Дополнение статьи «Паровые машины»

в 9:52, , рубрики: Научно-популярное

Всем привет! Мы продолжаем. Первая часть была тут.

Дополнение статьи «Паровые машины» - 1
Эльсницкий музей горного дела. Машина в рабочем состоянии, с её помощью опускают и поднимают клеть в шахте.

Наш современник, испанский историк и инженер Nicolas Garcia Tapia,

в своей книге 'JERONIMO DE AYANZ Y BEAUMONT'
Дополнение статьи «Паровые машины» - 2
Книгу можно купить на Амазоне.
Ещё вот тут

Дополнение статьи «Паровые машины» - 3 пишет о том, что испанский изобретатель Jerónimo de Ayanz y Beaumont (годы жизни 1553-1613) построил в 1606 году паровое устройство для подъёма воды на высоту.

О де Аянсе

Йеронимо де Аянс был военным, художником, космографом, музыкантом и прежде всего изобретателем. (обладатель «привилегий на изобретения» (патент — по нынешнему) на 48 устройств, подписанный Филиппом III).
Занимался разработкой научных приборов, металлических роликов для ветряных мельниц, металлургических печей, водолазного колокола и гидрокостюма (2 августа 1602 года, он погружался в этом гидрокостюме в реку Писуэрга и пробыл под водой в течение часа), подводной лодки, а также арочных плотин, точных весов (в документах говорится о том, что он мог взвесить муху), дистиллятора, поршневых насосов и т.д.

Вот тут можно почитать...

Чуть-чуть иллюстраций

Дополнение статьи «Паровые машины» - 4
Дополнение статьи «Паровые машины» - 5
Подводная лодка… (в прямом смысле слова)

Дополнение статьи «Паровые машины» - 6
Эскиз и рукопись, принадлежат перу Йеронимо де Аянса.

Дополнение статьи «Паровые машины» - 7
Наглядное изображение машины де Аянса. Пар из котла (D) поступал через открытый кран в ёмкость (2) и выдавливал воду наверх. В то же время, ёмкость (1) наполнялась водой из ёмкости (В).После чего, открытые краны закрывались, закрытые наоборот открывались и теперь уже пар выдавливал воду из ёмкости (1), а ёмкость (2) наполнялась новой порцией воды. В котёл, воду доливали по мере надобности. Благодаря двум ёмкостям, (а не одной) достигалась равномерная работа.

Таким образом получалось поднять воду на определённую высоту, например на верхние этажи замка. Или лить воду на водяное колесо, а от колеса приводить что-то в движение. В последствии, Томас Севери при постройке своей машины, использовал работы де Аянса.

Дополнение статьи «Паровые машины» - 8 Работая механиком университета Глазго, в 1765 году Джеймс Уатт, на основе модели машины Ньюкомена, собрал модель паровой машины с конденсатором.

В ~1768 году, 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 (в заявке на патент, Уатт определил свое изобретение как «новый метод уменьшения расхода пара, а следовательно, и топлива в огненных машинах»).

Как всё начиналось...

Зимой 1763 года к Уатту обратился профессор физики Джон Андерсон с просьбой наладить
модель паровой машины Ньюкомена.

Дополнение статьи «Паровые машины» - 9
Модель машины Ньюкомена, с которой экспериментировал Уатт

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, наконец, заработал. При этом Уатт убедился в неэффективности машины.
В каждом новом цикле часть энергии пара постоянно тратилась на нагрев цилиндра, так как на следующем такте в цилиндр впрыскивалась холодная вода (чтоб сконденсировать пар).
Проведя ряд опытов с кипящей водой, 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).

Все паровые машины того времени были атмосферного типа. Давлением пара поршень поднимался вверх (при этом сторона (S) балансира, опускалась под собственным весом), после этого пар в цилиндре охлаждался струёй воды, образовывался вакуум и поршень (под действием атмосферного давления) опускался вниз. Уатт сделал вывод, что мощность машин можно существенно увеличить, если использовать не атмосферное давление, а давление пара. Основная идея, отличающая машину Уатта от машины Ньюкомена, заключалась в изолированной камере для конденсации (охлаждения пара).

Дополнение статьи «Паровые машины» - 10
Благодоря тому, что в машине Уатта конденсатор(С) был отделён от рабочего цилиндра(Р) (теперь его не нужно было постоянно нагревать и охлаждать), удалось увеличить КПД.

Спустя некоторое время Джон Робак потерпел банкротство и новым компаньоном Уатта стал английский промышленник Мэттью Болтон. Приблизительно с 1775 года началась их совместная деятельность.

Дополнение статьи «Паровые машины» - 11
Болтон и Уатт обсуждают производство паровых машин на заводе в Сохо

Что характерно...

Дополнение статьи «Паровые машины» - 12

Следующим шагом к усовершенствованию машины, была герметизация верхней части цилиндра и подача пара не только в нижнюю, но и в верхнюю часть

цилиндра.

Сложность изготовления большого цилиндра с плотно пригнанным поршнем, была решена Джоном Уилкинсоном, который разрабатывал станки для изготовления пушечных стволов.

Так Уаттом и Болтоном, была построена паровая машина «двойного действия». С ~1776 года, машина стала выпускаться серийно.

Дополнение статьи «Паровые машины» - 13
В машине по-прежнему использовался вакуум, но пар, теперь подавался попеременно в обе полости цилиндра. Стенки цилиндра были теплоизолированы от внешней среды.

Дополнение статьи «Паровые машины» - 14
Машина Уатта хоть и стала эффективнее машины Ньюкомена, но КПД, всё ещё был черезвычайно низок (1-2%). Работала машина рывками и потому могла использоваться только как насос.

Чтобы паровая машина могла приводить в действие другие устройства, необходимо было приспособить колесо (в качестве маховика) и добиться равномерного вращения. Такой двигатель был разработан Уаттом в ~1781 году.

Дополнение статьи «Паровые машины» - 15 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.

Дополнение статьи «Паровые машины» - 16

Эта система оказалась ненадёжной и Уатт был вынужден от неё отказаться.
Колесо же, планировалось приводить в движение средствами

кривошипного механизма.

От использования «кривошипного механизма совместно с маховиком» тоже пришлось отказаться, эта система уже была запатентована (в 1780 году) Джеимсом Пикардом, предложившим Уатту кросс-лицензирование, но Уатт отказался от этого предложения. Чтобы избежать юридических трудностей, он использовал в своей машине планетарную передачу.

Дополнение статьи «Паровые машины» - 18 Дополнение статьи «Паровые машины» - 19
Дополнение статьи «Паровые машины» - 20
Двигатель Уатта (1788)

При создании машины с непрерывным вращательным движением, Уатту пришлось решать ряд нетривиальных задач и в последующие годы, он сделал много улучшений и изменений:

Параллелограмм Уатта

Механизм Уатта был изобретён для придания тяге поршня прямолинейного движения.
Уатт очень гордился этим изобретением и упоминал об этом в своём письме сыну.
Справедливости ради надо сказать, что этот механизм не создавал абсолютно прямолинейного движения.
Дополнение статьи «Паровые машины» - 21
Дополнение статьи «Паровые машины» - 22
Паровой двигатель построенный по патенту Джеймса Уатта в 1848 году в Фрайберге в Германии.
Большое фото
Это принцип и по сей день применяется на некоторых современных автомобилях для удерживания заднего моста.
Дополнение статьи «Паровые машины» - 23

Дроссельный клапан

Дроссельный клапан применялся для управления мощностью двигателя, путём регулирования количества поступающего пара в цилиндр.

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. Уатт адаптировал регулятор для паровой машины.
Дополнение статьи «Паровые машины» - 24 Дополнение статьи «Паровые машины» - 25

Золотник

Для подачи пара в разные полости цилиндра, Уатт использовал автоматически действующий золотник.
Дополнение статьи «Паровые машины» - 26
Коробчатый золотник представляет собой перевёрнутую коробку 1, попеременно перемещаемую золотниковой тягой 2 вправо и влево по золотниковому зеркалу 3 с прямоугольными окнами 4 и 5. В зависимости от положения золотника, окна сообщаются или с замкнутым пространством 6, окружающим золотник и заполненным рабочим телом, или с полостью 7, соединённой с атмосферой.

После всех этих усовершенствований Уатт построил вот такую машину.
Дополнение статьи «Паровые машины» - 27 Дополнение статьи «Паровые машины» - 28
Кривошипный механизм был заменён планетарной передачей, а зубчатая рейка и зубчатый балансир «параллелограммом Уатта».
Позже, когда истёк срок патента на кривошипный механизм, принадлежащий Джеимсу Пикарду, Уатт применил его на своей машине…
Дополнение статьи «Паровые машины» - 29
Дополнение статьи «Паровые машины» - 30
Основываясь на трудах своих предшественников и благодаря собственному таланту, Уатту удалось создать «универсальный паровой двигатель» с непрерывным вращательным движением, который в течение долгого времени оставался неизменным и подвергался лишь частичным доработкам.

С этого момента Технический Прогресс, так долго и мучительно прокладывающий себе путь сквозь бездну столетий, расправил могучие плечи и устремился в Будущее!!!

… А дальше были...
Паровые игрушки…
Паровые велосипеды…
Паровые автомобили…
Паровые самолеты…
Пароходы…
Паровозы…
Паровая турбина…

Лошадиная сила...

Для измерения мощности паровых машин, Уатт 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.

Патенты

Здесь написано, что патент на «использование кривошипного механизма совместно с маховиком» принадлежал Джеймсу Тибериусу Кирку Пикарду.
А здесь, что изобретателем кривошипного механизма является Уильям Мердок.
Непонятная ситуация и с «планетарной передачей», то ли Пикард её придумал/запатентовал, то ли Мердок, то ли ещё кто-то. Хотя на самом деле вот, а истина где-то рядом…
Вообще с патентами у них там целая карусель, в которой принимал участие сын Уатта, Джеймс Уатт младший, утверждающий, что «всё на свете» придумал его отец.
Разбираться в этом болоте несимметричных формул кто, кому должен, мне, уж извините, совершенно не интересно.

Ссылки

» An Early Experiment in Industrial Organisation
» JAMES WATT By Andrew Carnegie
» ENCYCLOPEDIA BRITANNICA
» Basalla, George (1988) The Evolution of Technology
» Burstall, Aubrey F. (1963) A History of Mechanical Engineering
» Много литературы

На этом, пожалуй, всё. Всем спасибо за внимание.

Дополнение статьи «Паровые машины» - 31

Автор: starikstd

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js