Паровой двигатель, разработанный шотландцем Джеймсом Уаттом (1736-1819) в 1769 году, был намного эффективнее с точки зрения мощности и расхода топлива, чем более ранние модели, и это значительно расширило возможности применения этого ключевого изобретения промышленной революции (1760-1840).
Уатт не изобретал паровой двигатель и не был единолично ответственен за технические разработки, носящие его имя, но он был движущей силой, сделавшей двигатель излюбленным источником энергии для многих фабрик, шахт, сельскохозяйственных машин и видов транспорта. Уотт и его деловой партнер Мэтью Боултон (1728-1809) изготовили и продали почти 500 паровых двигателей, прежде чем в 1800 году истек срок действия их патента, и другие инвесторы взяли на себя обязательства по дальнейшему повышению мощности и КПД парового двигателя.
Ранние паровые двигатели
Паровой двигатель был изобретением, которое развивалось с течением времени по мере того, как сменявшие друг друга инженеры делали его все более эффективным и адаптировали для более широкого практического и экономичного использования. Основная цель состояла в разработке машины, которая могла бы заменить традиционные источники энергии, такие как мышцы человека и животных, ветер и вода.
Паровой двигатель был впервые разработан как средство для откачки шахтных стволов, освобожденных от паводковых вод, что позволило вести более глубокую добычу полезных ископаемых. Первый паровой насос был запатентован Томасом Сэвери (ок. 1650-1715) в 1698 году. Томас Ньюкомен (1664-1729), торговец скобяными изделиями из Дартмута, усовершенствовал свой более мощный паровой насос для откачки воды из угольных шахт в Дадли в Мидленде в 1712 году. Двигатель Ньюкомена все еще был не очень экономичен в расходовании топлива, что не являлось серьезной проблемой в угольных шахтах, где, очевидно, было много угля, но являлось недостатком, если паровые двигатели предполагалось использовать в других местах, таких как оловянные рудники и фабрики. Другая проблема заключалась в том, что двигатель Ньюкомена был не особенно мощным. К счастью, паровой двигатель состоял из множества различных частей, и каждая из них со временем разрабатывалась разными изобретателями, чтобы сделать его более мощным и экономичным.
Уотт понял, что есть несколько способов улучшить конструкцию парового двигателя Ньюкомена.
Принцип работы парового двигателя заключался в том, что нагретая вода производит пар, который в 1500 раз объемнее. Пар, когда он охлаждается и конденсируется обратно в воду, затем резко уменьшается в объеме и создает частичный вакуум. Вакуум создает силу всасывания, которую можно использовать для всасывания воды. С научной точки зрения, в 17 веке такими учеными, как Галилей (1564-1642), было обнаружено, что вес внешней атмосферы (атмосферное давление), с его более высоким давлением, чем вакуум в машине, создает энергетическую силу, которую можно использовать для перемещения чего-либо из одного места в другое. Вместо воды поршень мог бы втягиваться в вакуум для создания силового хода. Затем силовой ход мог бы перемещать рычажную балку, обеспечивающую подъемную силу. Когда вакуумный резервуар опорожняется с помощью клапанов для выпуска пара, балка возвращается в свое естественное положение благодаря силе тяжести, и таким образом поршень вытягивается обратно из вакуумного резервуара, готовый повторить цикл. Двигателю требовались два основных компонента: уголь для нагрева воды и чистая пресная вода, которая не повреждала бы внутреннюю работу машины.
Сэвери и Ньюкомен использовали эти принципы для создания работающего парового двигателя. Ньюкомен улучшил мощность машины Сэвери, впрыснув холодную воду, чтобы ускорить процесс конденсации. Он также заменил шток поршня цепью, которая с гораздо меньшей вероятностью заклинивала. Тем не менее, оставалось еще много возможностей для совершенствования. Более совершенная машина с более плотно подогнанными деталями смогла бы выдерживать гораздо большее давление и, следовательно, обеспечивать большую мощность. В 1760-х годах Джон Смитон удвоил эффективность парового двигателя, но этого все равно было недостаточно. В 1769 году Джеймс Уотт, шотландский производитель инструментов, по иронии судьбы нашел путь вперед после того, как его попросили отремонтировать станок Ньюкомена.
Важным достижением стало увеличение мощности за счет того, что пар толкал поршень вниз одновременно с тем, как вакуум втягивал его внутрь.
Джеймс Уотт
Уотт родился в Гриноке, Шотландия, в 1736 году. Он учился в Лондоне и был нанят Университетом Глазго в качестве изготовителя математических приборов, когда в 1764 году ему подарили модель паровой машины Ньюкомена и попросили университет отремонтировать ее. В ходе ремонта Уотт понял, что есть несколько способов улучшить дизайн. Последовало еще пять лет исследований и разработок, которым финансово помогал Джон Робак, которому принадлежало две трети акций предприятия. В своей автобиографии (любопытно, что написанной от третьего лица) Уотт объясняет свою мотивацию: «его мысли были направлены на то, чтобы сделать двигатели не только хорошими, но и дешевыми» (Дуган, 54 года).
В 1769 году Уатт запатентовал свой новый атмосферный двигатель. Этот инновационный паровой двигатель имел отдельный конденсатор для значительного повышения эффективности. Уотт разделил горячую (поршневой цилиндр) и холодную (конденсатор) части оборудования, которые снижали эффективность процесса конденсации, поскольку поршневой цилиндр излишне охлаждался при впрыскивании воды для создания пара. Поэтому его машину на данном этапе часто называют отдельным конденсатором. Затем Уотт продолжил экспериментировать, теперь работая с Мэтью Боултоном, промышленником из Бирмингема, который выкупил долю Робака в великом предприятии Уотта после того, как последнее обанкротилось. Пара начала воплощать свой двигатель в жизнь в 1775 году, работая на инженерном заводе Soho Engineering Works в Бирмингеме. Уотт знал, что, по его собственным словам, «наиболее вероятным направлением использования наших двигателей является их применение на заводах, что, безусловно, является обширной областью применения» (Allen, 171).
Уотт и Боултон продолжали совершенствовать свою конструкцию в течение следующих нескольких лет. Важным достижением стало увеличение мощности за счет обеспечения того, чтобы пар толкал поршень вниз одновременно с вакуумом, втягивающим его внутрь. Пар теперь подавался поочередно с обоих концов поршня, в зависимости от того, в каком направлении двигался поршень. Вот почему этот новый тип двигателя часто называют двигателем двойного действия. Результатом разработки стало увеличение мощности, более равномерное распределение мощности и более плавная подача этой мощности. Эта мощность была еще больше увеличена, когда Уотт заменил цепь, соединяющую поршень с балкой, на более жесткую систему стержней, которая позволяла дополнительно толкать и тянуть поршень.
Другим усовершенствованием было использование более подходящих деталей для двигателя, что сводило к минимуму любые потери тепла и энергии. Уотт обратился за помощью к опытным производителям пушек Джону и Уильяму Уилкинсонам, чтобы обеспечить более плотное прилегание железных деталей. Новые компоненты обеспечили машине гораздо лучшее уплотнение между поршнем и его корпусом. Кроме того, железо было намного дешевле латуни, излюбленного материала ранее. Дальнейшими усовершенствованиями были добавление насоса для удаления конденсированного воздуха и пара, добавление изоляции к горячему поршню, чтобы он оставался горячим, и погружение резервуара для конденсации в другой резервуар с водой, чтобы он оставался холодным.
Продажи двигателя Watt & Boulton
Мощность паровых двигателей теперь измерялась по шкале, эквивалентной мощности лошади. Термин «лошадиная сила» был введен Уаттом, и он помог оценить усовершенствования, сделанные в будущих двигателях. Последней ключевой разработкой Уотта (которая уже использовалась конкурирующими изобретателями) было преобразование мощности двигателя не в вертикальную цепь или стержни, а во вращательное движение с помощью тяжелого маховика, соединенного солнечной и планетарной передачами. Такое расположение сделало работу машины намного более плавной и менее подверженной износу. Теперь вращающийся паровой двигатель можно было использовать практически для любой задачи, где требовалось тянуть, толкать, поворачивать, поднимать и нажимать. Кульминацией этих исследований и разработок стал двигатель, созданный Уоттом и Боултоном в 1784 году для Сэмюэля Уайтбрида (1720-1796). Уайтбрид управлял пивоварней в Лондоне, и двигатель, установленный в 1785 году и работавший до 1887 года, был настолько успешным, что помог ему стать самым известным пивоваром Великобритании. На сегодняшний день этот двигатель является старейшим из сохранившихся вращающихся паровых двигателей мощностью в Ватт и выставлен в музее Пауэрхаус в Сиднее.
Уотт и Боултон были уверены в своем продукте, и снова в 1784 году они купили фабрику Albion Mill в Лондоне, которая стала первой крупной фабрикой, полностью работающей на паре. Производителей пригласили на фабрику, чтобы они увидели впечатляющие двигатели Watt и Boulton в работе, а затем сделали заказ. Стратегия сработала, и в следующем году хлопчатобумажная фабрика, принадлежащая Джорджу и Джону Робинсонам в Ноттингеме, стала первой, у которой появился двигатель James Watt & Co.
Решающее значение для коммерческого успеха имело то, что паровой двигатель Уатта потреблял лишь около четверти топлива, необходимого двигателю Ньюкомена. Это сделало эксплуатацию двигателя доступной для большего числа предприятий и означало, что его можно было использовать в отдаленных районах, где не было больших запасов угля. В то время это было жизненно важным фактором и компенсировало скромную мощность двигателя — около 15-16 лошадиных сил в час. Как отмечает историк Дж. Мокир, достижения шотландца означают, что «Ватт сравним, скажем, с Пастером в биологии, Ньютоном в физике или Бетховеном в музыке. Некоторые люди действительно имели значение» (Дуган, 54 года).
Галерея изображений
Галерея из 30 изобретений промышленной революции
Промышленная революция, обычно датируемая примерно серединой 18-го — серединой 19-го века, принесла с собой необычайное количество изобретений, которые.
Дальнейшие события
К 1800 году Британия могла похвастаться более чем 2500 паровыми двигателями (у Франции, ближайшего конкурента Великобритании, их было менее 200, в то время как в США это число выражалось единичными цифрами). Большинство британских двигателей использовались в шахтах, на хлопкопрядильных фабриках и перерабатывающих заводах. Почти 500 из этих двигателей были изготовлены Watt и Boulton. 52 двигателя Уатта использовались в шахтах, 84 — на хлопчатобумажных фабриках, а остальные — в широком спектре отраслей промышленности. Даже фабрики, использующие традиционные водяные колеса, начали использовать двигатель Watt в качестве резервного на случай, когда уровень воды в местных водах был слишком низким, чтобы быть эффективным.
Также в 1800 году Уотт вышел на пенсию, срок действия его патента истек. Машина надолго пережила своего изобретателя и продолжала совершенствоваться благодаря новым идеям молодых инженеров. Действительно, патент Уатта сдерживал некоторых других изобретателей, и теперь они могли свободно заниматься дальнейшими усовершенствованиями. Уотт был признан за свой вклад в науку и инженерное дело, назвав в его честь электрическую единицу измерения.
Паровые двигатели продолжали развиваться, и они выигрывали от все более совершенного инструментального оборудования, которое позволяло изготавливать более прочные и лучше пригоняемые детали. В 19 веке паровые двигатели использовались для тяжелой техники на фабриках, молотилок в сельском хозяйстве, печатных станков и очистных сооружений по всей Великобритании и в других местах. Они произвели революцию в промышленности. Например, к 1835 году около 75% хлопчатобумажных фабрик в Великобритании использовали энергию пара. Даже там, где сохранялась традиционная ручная работа, например, в сельском хозяйстве, инструменты, используемые рабочими, часто изготавливались с использованием паровых машин. Преимущество ранних двигателей состояло в том, что они были экономичными и мобильными, что делало их продаваемым продуктом, но теперь, обладая гораздо большей мощностью, они могли не только заменить другие источники энергии, такие как водяные колеса, но и использоваться для совершенно новых целей, таких как транспорт. Железные дороги преобразили Британию, поскольку паровые локомотивы соединили все уголки страны.
Железные дороги стали возможными благодаря разработке расширительного двигателя, который отключал источник тепла до того, как пар полностью расширялся, позволяя расширению продолжаться естественным образом и, таким образом, экономя топливо. Управление расширением пара с помощью клапанов стало еще одним шагом вперед. Благодаря постоянным усовершенствованиям инженеров, фактически использующих двигатели самостоятельно и соблюдающих их особенности, паровая часть процесса стала настолько эффективной, что конденсационная часть стала неактуальной.
Некоторые паровые двигатели теперь были гигантскими. Джеймс Уатт умер в 1819 году, но его компания продолжала работать. James Watt & Co. предоставила двигатели для гигантского парохода SS Great Eastern, спроектированного Изамбардом Кингдом Брюнелем (1806-1859). Каждый из двух двигателей весил 90 тонн, и они были самыми большими из когда-либо созданных на тот момент. У них были массивные цилиндры длиной 1,88 метра (6 футов 2 дюйма). Двигатели выдавали в общей сложности 3150 лошадиных сил, что вдвое превышало мощность любого существующего корабля. Грейт Истерн совершил успешное путешествие в Нью-Йорк в 1860 году. На Уотта это произвело бы сильное впечатление.
К настоящему времени паровые двигатели были приняты на вооружение по всей Европе, и они оставались доминирующим источником энергии вплоть до 20-го века, когда на смену им пришли двигатель внутреннего сгорания и электричество.
Воздействие парового двигателя
Паровые двигатели принесли успех таким изобретателям, как Уатт, и они принесли большую прибыль производителям и другим владельцам бизнеса, поскольку были снижены затраты на рабочую силу и достигнута экономия за счет масштаба производства. Другие преимущества были замечены в сельском хозяйстве, где мобильные паровые двигатели стали чрезвычайно полезными во время сбора урожая или для таких крупных проектов, как осушение полей. Энергия пара позволила новым железным дорогам соединять людей так, как никогда раньше, а более быстрая транспортировка удешевила потребительские товары. Угольная и сталелитейная промышленность процветали, питая паровые двигатели и обеспечивая сырьем то, что они производили. Было также много менее положительных эффектов. Квалифицированные текстильщики потеряли работу из-за станков с электроприводом, как и те, кто управлял дилижансами, постоялыми дворами и конюшнями, поскольку поезда заменили традиционные виды транспорта. Урбанизация ускорилась, и поселки стали перенаселенными и загрязненными местами для жизни. Механизированные фабрики были шумными и часто опасными местами для работы. Но пути назад не было. Машинная энергия, из какого бы источника она ни исходила, стала настолько незаменимой, что сегодня нам почти невозможно представить, какой была жизнь до великой паровой революции.
https://worldhistory.org/Watt_Steam_Engine/
Загрузка...
