить в магазине" и сделать все своими руками. В результате появилась такая вот конструкция. Вся сборка и настройка заняла меньше часа. Хотя на конструирование и подбор деталей ушло полгода.
Большая часть конструкции состоит из водопроводной арматуры. Под конец эпопеи вопросы продавцов хозяйственных и прочих магазинов: "могу я вам помочь" и "а вам для чего", реально бесили.
И так собираем основание. Сперва основной поперечный элемент. Здесь используются тройники, бочата, уголки на пол дюйма. Все элементы я крепил с помощью герметика. Это для того, что бы было легче соединять и разъединять их руками. Но для финишной сборки лучше использовать сантехническую ленту.
Затем продольные элементы. К ним будут крепится паровой котел, золотник, паровой цилиндр и маховик. Здесь все элементы так же на 1/2".
Затем делаем стойки. На фото, с лева на право: стойка для парового котла, далее стойка для парораспределяющего механизма, затем стойка для маховика, и наконец держатель для парового цилиндра. Держатель маховика изготавливается из тройника на 3/4" (внешняя резьба). К нему идеально подходят подшипники из ремкомплекта для роликовых коньков. Подшипники удерживаются стяжной гайкой. Такие гайки можно найти отдельно или взять от тройника для металлопластиковых труб. Этот тройник на фото в нижнем правом углу (в конструкции не используется). В качестве держателя парового цилиндра тоже используется тройник на 3/4", только резьба вся внутренняя. Для крепления элементов 3/4" к 1/2" используются переходники.
Собираем котел. Для котла используется труба на 1". Нашел б/у на рынке. Забегая в перед, хочу сказать, что котел получился мелковат и не дает достаточного количества пара. С таким котлом двигатель работает слишком вяло. Но работает. Три детали с права это: заглушка, переходник 1"-1/2" и сгон. Сгон вставляется в переходник и закрывается заглушкой. Таким образом котел становится герметичным.
Таким котел получился изначально.
Но сухопарник оказался не достаточной высоты. Вода попадала в паропровод. Пришлось ставить дополнительный бочонок на 1/2" через переходник.
Это горелка. Четырьмя постами ранее был материал "Самодельная масляная лампа из труб". Изначально горелка была задумана именно такой. Но не нашлось подходящего топлива. Масло для ламп и керосин сильно коптят. Нужен спирт. Так что пока сделал просто держатель для сухого горючего.
Это очень важная деталь. Парораспределитель или золотник. Эта штука направляет пар в рабочий цилиндр при рабочем ходе. При обратном ходе поршня подача пара перекрывается и идет сброс. Золотник делается из крестовины для металлопластиковых труб. Один из концов нужно залепить эпоксидной замазкой. Этим концом он будет крепится к стойке через переходник.
А сейчас самая главная деталь. От неё будет зависеть заработает двигатель или нет. Это рабочий поршень и клапан золотника. Здесь используются шпилька М4 (продаются в отделах мебельной фурнитуры, проще найти одну длинную и отпилить нужную длину), металлические шайбы и войлочные шайбы. Войлочные шайбы используются для крепления стекол и зеркал с другой фурнитурой.
Войлок не самый лучший материал. Он дает не достаточную герметичность, а сопротивление ходу - существенное. В последствии удалось избавится от войлока. Для этого идеально подошли не совсем стандартные шайбы: М4х15 - для поршня и М4х8 - для клапана. Эти шайбы нужно максимально плотно, через сантехническую ленту, посадить на шпильку и той же лентой с верху намотать 2-3 слоя. Затем тщательно притереть с водой в цилиндре и золотнике. Фотографию модернизированного поршня не сделал. Лень разбирать.
Это собственно цилиндр. Изготавливается из бочонка 1/2". Двумя стяжными гайками он крепится внутри тройника 3/4". С одной из сторон, с максимальным уплотнением, наглухо крепится штуцер.
Теперь маховик. Маховик делается из блина для гантели. В центральное отверстие вставляется стопка из шайб, а в центр шайб помещается маленький цилиндр из ремкомплекта для роликовых коньков. Все крепится на герметике. Для держателя водила идеально подошла вешалка для мебели и картин. Похожа на замочную скважину. Все собирается в той последовательности, что на фото. Винт и гайка - М8.
Маховиков у нас в конструкции - два. Между ними должна быть жесткая связь. Эта связь обеспечивается стяжной гайкой. Все резьбовые соединения закрепляются лаком для ногтей.
Эти два маховика кажутся одинаковыми, однако один будет соединен с поршнем, а другой с клапаном золотника. Соответственно водило, в виде винта М3, крепится на разных расстояниях от центра. Для поршня водило располагается дальше от центра, для клапана - ближе к центру.
Теперь делаем привод клапана и поршня. Для клапана идеально подошла соединительная пластина для мебели.
Для поршня в качестве рычага используется накладка оконного замка. Подошла как родная. Вечная слава тому, кто изобрел метрическую систему.
Приводы в сборе.
Все устанавливается на двигатель. Резьбовые соединения закрепляются лаком. Это привод поршня.
Привод клапана. Обратите внимание, положения водила поршня и клапана отличаются на 90 градусов. В зависимости от того в какую сторону водило клапана опережает водило поршня, будет зависеть в какую сторону будет вращаться маховик.
Теперь осталось подсоединить трубки. Это силиконовые шланги для аквариума. Все шланги необходимо закрепить проволокой или хомутами.
Нужно заметить что тут не предусмотрен предохранительный клапан. Поэтому следует соблюдать максимальную осторожность.
Вуаля. Заливаем воду. Поджигаем. Ждем когда закипит вода. Во время разогрева клапан должен быть в положении закрыто.
Весь процесс сборки и результат на видео.
Паровой машиной называется тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия расширяющегося пара преобразуется в механическую энергию, отдаваемую потребителю.
С принципом действия машины ознакомимся, воспользовавшись упрощенной схемой фиг. 1.
Внутри цилиндра 2 находится поршень 10, который может перемещаться вперед и назад под давлением пара; в цилиндре имеются четыре канала, которые могут открываться и закрываться. Два верхних пароподводящих канала 1 и 3 соединены трубопроводом с паровым котлом, и через них в цилиндр может поступать свежий пар. Через два нижних капала 9 и 11 пар, уже совершивший работу, выпускается из цилиндра.
На схеме показан момент, когда каналы 1 и 9 открыты, каналы 3 и 11 закрыты. Поэтому свежий пар из котла по каналу 1 поступает в левую полость цилиндра и своим давлением перемещает поршень вправо; в это время отработавший пар по каналу 9 из правой полости цилиндра удаляется. При крайнем правом положении поршня каналы 1 и 9 закрыты, а 3 для впуска свежего пара и 11 для выпуска отработавшего пара открыты, вследствие чего поршень переместится влево. При крайнем левом положении поршня открываются каналы 1 и 9 и закрываются каналы 3 и 11 и процесс повторяется. Таким образом, создается прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня.
Для преобразования этого движения во вращательное применяется так называемый кривошипно-шатунный механизм. Он состоит из поршневого штока- 4, соединенного одним концом с поршнем, а другим шарнирно, посредством ползуна (крейцкопфа) 5, скользящего между направляющими параллелями, с шатуном 6, который передает движение, на коренной вал 7 через его колено или кривошип 8.
Величина вращающего момента на коренном валу не является постоянной. В самом деле, силу Р , направленную вдоль штока (фиг. 2), можно разложить на две составляющие: К , направленную вдоль шатуна, и N , перпендикулярную к плоскости направляющих параллелей. Сила N не оказывает никакого влияния на движение, а только прижимает ползун к направляющим параллелям. Сила К передается вдоль шатуна и действует на кривошип. Здесь ее опять можно разложить на две составляющие: силу Z , направленную по радиусу кривошипа и прижимающую вал к подшипникам, и силу Т , перпендикулярную к кривошипу и вызывающую вращение вала. Величина силы Т определится из рассмотрения треугольника AKZ. Так как угол ZAK = ? + ?, то
Т = К sin (? + ?).
Но из треугольника ОКР сила
K= P/ cos ?
поэтому
T= Psin ( ? + ?) / cos ? ,
При работе машины за один оборот вала углы ? и ? и сила Р непрерывно меняются, а поэтому величина крутящей (тангенциальной) силы Т также переменна. Чтобы создать равномерное вращение коренного вала в течение одного оборота, на него насаживают тяжелое колесо-маховик, за счет инерции которого поддерживается постоянная угловая скорость вращения вала. В те моменты, когда сила Т возрастает, она не может сразу же увеличить скорость вращения вала, пока не ускорится движение маховика, чего не происходит мгновенно, так как маховик обладает большой массой. В те моменты, когда работа, производимая крутящей силой Т , становится меньше работы сил сопротивления, создаваемых потребителем, маховик опять-таки в силу своей инерции не может сразу уменьшить свою скорость и, отдавая полученную при своем разгоне энергию, помогает поршню преодолевать нагрузку.
При крайних положениях поршня углы? + ? = 0, поэтому sin (? + ?) =0 и, следовательно, Т = 0. Так как вращающее усилие в этих положениях отсутствует, то, если машина была бы без маховика, сна должна была бы остановиться. Эти крайние положения поршня называются мертвыми положениями или мертвыми точками. Через них кривошип переходит также за счет инерции маховика.
При мертвых положениях поршень не доводится до соприкосновения с крышками цилиндра, между поршнем и крышкой остается так называемое вредное пространство. В объем вредного пространства включается также объем паровых каналов от органов парораспределения до цилиндра.
Ходом поршня S называется путь, проходимый поршнем при перемещении из одного крайнего положения в другое. Если расстояние от центра коренного вала до центра пальца кривошипа - радиус кривошипа - обозначить через R, то S = 2R.
Рабочим объемом цилиндра V h называется объем, описываемый поршнем.
Обычно паровые машины бывают двойного (двухстороннего) действия (см. фиг. 1). Иногда применяются машины одностороннего действия, в которых пар оказывает давление на поршень только со стороны крышки; другая сторона цилиндра в таких машинах остается открытой.
В зависимости от давления, с которым пар покидает цилиндр, машины разделяются на выхлопны е, если пар выходит в атмосферу, конденсационные, если пар выходит в конденсатор (холодильник, где поддерживается пониженное давление), и тепло фикационные, у которых отработавший в машине пар используется для каких-либо целей (отопление, сушка и пр.)
Паровые двигатели были установлены и приводили в движение большую часть паровозов в период начала 1800 и вплоть до 1950 годов прошлого века. Хочется отметить, что принцип работы этих двигателей всегда оставался неизменным, несмотря на изменение их конструкции и габаритов.
На анимированной иллюстрации приведен принцип работы парового двигателя.
Для генерации подаваемого на двигатель пара использовались котлы, работающие как на дровах и угле, так и на жидком топливе.
Первый такт
Пар из котла поступает в паровую камеру, из которой через паровую задвижку-клапан (обозначена синим цветом) попадает в верхнюю (переднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром, толкает поршень вниз к НМТ. Во время движения поршня от ВМТ к НМТ колесо делает пол оборота.
Выпуск
В самом конце движения поршня к НМТ паровой клапан смещается, выпуская остатки пара через выпускное окно, расположенное ниже клапана. Остатки пара вырываются наружу, создавая характерный для работы паровых двигателей звук.
Второй такт
В то же самое время, смещение клапана на выпуск остатков пара открывает вход пара в нижнюю (заднюю) часть цилиндра. Созданное паром в цилиндре давление заставляет поршень двигаться к ВМТ. В это время колесо делает еще пол оборота.
Выпуск
В конце движения поршня к ВМТ остатки пара освобождаются через все то же выпускное окно.
Цикл повторяется заново.
Паровой двигатель имеет т.н. мертвую точку в конце каждого хода, когда клапан переходит от такта расширения к выпуску. По этой причине каждый паровой двигатель имеет два цилиндра, что позволяет запускать двигатель из любого положения.
Промышленность
Англии нуждалась в большом количестве топлива, а леса становилось всё меньше. В связи с этим добыча каменного угля стала черезвычайно актуальна.
Основной проблемой добычи была вода, она затопляла шахты быстрее чем её успевали откачивать, приходилось бросать разработаные рудники и искать новые.
В силу этих причин, срочно требовались механизмы для откачки воды, вот ими то и стали первые паровые машины.
Следующим этапом развития паровых машин, было создание (в 1690 году
) поршневого парового двигателя, который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара.
Родился во французском городе Блуа в 1647 году. В Университете Анже он изучал медицину и получил степень доктора, но врачом не стал. Во многом его судьбу предопределила встреча с голландским физиком Х. Гюйгенсом, под влиянием которого Папен начал изучать физику и механику. В 1688 году он опубликовал описание (со своими конструктивными дополнениями) представленного Гюйгенсом в Парижскую академию наук проекта порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем.
Папен также предложил конструкцию центробежного насоса, сконструировал печь для плавки стекла, паровую повозку и подводную лодку, изобрёл скороварку и несколько машин для подъёма воды.
Первая в мире скороварка:
В 1685 Папен был вынужден бежать из Франций (из-за гонений на гугенотов) в Германию и продолжал там работать над своей машиной.
В 1704 году, на заводе «Veckerhagen», он отлил первый в мире цилиндр для паровой машины и в том же году построил катер на паровой тяге.
Первая «машина» Дени Папена (1690 год)
Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх, а при охлаждении (пар конденсировался) создавалось разрежение и атмосферное давление двигало поршень вниз.
Чтобы заставить машину работать, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.
В 1705 году Папен разработал второй паровой двигатель
При открытии крана (D), пар из котла (справа) устремлялся в среднюю ёмкость и по средствам поршня продавливал воду в ёмкость слева. После чего кран (D) закрывался, открывался краны (G) и (L) в воронку доливали воду и средняя ёмкость заполнялась новой порцией, краны (G) и (L) закрывали и повторяли цикл. Тем самым удавалась поднять воду на высоту.
В 1707 году, Папен приехал в Лондон с целью получить патент на свои работы 1690-го года. Работы не были признаны, так как к тому времени уже появились машины Томаса Севери и Томаса Ньюкомена (см. ниже).
В 1712 году Дени Папен умер обездоленным и похоронен в безымянной могиле.
Первые паровые машины представляли из себя громоздкие стационарные насосы для перекачки воды. Это объяснялось тем, что нужно было откачивать воду из рудников и угольных шахт. Чем глубже были шахты, тем труднее было откачивать из них пребывающую воду, в итоге не выработаные шахты приходилось бросать и переходить на новое место.
В 1699 году
, английский инженер , получил патент на изобретение «огневого двигателя», предназначенного для откачивания воды из рудников.
Машина Севери - это паровой насос, а не двигатель, в нем не было цилиндра с поршнем.
Главной изюминкой в машине Севери было то, что пар образовывался в отдельном котле .
Справка
Машина Томаса Севери
При открытии крана 5 пар из котла 2 подавался в сосуд 1, выгоняя оттуда воду по трубке 6. Клапан 10 при этом открыт, а клапан 11 закрыт. В конце нагнетания кран 5 закрывался, и через кран 9 в сосуд 1 подавалась холодная вода. Пар в сосуде 1 охлаждался, конденсировался, и давление падало, засасывая туда воду по трубке 12. Клапан 11 при этом открывался, а клапан 10 закрывался.
Насос Севери был маломощным, потреблял много топлива и работал прерывисто. В силу этих причин, машина Севери не получила широкого распространения и ей на смену пришли «поршневые паровые машины».
В 1705 году
совместив идеи Севери (отдельно стоящий котёл) и Папена (цилиндр с поршнем) построил поршневой паровой насос
для работы на рудниках.
Опыты по совершенствованию машины продолжались около десяти лет, пока она не начала исправно работать.
О Томасе Ньюкомене
Родился 28 февраля 1663 в Дартмуте. Кузнец по профессии. В 1705 году совместно с лудильщиком Дж. Коули построил паровой насос. Эта довольно эффективная для своего времени паро-атмосферная машина использовалась для откачки воды в шахтах и получила широкое распространение в XVIII веке. Такую технологию, в наше время используют бетононасосы на стройках.
Ньюкомен не смог получить патент, так как паровой водоподъёмник был запатентован ещё в 1699 году Т. Севери. 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.
Скончался 7 августа 1729 года в Лондоне. Имя Ньюкомена носит «Общество историков техники Великобритании».
Машина Томаса Ньюкомэна
Вначале пар поднимал поршень, затем в цилиндр впрыскивалось немного холодной воды, пар кондесировался (образовывая тем самым разряжение в цилиндре) и поршень под влиянием атмосферного давления опускался.
В отличии от «цилиндра Папена» (у которого цилиндр служил котлом), в машине Ньюкомена цилиндр был отделён от котла. Таким образом удалось добиться более или менее равномерной работы.
В первых версиях машины, управление клапанами было ручным, но в последствии Ньюкомэн придумал механизм, автоматически открывающий и закрывающий в нужный момент соответствующие краны.
Фото
О цилиндрах
Первые цилиндры ньюкоменовской машины делались из меди, трубы - из свинца, а коромысло было деревянным. Мелкие части делались из ковкого железа. Более поздние машины Ньюкомена, примерно после 1718 года, имели уже чугунный цилинр.
Изготовляли цилиндры на литейном заводе Абрахама Дерби в Колбрукдэле. Дэрби усовершенствовал технику литья и это позволило получать цилиндры достаточно хорошего качества. Для получения более или менее правильной и гладкой поверхности стенок цилиндра, использовался станок для высверливания дула орудий.
Как-то так:
С некоторыми доработками, машины Ньюкомена на протяжении 50 лет оставались единственными механизмами, пригодными для промышленного использования.
В 1720 году описал двухцилиндровую паровую машину. Изобретение было опубликовано в его главной работе "Theatri Machinarum Hydraulicarum ". Эта рукопись была первым систематическим анализом машиностроения.
Машина предложенная Якобом Леопольдом
Предполагалось что поршни сделаные из свинца, будут подниматься давлением пара, а опускаться под собственным весом. Любопытна идея крана (между цилиндрами), с его помощью пар впускался в один цилиндр и одновременно выпускался из другого.
Якоб не строил эту машину, он только её придумал.
В 1766 году
русский изобретатель , работая механиком на алтайских горнорудных и металургических заводах, создал первую в России и первую в мире двухцилиндровую паровую машину.
Ползунов модернизировал машину Ньюкомена (для обеспечения непрерывной работы он задействовал два цилиндра, вместо одного) и предложил использовать её для привидения в движение мехов плавильных печей.
Грустная справка
В России того времени, паровые машины практически не использовались и всю информацию Ползунов получил из книги “Обстоятельное наставление рудному делу” (1760) за авторством Шлаттера И.А., в которой описывалась паровая машина Ньюкомена.
О проекте было доложено императрице Екатерине Второй. Она одобрила его, распорядилась произвести И.И.Ползунова в «механикусы с чином и званием инженерного капитан-поручика» и наградить 400 рублями…
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 огромную машину. В апреле 1764 г. Ползунов приступил к строительству.
Весной 1766 года, строительство в основном было закончено и проведены испытания.
Но 27 мая Ползунов умер от чахотки.
Его ученики Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины. В «Дневной записке» от 4 июля было отмечено «исправное машинное действие», а 7 августа 1766 г. вся установка, паровая машина и мощная воздуходувка, была сдана в эксплуатацию. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на её постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль в 12640 рублей 28 копеек. Однако, 10 ноября 1766 г. после того, как у машины перегорел котел, она простояла без действия 15 лет 5 месяцев и 10 дней. В 1782 г. машина была разобрана.
(Энциклопедия Алтайского края. Барнаул. 1996. Т. 2. С. 281-282; Барнаул. Летопись города. Барнаул. 1994. ч. 1.с.30).
Машина Ползунова
Принцип работы аналогичен машине Ньюкомена.
В один из цилиндров наполненных паром, впрыскивали воду, пар конденсировался и в цилиндре создавалось разряжение, под действием атмосферного давления поршень опускался вниз, в тот же момент в другой цилиндр поступал пар и он поднимался.
Подача воды и пара в цилиндры была полностью автоматизирована.
Макет паровой машины И.И. Ползунова, сделанный по оригинальным чертежам в 1820-е годы.
Краеведческий музей Барнаула.
В 1765 году Джеимсу Уатту
работающему механиком в университете Глазго, было поручено отремонтировать модель машины Ньюкомена. Неизвестно, кто её сделал, но в университете она находилась уже несколько лет.
Проффесор Джон Андерсон предложил Уатту посмотреть, нельзя ли что-нибудь сделать с этим любопытным, но капризным прибором.
Уатт не только отремонтировал, но и усовершенствовал машину. Он добавил к ней отдельную ёмкость для охлаждения пара и назвал её конденсатор.
Модель паровой машины Ньюкомена
Макет был оснащен цилиндром (диаметр 5 см) с рабочим ходом 15 см. Уатт провел ряд экспериментов, в частности заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды и макет заработал.
В процессе экспериментов Уатт убедился в неэффективности машины.
При каждом новом цикле часть энергии пара уходила на нагрев цилиндра, который охлаждался после впрыскивания воды для охлаждения пара.
Проведя ряд опытов Уатт пришёл к выводу:
«…Для того чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда горяч, как и входящий в него пар; но с другой стороны, конденсация пара для образования вакуума должна была происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра» (38 по Цельсию)…
Модель машины Ньюкомена, с которой экспериментировал Уатт
Как всё начиналось...
Впервые Уатт заинтересовался паром в 1759 году, этому поспособствовал его приятель Робисон, который носился тогда с мыслью «о применении силы паровой машины для приведения в движение повозок».
В том же году Робисон уехал воевать в Северную Америку, а Уатт и без этого был завален делами.
Спустя два года Уатт вернулся к идее паровых машин.
«Около 1761–1762 гг., - пишет Уатт, - я проделал несколько опытов над силой пара в Папеновом котле и сделал нечто вроде паровой машины, укрепив на нем спринцовку, диаметром около 1/8 дюйма, с прочным поршнем, снабженную краном для впуска пара из котла, а также для выпуска его из спринцовки на воздух». Когда открывался кран из котла в цилиндр, то пар, поступая в цилиндр и действуя на поршень, поднимал значительный груз (15 фунтов), которым был нагружен поршень. Когда груз был поднят до нужной высоты, то сообщение с котлом закрывалось и открывался кран для выпуска пара в атмосферу. Пар выходил, и груз опускался. Эта операция повторялась несколько раз, и хотя в данном приборе кран поворачивался от руки, однако, не трудно было придумать приспособление, чтобы поворачивать его автоматически.
А - цилиндр; В - поршень; С - шток с крюком для подвешивания груза; D - наружный цилиндр (кожух); Е и G - паровпускные отверстия; F - трубка, соединяющая цилиндр с конденсатором; К - конденсатор; Р - насос; R - резервуар; V - клапан для выхода воздуха, вытесняемого паром; К, Р, R - заполнены водой. Пар впускается через G в пространство между А и D и через Е в цилиндр А. При небольшом подъеме поршня в цилиндре насоса Р (поршень не изображен на рисунке) уровень воды в К понижается и пар из А переходит в К и тут осаждается. В А получается разрежение, и пар, находящийся между А и D, давит на поршень В и поднимает его вместе с подвешенным к нему грузом.
Основная идея, отличающая машину Уатта от машины Ньюкомена, заключалась в изолированной камере для конденсации (охлаждения пара).
Наглядное изображение:
В машине Уатта конденсатор «С» был отделён от рабочего цилиндра «Р» его не нужно было постоянно нагревать и охлаждать, благодаря этому удалось немного увеличить КПД.
В 1769-1770 годах на шахте горнозаводчика Джона Робака (Робак интересовался паровыми машинами и некоторое время финансировал Уатта), была построена большая модель машины Уатта, на которую он получил в 1769 году свой первый патент.
Суть патента
Уатт определил свое изобретение как «новый метод уменьшения расхода пара, а следовательно, и топлива в огненных машинах».
В патенте (№ 013) излагался ряд новых технич. положений, использованных Уаттом в своём двигателе:
1) Поддержание температуры стенок цилиндра равной, температуре поступающего в него пара за счёт тепловой изоляции, паровой рубашки
и отсутствия контакта с холодными телами.
2) Конденсация пара в отдельном сосуде - конденсаторе, температура в к-ром должна была поддерживаться на уровне окружающей среды.
3) Удаление из конденсатора воздуха и других неконденсирующихся тел посредством насосов.
4) Применение избыточного давления пара; в случаях недостатка воды для конденсации пара применение только избыточного давления с выхлопом в атмосферу.
5) Применение «коловратных» машин с однонаправленно вращающимся поршнем.
6) Работа с неполной конденсацией (т. е. с ухудшенным вакуумом). В этом же пункте патента описаны конструкции уплотнения поршня и отдельных деталей. При применявшихся в то время давлениях пара в 1 атм введение отдельного конденсатора и откачка воздуха из него означали реальную возможность снижения расхода пара и топлива более чем вдвое.
Спустя некоторое время Робак обанкротился и новым компаньоном Уатта стал английский промышленник Мэттью Болтон .
После ликвидации соглашения Уатта с Робаком, построенная машина была разобрана и отправлена в на завод Болтона в Сохо. На ней Уатт в течение долгого времени проверял почти все свои усовершенствования и изобретения.
О Мэттью Болтоне
Если Робак видел в уаттовской машине прежде всего лишь усовершенствованный насос, который должен был спасти его шахты от затопления, то Болтон в изобретениях Уатта видел новый вид двигателя, который должен был заменить водяное колесо.
Болтон сам пытался внести усовершенствования в машину Ньюкомена, чтобы уменьшить расход топлива. Он сделал модель, которая вызывала восторг у многочисленных лондонских великосветских друзей и покровителей. Болтон вел переписку с американским ученым и дипломатом Бенджамином Франклином о том, как лучше впрыскивать в цилиндр охлаждающую воду, о наилучшей системе клапанов. Франклин в этой области ничего толкового посоветовать не мог, но обратил внимание на другой способ достижения экономии топлива, на лучшее его сжигание и уничтожение дыма.
Болтон мечтал не о чем ином, как о мировой монополии производства новых машин. «Моей мыслью было, - писал Болтон Уатту, - устроить рядом с моим заводом, предприятие, где я сосредоточил бы все технические средства, необходимые для постройки машин, и откуда мы снабжали бы весь мир машинами любых размеров».
Болтон ясно отдавал себе отчет в том, какие для этого нужны предпосылки. Новая машина не может строиться старыми кустарными способами. «Я предполагал, - писал он Уатту, - что ваша машина потребует денег, очень точной работы и обширных связей, чтобы наивыгоднейшим образом пустить ее в оборот. Наилучший способ поддержать ее репутацию и отдать должное изобретению - это изъять ее производство из рук множества техников, которые по своему невежеству, недостатку опыта и технических средств, стали бы давать плохую работу, а это отразилось бы и на репутации изобретения».
Чтобы избежать этого, он предлагал строить специальный завод, где «при вашем содействии мы могли бы привлечь и обучить известное количество превосходных рабочих, которые, снабженные наилучшим инструментом, могли бы выполнить это изобретение на двадцать процентов дешевле и со столь же большой разницей в точности работы, какая существует между работой кузнеца и мастера математических инструментов».
Кадры высококвалифицированных рабочих, новое техническое оборудование - вот что требовалось для постройки машины в массовом масштабе. Болтон уже мыслил категориями и понятиями развитого капитализма XIX века. Но пока это были еще мечты. Не Болтоном и Уаттом, а их сыновьями было организовано лет тридцать спустя массовое производство машин - первый машиностроительный завод.
Болтон и Уатт обсуждают производство паровых машин на заводе в Сохо
Очередным этапом развития паровых машин, была герметизация верхней части цилиндра и подача пара не только в нижнюю, но и в верхнюю часть цилиндра.
Так Уаттом и Болтоном, была построена паровая машина двойного действия .
Теперь пар подавался попеременно в обе полости цилиндра. Стенки цилиндра были теплоизолированы от внешней среды.
Машина Уатта хоть и стала эффективнее машины Ньюкомена, но КПД, всё ещё был черезвычайно низок (1-2%).
Как Уатт и Болтон строили и PRили свои машины
О технологичности и культуре производства в 18 веке и речи быть не могло. Письма Уатта к Болтону наполнены жалобами на пьянство, воровство и леность рабочих. «Мы можем очень мало рассчитывать на наших рабочих в Сохо, - писал он Болтону. - Джемс Тейлор начал сильнее пить. Он упрям, своенравен и недоволен. Машина, над которой работал Картрайт, - сплошной ряд ошибок и промахов. Смит и остальные невежественны, и за всеми ими нужно ежедневно присматривать, чтобы не вышло чего-либо худшего».
Он требовал от Болтона принятия строгих мер и вообще был склонен прекратить производство машин в Сохо. «Всем лентяям нужно сказать, - писал он, - что если они будут так же невнимательны, как до сих пор, то их прогонят с завода. Расходы по постройке машины в Сохо, обходятся нам очень дорого, и если нельзя улучшить производство, то нужно его совсем прекратить и раздавать работу на сторону».
Изготовление деталей для машин, требовало надлежащего оборудывания. Поэтому разные узлы машин производились на разных заводах.
Так, на заводе Уилкинсона отливали и растачивали цилиндры, там же делали днища цилиндров, поршень, воздушный насос и конденсатор. Чугунный кожух для цилиндра отливали на одном из литейных заводов в Бирмингеме, медные трубы везли из Лондона, а небольшие детали производили на месте постройки машины. Все эти части фирма «Болтон и Уатт» заказывала за счет заказчика - владельца рудника или мельницы.
Постепенно отдельные части привозились на место и собирались под личным контролем Уатта. Позже он составил подробную инструкцию по сборке машины. Котел обычно клепался на месте местными кузнецами.
После успешного запуска машины для откачки воды на одном из рудников в Корнуолле (считался труднейшим рудником), компания «Болтон и Уатт» получила много заказов. Хозяева рудников увидели, что машина Уатта успешно справляется там, где была бессильна машина Ньюкомена. И они немедленно начали заказывать уаттовские насосы.
Уатт был завален работой. Он неделями сидел над своими чертежами, ездил на установки машин, - нигде нельзя было обойтись без его помощи и наблюдения. Он был один и всюду должен был поспевать.
Чтобы паровая машина могла приводить в действие другие механизмы, нужно было возвратно-поступательные движения преобразовать во вращательные, а для равномерного движения приспособить колесо в качестве маховика.
В первую очередь нужно было жёстко связать поршень и балансир (до этого момента использовались цепь или верёвка).
Уатт предполагал осуществлять передачу от поршня к балансиру с помощью зубчатой полосы, а на балансире поместить зубчатый сектор.
Зубчатый сектор
Эта система оказалась ненадёжной и Уатт был вынужден от неё отказаться
Передачу вращательного момента планировалось усуществить с помощью кривошипного механизма.
Кривошипный механизм
Но от кривошипа пришлось отказаться так как эта система уже была запатентована (в 1780 году) Джеимсом Пикардом . Пикард предложил Уатту кросс-лицензирование, но Уатт отказался от этого предложения и использовал в своей машине планетарную передачу. (про патенты есть неясности, в конце статьи можно почитать)
Планетарная передача
Двигатель Уатта (1788)
При создании машины с непрерывным вращательным движением, Уатту пришлось решать ряд нетривиальных задач (распределение пара по двум полостям цилиндра, автоматическая регулировка оборотов и прямолинейное движение штока поршня).
Параллелограмм Уатта
Механизм Уатта был изобретён для придания тяге поршня прямолинейного движения.
Паровой двигатель построенный по патенту Джеймса Уатта в 1848 году в Фрайберге в Германии.
Центробежный регулятор
Принцип действия центробежного регулятора простой, чем быстрее крутится вал, тем выше расходятся грузы под действием центробежной силы и тем сильнее перекрывается паропровод. Грузы опускаются - паропровод открывается.
Похожая система, давно уже была известена в мукомольном деле для регулирования расстояния между жерновами.
Уатт адаптировал регулятор для паровой машины.
Устройство парораспределения
Система «поршневых клапанов»
Чертеж составлен одним из помощников Уатта в 1783 году (буквы поставлены для пояснения). В и В - поршни, соединенные между собой трубкой С и двигающиеся в трубе D, соединенной с конденсатором Н и трубками Е и F с цилиндром A; G - паропровод; К - шток, служащий для передвижения ВВ.
В изображенном на чертеже положении поршней ВВ пространство трубы D между поршнями В и В, а также нижняя часть цилиндра А под поршнем (не изображенном на рисунке), примыкающая к F, заполнены паром, тогда как в верхней части цилиндра А, над поршнем, сообщающейся через Е и через С с конденсатором Н - состояние разрежения; при подъеме ВВ выше F и E нижняя часть А через F будет сообщаться с H, а верхняя часть через Е и D - с паропроводом.
Нагляный рисунок
Однако, вплоть до 1800 года Уатт продолжал пользоваться тарелочными клапанами (металлические диски, поднимавшиеся или опускавшиеся над соответствующими окнами, и приводившиеся в движение сложной системой рычагов), так как изготовление системы «поршневых клапанов» требовало высокой точности.
Разработкой механизма парораспределения занимался в основном помошник Уатта Уильям Мердок .
Мердок, продолжал совершенствовать механизм парораспределения и в 1799 году запатентовал D - образный золотник (коробчатый золотник).
В зависимости от положения золотника, окна (4) и (5) сообщаются с замкнутым пространством (6) окружающим золотник и заполненным паром, или с полостью 7, соединённой с атмосферой или конденсатором.
После всех усовершенствований была построенна вот такая машина:
Пар с помощью парораспределителя, попеременно подавался в разные полости цилиндра, а центробежный регулятор управлял клапаном подачи пара (если машина слишком разгонялась клапан прикрывался и наоборот открывался если слишком замедлялась).
Наглядное видео
Эта машина уже могла работать не только как насос, но и приводить в действие другие механизмы.
В 1784 году Уатт получил патент на универсальный по применению паровой двигатель (патент № 1432).
Про мельницу
В 1986 году Болтон и Уатт построили в Лондоне мельницу («Мельница Альбиона»), приводимую в действие паровой машиной. Когда мельницу пустили в ход, началось настоящее паломничество. Лондонцы живо интересовались техническими усовершенствованиями.
Уатт, не знакомый с маркетингом, возмущался тем, что зеваки мешают ему работать и требовал прекращения доступа посторонних. Болтон же считал что, о машине должны узнать как можно больше людей и поэтому отвергал просьбы Уатта.
Вобщем недостатка в клиентах Болтон и Уатт не испытывали. В 1791 году мельница сгорела (а может её подожгли, так как мукомолы боялись конкуренции).
В конце восьмидесятых годов, Уатт прекращает совершенствовать свою машину. В письмах Болтону он пишет:
«Очень возможно, что за исключением некоторых улучшений в механизме машины ничего лучшего, чем то, что мы уже произвели, не будет допущено природой, которая для большинства вещей предопределила свой nec plus ultra (лат. «дальше некуда»)».
И позднее, Уатт утверждал, что не может открыть в паровой машине ничего нового, и если он занимается ею, то только усовершенствованием деталей и проверкой своих прежних выводов и наблюдений.
Список русской литературы
Каменский А.В. Джемс Уатт, его жизнь и научно-практическая деятельность. СПб, 1891
Вайсенберг Л.М. Джемс Уатт, изобретатель паровой машины. М. – Л., 1930
Лесников М.П. Джемс Уатт. М., 1935
Конфедератов И.Я. Джемс Уатт – изобретатель паровой машины. М., 1969
Таким образом, можно считать, что первый этап развития паровых машин закончился.
Дальнейшее развитие паровых машин было связано с увеличением давления пара и совершенствованием производства.Цитата из БСЭ
Универсальный двигатель Уатта благодаря его экономичности получил широкое распространение и сыграл большую роль в переходе к капиталистическому машинному производству. «Великий гений Уатта,- писал К. Маркс,- обнаруживается в том, что патент, взятый им в апреле 1784 г., давая описание паровой машины, изображает её не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности» (Маркс К., Капитал, т. 1,1955, стр. 383-384).
Завод Уатта и Болтона к 1800 году построил св. 250 паровых машин, а к 1826 в Англии насчитывалось до 1500 машин с общей мощностью ок. 80000 л.с. За редким исключением это были машины уаттовского типа. После 1784 года Уатт занимался главным образом улучшением производства, а после 1800 года и вовсе отошёл от дел.
