Паровые машины… и как появились «лошадиные силы»

Здравствуйте.
Этой публикацией мне хочется начать цикл статей, посвящённых различным техническим достижениям минувших дней.
Ведь так или иначе, но без них у нас небыло бы высоких технологий. К примеру, современная АЭС является ничем иным, как атомной паровой машиной.
Так же в статьях будут упамянаться имена Великих людей, на плечах которых стоит современная наука и техника.
Исторические справки будут представлены в виде ссылок/спойлеров и комментариев.
Постараюсь быть лаконичным, уделить большое внимание техническим аспектам, соблюдать хронологический порядок и достоверность.

А начать хотелось с паровых машин…

Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий.
Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг

Паровая машина

Паровая машина ^[1] — тепловой двигатель внешнего ^[2] сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала.

Первое известное устройство (Эолипил (или «шар Эола ^[3]»), «баня Герона»), приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским ^[4] в первом столетии.

Пар, из нижнего резервуара, поступал по боковым трубкам в полость шара и вырываясь из дюз, закреплённых на шаре, заставлял его вращаться.

Рисунки из книги «The Century of Inventions» ^[6] (1655) Edward Somerset ^[7]

Первая паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами ^[8]. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти колеса.

Данная иллюстрация лишь описывает принцип

В различных интернет-источниках, есть информация о том, что Саломон де Косс ^[9] в сочинении «Les Raisons des Forces Mouvantes avec Diverses Machines» ^[10] (1615 год), описал машину, основанную на упругости пара.

Вот, всё, что мне удалось найти в этом труде (равно как и в этом ^[11]), относящееся к теме:

Шар, стоящий на костре, явно связан с давлением пара…

В сочинениях Саломона де Косс, много внимания уделяется устроиствам, работающим по принципу "водяных мельниц ^[12]"

Похожую машину, в 1629 году предложил итальянский инженер Джованни Бранка ^[13] для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах.

В книге «The Century of Inventions» ^[6], упамянается ^[14] об этом устройстве...

Большая часть пара рассеивалась в пустую...

(Следующий абзац без пруфа, в сети одна и та же копипаста)
Примерно в это же время испанский инженер Йеронимо Аянс де Бомонт создал паровую машину с цилиндром — этот механизм оказал некоторое влияние на развитие событий в области усовершенствования паровых машин.

Инфы об этом человеке я не нашёл, если кто-то, что-то знает, прошу дать ссылку.

В 1655 году Эдвард Сомерсет ^[15] в своей книге «The Century of Inventions» ^[6] описал основной принцип действия паровых машин и спектр их применения. В замке Раглан ^[16], он установил устройство для подъема воды на стену большой башни.

Замок

Еще в 19-м веке можно было увидеть углубления в стене, где располагалась машина…

Фердинанду Вербисту ^[17] приписывают создание в 1670-е годы, первого в мире (вроде как игрушечного) паромобиля.

Не подтверждённая информация

Исаак Ньютон тоже не остался равнодушным, вот его взгляд на «реактивный» паромобиль:

Существует только это рисунок или эскиз, если угодно

Следующим этапом развития паровых машин, было создание Дени Папеном ^[18] в 1680-1690 году (данные расходятся), «поршневого» парового двигателя, который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара. Это был принципиально новый проект парового двигателя. Конструкцию паровой машины (цилиндр и поршень) Дени Папену подсказал Лейбниц.

Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх, а при конденсации пара создавалось разреженное пространство и атмосферное давление двигало поршень вниз.
Двигатель Папена плохо выполнял полезную работу, так как не мог осуществить непрерывное действие. Чтобы заставить машину работать, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.

Дени Папена принято считать изобретателем парового котла, проложившего таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. (см. ниже)

2 июля 1698 года английский инженер Томас Севери ^[19], получил патент на изобретение «огневого двигателя», предназначенной для откачивания воды из рудников.
Машина Севери — это 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.
Происходило это так. В котле, который непрерывно топили, образовывался пар. Открывая кран на трубе, впускали пар в насосный резервуар. От него отходили две трубы: одна (всасывающая) опускалась в шахту, другая (нагнетательная) проходила в сточный желоб.
Когда в резервуар пускали пар, он начинал выталкивать имеющуюся в нем воду по нагнетательной трубе в сточный желоб. Затем подачу пара прекращали и по специальной трубке впускали в резервуар холодную воду. Пар конденсировался, превращаясь в воду, и занимал небольшой объем, то есть в резервуаре образовывался вакуум. Вода шахты вытеснялась атмосферным давлением, направлялась по всасывающей трубе в «пустой» резервуар.
Насос Севери был маломощным, потреблял много топлива и работал прерывисто. Тем не менее установка Севере помогла изобретателям понять, что в паровых машинах следует пользоваться паром из отдельного котла.

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.

Широкого распространения эти устройства не получили.

Переворот же в технику принесли поршневые паровые машины

К началу XVIII века в Англии возникли условия, при которых создание индустриальной техники стало выгодным. В 1705 году Томас Ньюкомен ^[20] (совместив идеи Томаса Севери и Дени Папена) построил поршневой паровой насос, опыты по совершенствованию которого продолжались около десяти лет, пока он не начал исправно работать.

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 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.

(Нефтяной станок-качалка ^[21] работает так же)

Таким образом, машина Ньюкомена была скорее пароатмосферной ^[22], чем чисто паровой, так как рабочий ход у нее осуществлялся не давлением пара, а именно атмосферным давлением.
Насосы Ньюкомена нашли применение в Англии и других европейских странах для откачивания воды из глубоких затопленных шахт. К 1800 году было произведино 1454 машины Ньюкомена, многие из которых оставались в эксплуатации до начала XX века.

С некоторыми доработками, машины Ньюкомена на протяжении 50 лет оставались единственными механизмами, пригодными для промышленного использования.

В 1763 году русский изобретатель Иван Иванович Ползунов ^[23], работая механиком на алтайских горнорудных и металургических заводах, создал первую в России паровую машину и первый в мире двухцилиндровый паровой двигатель.
Ползунов модернизировал машину Ньюкомена (для обеспечения непрерывной работы он задействовал два цилиндра, вместо одного) и предложил использовать её для привидения в движение мехов ^[24] плавильных печей.

Принцип работы аналогичен машине Ньюкомена.
Когда в один из цилиндров наполненных паром, впрыскивали воду, пар конденсировался, и в цилиндре создавалось разряжение. Под действием атмосферного давления поршень начинал опускаться вниз и в этот момент, в другой цилиндр, находившийся в нижнем положении, начинал поступать пар, и он начинал двигаться вверх.
Подача воды и пара в цилиндры была полностью автоматизирована. Штоки поршней паровой машины были связаны между собой цепью. Цепь проходила через верхний шкив и при движении паровых цилиндров, шкив тоже приходил в движение. Движение шкива в свою очередь, через цепи, приводило в движение специальные стержни, основное назначение которых было управлять движением серповидного маятника. Именно серповидный маятник управлял попеременной подачей воды и пара в паровые цилиндры.
(машина Ползунова, как и машина Ньюкомена была пароатмосферной)

Макет паровой машины И.И. Ползунова, сделанный по оригинальным чертежам в 1820-е годы. Краеведческий музей Барнаула.

Cовершить же настоящую революцию в этой области, было суждено шотландскому инженеру и изобретателю Джеймсу Уатту.

В 1765 году Джеймс Уатт ^[25] изобрел паровую машину с конденсатором. Однако сама машина была создана только 10 лет спустя (по причине отсутствия финансирования).
В 1769 году он получил патент на это изобретение.

Автор: starikstd

Источник ^[28]