|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Парова машина. Історія винаходу та виробництва
Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас Парова машина - тепловий двигун зовнішнього згоряння, що перетворює енергію водяної пари в механічну роботу зворотно-поступального руху поршня, а потім обертальний рух валу. У більш широкому сенсі парова машина - будь-який двигун зовнішнього згоряння, який перетворює енергію пари на механічну роботу. Перша парова машина влаштована XVII в. Папеном і представляла циліндр з поршнем, який піднімався дією пари, а опускався тиском атмосфери після згущення пари, що відпрацювала. На цьому ж принципі були побудовані в 1705 році парові машини Севері і Ньюкомена для викачування води з копалень. Остаточні вдосконалення в паровій машині були зроблені Ваттом (Уатт) у 1769 році.
Аж до другої половини XVIII століття люди використовували для потреб виробництва переважно водяні двигуни. Так як передавати механічний рух від водяного колеса на великі відстані неможливо, всі заводи доводилося будувати на берегах річок, що не завжди було зручно. Крім того, для ефективної роботи такого двигуна часто були потрібні дорогі підготовчі роботи (пристрій ставків, будівництво гребель тощо). Були у водяних коліс та інші недоліки: вони мали малу потужність, робота їх залежала від пори року і важко піддавалася регулюванню. Поступово стала гостро відчуватися потреба в принципово новому двигуні: потужному, дешевому, автономному та легкокерованому. Саме таким двигуном на ціле століття стала для людини парова машина. Ідея парового двигуна частково була підказана його винахідникам конструкцією поршневого водяного насоса, який був відомий ще за часів античності. Принцип його роботи був дуже простий: під час підйому поршня вгору вода засмоктувала в циліндр через клапан у дні. Бічний клапан, що з'єднував циліндр із водопідйомною трубою, у цей час був закритий, оскільки вода з цієї труби так само прагнула увійти всередину циліндра і тим самим закривала цей клапан. При опусканні поршня він починав тиснути на воду в циліндрі, завдяки чому закривався нижній клапан і відкривався бічний. У цей час вода з циліндра подавалася вгору водопідйомною трубою. У поршневому насосі робота, одержувана ззовні, витрачалася просування рідини через циліндр насоса. Винахідники парової машини намагалися використовувати ту саму конструкцію, але лише у зворотному напрямку. Циліндр із поршнем лежить в основі всіх парових поршневих двигунів.
Перші парові машини, втім, були не так двигунами, як паровими насосами, що використовуються для відкачування води з глибоких шахт. Принцип їх дії ґрунтувався на тому, що після свого охолодження та конденсації у воду пара займала простір у 170 разів менше, ніж у розігрітому стані. Якщо витіснити з посудини повітря розігрітою парою, закрити її, а потім охолодити пару, тиск усередині судини буде значно меншим, ніж зовні. Зовнішній атмосферний тиск стискатиме таку посудину, і якщо в нього помістити поршень, він рухатиметься всередину з тим більшою силою, чим більша його площа. Вперше модель такої машини була запропонована в 1690 Папеном. У 1702 році створив свій насос Півночі. Але найширше застосовувалася першій половині XVIII століття парова машина Ньюкомена, створена 1711 року.
Паровий циліндр містився біля Ньюкомена над паровим казаном. Поршневий шток (стрижень, з'єднаний з поршнем) був з'єднаний гнучким зв'язком з кінцем балансу. З іншим кінцем балансира було з'єднано шток насоса. Поршень піднімався у верхнє становище під впливом противаги, прикріпленого до протилежного кінця балансира. Крім того, руху поршня вгору допомагала пара, що в цей час запускається в циліндр. Коли поршень перебував у крайньому верхньому положенні, закривали кран, що впускав пару з котла в циліндр, і бризкали в циліндр воду. Під дією цієї води пара в циліндрі швидко охолоджувалась, конденсувалася, і тиск у циліндрі падало. Внаслідок різниці тисків усередині циліндра і поза ним, силою атмосферного тиску поршень рухався вниз, роблячи при цьому корисну роботу - приводив у рух балансир, який рухав шток насоса. Таким чином, корисна робота виконувалася тільки під час руху поршня вниз. Потім знову запускали пару до циліндра. Поршень знову піднімався, і весь циліндр наповнювався пором. Коли знову бризкали воду, пара знову конденсувалася, після чого поршень здійснював новий корисний рух вниз, і так далі. Фактично в машині Ньюкомена роботу робив атмосферний тиск, а пара служила лише для створення розрядженого простору.
У світлі подальшого розвитку парового двигуна стає зрозумілим основний недолік машини Ньюкомена - робочий циліндр у ній був водночас і конденсатором. Через це доводилося по черзі то охолоджувати, то нагрівати циліндр, і витрата палива виявлялася дуже великою. Траплялися випадки, коли при машині знаходилося 50 коней, які ледве встигали підвозити необхідне паливо. Коефіцієнт корисної дії (ККД) цієї машини навряд чи перевищував 1%. Інакше кажучи, 99% всієї теплотворної енергії губилося безплідно. Проте ця машина набула в Англії поширення, особливо на шахтах, де вугілля було дешеве. Наступні винахідники внесли кілька удосконалень у насос Ньюкомена. Зокрема, в 1718 Бейтон придумав автоматичний розподільчий механізм, який автоматично включав або відключав пару і впускав воду. Він доповнив паровий котел запобіжним клапаном. Але принципова схема машини Ньюкомена залишалася незмінною протягом 50 років, поки її удосконаленням не зайнявся механік університету в Глазго Джемс Уатт. У 1763-1764 роках йому довелося лагодити зразок машини Ньюкомена, що належав університету. Уатт виготовив невелику її модель і почав вивчати її дію. При цьому він міг використовувати деякі прилади, які належали університету, і користувався порадами професорів. Все це дозволило йому глянути на проблему ширше, ніж дивилися на неї багато механіків до нього, і він зміг створити набагато досконалішу парову машину.
Працюючи з моделлю, Уатт виявив, що при запусканні пари в охолоджений циліндр він значною кількістю конденсувався на його стінках. Уатту відразу стало ясно, що для більш економічної роботи двигуна доцільніше тримати циліндр постійно нагрітим. Але як у цьому випадку конденсувати пару? Декілька тижнів він роздумував, як вирішити це завдання, і нарешті зрозумів, що охолодження пари повинно відбуватися в окремому циліндрі, з'єднаному з головною короткою трубкою. Сам Уатт згадував, що одного разу під час вечірньої прогулянки він проходив повз пральню і тут, побачивши хмари пари, що виривалися з віконця, він здогадався, що пара, будучи тілом пружним, повинна прямувати в розряджений простір. Саме тоді йому спало на думку, що машину Ньюкомена треба доповнити окремою судиною для конденсації пари. Простий насос, що рухається самою машиною, міг видаляти з конденсатора повітря і воду, так що при кожному ході машини там міг би створюватися розряджений простір.
Після цього Уатт вніс ще кілька удосконалень, внаслідок чого машина набула наступного вигляду. До обох боків циліндра були підведені трубки: через нижню пару надходив усередину з парового котла, через верхню відводився в конденсатор. Конденсатор був дві жерстяні трубки, що стояли вертикально і сповідувалися між собою вгорі короткою горизонтальною трубкою з отвором, краном, що перекривався. Дно цих трубок було з'єднане з третьою вертикальною трубкою, яка служила повітряним відвідним насосом. Трубки, що становили холодильник та повітряний насос, були поміщені у невеликий циліндр із холодною водою. Парова трубка була з'єднана з котлом, з якого пара випускалася в циліндр. Коли пара заповнювала циліндр, паровий кран закривали і піднімали поршень повітряного насоса конденсатора, внаслідок чого трубках конденсатора виходило сильно розряджений простір. Пара прямувала в трубки і конденсувалася там, а поршень піднімався вгору, захоплюючи за собою вантаж (так вимірювали корисну роботу поршня). Потім випускний кран зачиняли. У 1768 році на основі цієї моделі на шахті гірничозаводника Ребука була побудована велика машина Уатта, на винахід якої він отримав у 1769 свій перший патент. Найважливішим і важливим у його винаході було поділ парового циліндра та конденсатора, завдяки чому не витрачалася енергія на постійний розігрів циліндра. Машина стала економічнішою. Її ККД збільшився. Декілька наступних років Уатт наполегливо працював над удосконаленням свого двигуна. При цьому йому довелося подолати багато труднощів як фінансового, так і технічного порядку. Він увійшов до компанії із власником металообробного заводу Болтоном, який забезпечив його грошима. Були й інші проблеми: двигун вимагав герметичності і найточнішого припасування деталей один до одного. Поршень і циліндр мали ідеально підходити за своїми розмірами, щоб не допускати витоку пари. Така точність була новинкою для машинобудування тих часів, не було навіть необхідних точних верстатів. Виточування циліндрів великого діаметра представлялося майже нерозв'язною проблемою. В результаті перші машини Уатта працювали незадовільно: з циліндра виривалася пара, конденсатори діяли погано, пара свистів через отвір, в якому рухався поршневий шток, просочувався між стінками поршня та циліндра. Довелося створювати спеціальні верстати для розточування циліндрів. (Взагалі, створення парової машини започаткувало справжньої революції у верстатобудуванні - щоб освоїти виробництво парових двигунів, машинобудуванню довелося піднятися на якісно вищого рівня.) Нарешті всі проблеми були подолано, і з 1776 року почалося фабричне виробництво парових машин. У машину 1776 року проти конструкцією 1765 року було внесено кілька важливих поліпшень. Поршень містився усередині циліндра, оточений паровим кожухом (сорочкою). Завдяки цьому було до мінімуму скорочено втрату тепла. Кожух зверху був закритий, тоді як циліндр відкритий. Пара надходила до циліндра з котла по бічній трубі. Циліндр з'єднувався з конденсатором трубою, з паровипускним клапаном. Дещо вище за цей клапан і ближче до циліндра був розміщений другий, врівноважуючий клапан. Коли обидва клапани були відкриті, пара, випущена з котла, наповнювала весь простір над поршнем і під ним, витісняючи повітря трубою в конденсатор. Коли клапани закривали, вся система залишалася в рівновазі. Потім відкривали нижній випускний клапан, що відокремлює простір під поршнем від конденсатора. Пара з цього простору прямувала в конденсатор, охолоджувалась тут і конденсувалася. При цьому під поршнем створювався розряджений простір, і тиск падав. Зверху продовжував чинити тиск пар, що надходив з котла. Під його дією поршень спускався вниз і робив корисну роботу, яка за допомогою балансира передавалася штоку насоса. Після того як поршень опускався до свого крайнього нижнього положення, відкривався верхній клапан, що врівноважує. Пара знову заповнювала простір над поршнем і під ним. Тиск у циліндрі врівноважувався. Під дією противаги, розташованої на кінці балансиру, поршень вільно піднімався вгору (не виконуючи при цьому корисної роботи). Потім весь процес тривав у тій самій послідовності. Хоча ця машина Уатта, так само як і двигун Ньюкомена, залишалася односторонньою, вона мала вже важливу відмінність - якщо у Ньюкомена роботу здійснювало атмосферний тиск, то Уатт її здійснював пару. Збільшуючи тиск пари, можна було збільшити потужність двигуна і таким чином впливати на його роботу. Втім, це не усувало основного недоліку такого типу машин – вони робили лише один робочий рух, працювали ривками і тому могли використовуватись лише як насоси. У 1775-1785 роках було збудовано 66 таких парових двигунів. Для того щоб паровий двигун міг приводити в дію інші машини, необхідно було, щоб він створював рівномірний круговий рух. Принципова відмінність такої машини полягала в тому, що поршень мав здійснювати два робочі рухи - і вперед і назад. Такий двигун подвійної дії був розроблений Уаттом у 1782 році. Пара тут випускалася то з одного, то з іншого боку поршня, причому простір на стороні, протилежній впуску пари, з'єднувався щоразу з конденсатором. Це завдання було вирішено за допомогою дотепної системи відвідних труб, що закривалися та відкривалися за допомогою золотника.
Золотник був засувкою, яка переміщалася перед двома отворами для пропускання пари. При кожному ході засувки в одну або іншу сторону відкривався один отвір і закривався інший, внаслідок чого змінювався шлях, яким могла проходити пара. Рух золотника мав складний характер при кожному крайньому положенні, коли один отвір відкритий, а інший закритий, він повинен був зупинятися на деякий час, щоб пропустити порцію пари, а середнє положення проходити якнайшвидше. Рухом золотника управляв спеціальний механізм, розташований на валу. Головною частиною у ньому був ексцентрик.
Ексцентрик, винайдений Уаттом, складався з пластини особливої форми, що сидить на осі, що знаходиться не в центрі цієї пластини, а на деякій відстані від нього. При такому кріпленні на одній стороні осі знаходилася більша частина пластини, ніж на іншій. Сама пластина була охоплена кільцем, до якого кріпилася тяга, яка рушила золотником. Під час обертання пластини її округлість постійно тиснула на нову точку всередині поверхні кільця і своєю ширшою стороною наводила його в рух. Разом із кожним поворотом валу відбувався один хід золотника. Характер обертання кільця (і відповідно рух тяги) залежав від того, якої форми вставлена пластина в ексцентрик. Шляхом розрахунків було підібрано таку форму, яка під час одного обороту зумовлювала то прискорення, то уповільнення, то зупинку золотника. Введенням цього пристрою Уатт зробив роботу своєї машини повністю автоматичною. Спочатку за роботою двигуна спостерігав робітник, в обов'язок якого входило регулювати подачу пари. Якщо двигун починав давати занадто великі оберти, він спеціальною заслінкою дещо перекривав паророзподільну трубу і тим зменшував тиск пари. Потім ця функція була покладена на особливий відцентровий регулятор, влаштований в такий спосіб. Рух робочого валу передавався шківу регулятора. Коли останній починав обертатися надто швидко (а отже, надмірно зростала кількість обертів двигуна), кулі регулятора піднімалися вгору під дією відцентрової сили і рухали муфту клапана і важіль, який обмежував кількість пари. При зменшенні числа обертів кулі опускалися і клапан відкривався.
З урахуванням роботи всіх цих пристроїв легко уявити загальний принцип дії машини. З парового котла пара трубою проходив у простір b, а звідти внаслідок руху золотника прямував у циліндр то над поршнем B, то під ним. Коли пара вступала в простір над поршнем, останній опускався, а потрапивши під поршень, піднімав його. У паровій трубці знаходився клапан який пропускав, дивлячись по потребі, більше або менше пари. Положення клапана регулювалося паровим відцентровим регулятором f. На головному валу сидів ексцентрик e, стрижень якого SS проходив з іншого боку машини під коробку золотника і з допомогою важеля піднімав, то опускав золотник. Рух поршня B передавався штоку O, який абсолютно щільно проходив у кришку циліндра, а від нього – до рухомого коромисла. На протилежному кінці коромисла знаходилася частина G, яка захоплювала знизу кривошип головного валу K. Таким чином, при кожному сходження і сходження поршня відбувався один оборот цього валу і маховика, що сидить на ньому, L. Сила передавалася від головного валу за допомогою ременів або інших засобів туди, де нею мали користуватися. У нижній частині машини був конденсатор. Він складався з резервуару, наповненого водою, яка постійно відновлювалася за допомогою насоса q, та бака D, де відбувалася конденсація. Холодна вода не тільки оточувала бак, а й убризкувала в нього через безліч дрібних отворів. Спущена гаряча вода постійно викачувалась за допомогою водяного насоса C. Тепла вода надходила до ящика і за допомогою насоса Mm знову викачувалась у паровий котел.
Створення механізму, що передає рух від поршня до валу, зажадало від Уатта величезних зусиль. Багато дозволених їм завдань взагалі перебували на межі технічних можливостей того часу. Одна з проблем полягала у створенні необхідної герметичності. У циліндрі з подвійною дією, на відміну від циліндра з одиночною дією, обидві сторони мали бути щільно закриті. Але так як поршень повинен був мати зв'язок із зовнішніми частинами, то в кришці залишали круглий отвір, в якому щільно ходив шток (стрижень) поршня. Уатт придумав вкладати в кришку міцно звинчений товстий шар намасленого клоччя, по якому стрижень ковзав, не торкаючись металу циліндра. Причому стрижень через свою гладкість терся дуже мало. Інша проблема полягала в самому механізмі перетворення руху: адже для передачі корисної роботи, що проробляється поршнем при його русі вгору, необхідно було, щоб шток поршня жорстко з'єднувався з балансиром. На всіх попередніх парових двигунах вони з'єднувалися ланцюгом. Тепер доводилося думати над тим, як жорстко зв'язати між собою шток, що рухався прямолінійно, і кінець балансиру, що рухався дугою. Уатт досяг цього, створивши особливе передавальний пристрій, який так і називається паралелограмом Уатта.
Кінець коромисла A був тут з'єднаний шарнірно тягою ADB з точкою B важеля BC, з'єднаного точкою C з якоюсь нерухомою частиною двигуна. Таким чином, вся система мала дві нерухомі точки обертання: центр балансиру, навколо якої здійснював коливальні рухи балансир, і точки C навколо якої обертався важіль CB. Точка A на кінці балансира і точка B на кінці важеля CB здійснювали рух по дугах, описаних з центру балансира і точки C. При цьому точка D на тязі ADB, що з'єднує точки A і B, здійснювала рухи дуже близькі до вертикальних і прямолінійних. Ця точка і була з'єднана зі штоком поршня. Згодом Уатт удосконалив цей передавальний пристрій, отримавши дві точки, що з'єднують прямолінійний рух. Одну з них він з'єднав зі штоком поршня, а іншу – зі штоком допоміжного насоса, що обслуговує двигун. Створення цього передавального пристрою зажадало від Уатта стільки зусиль, що він вважав його найбільшим винаходом. Він писав: "Хоча я не особливо дбаю про свою славу, проте пишаюся винаходом паралелограма більш ніж будь-яким з інших моїх винаходів".
Потім коливальні рухи балансира перетворювалися за допомогою кривошипа у обертальний (оскільки кривошипний механізм був запатентований Пікаром, у перших машинах Уатта коливальний рух балансиру у обертальний перетворювався за допомогою створеного Уаттом сонячно-планетарного механізму, як тільки патенту). Завдяки отриманому внаслідок всіх цих перетворень обертальному руху робочого валу новий двигун Уатта годився для приводу інших робочих машин. Це дозволило йому зіграти революційну роль розвитку великої машинної промисловості. За 1785-1795 роки було випущено 144 таких парових двигунів, а до 1800 року в Англії функціонувала вже 321 парова машина Уатта. Їх застосовували буквально у всіх галузях виробництва. Велике творіння Уатта було гідно оцінено сучасниками та нащадками. Після смерті винахідника 1819 року англійський парламент вшанував його пам'ять спорудою мармурової пам'ятки у Вестмінстерському абатстві. Автор: Рижов К.В.
▪ Мікроскоп на поверхневих плазмонах
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ розділ сайту Ефектні фокуси та їх розгадки. Добірка статей ▪ стаття З кондачка робити щось. Крилатий вислів ▪ стаття Чому гавайська мова - одна з наймелодійніших у світі? Детальна відповідь ▪ стаття Сусак зонтичний. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Каучукові замазки для скла. Прості рецепти та поради
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page