Паровий двигун

РЕФЕРАТ 

на тему:

«Паровий двигун»
ПЛАН

Вступ                                                 

I. Парова машина Сейвери                         

II. Парова машина Дени Папена                 

III. Томас Ньюкомен і його парова машина   

IV. Велика машина Джона Смита               

V. Парова машина Ползунова                     

VI. Джеймс Уатт. Універсальна парова     

 машина подвійного действи                    


 Створення двигуна

Першим механічним двигуном, що знайшов практичне застосування, була парова машина. Спочатку вона призначалася для використання в заводському виробництві, але пізніше паровий двигун стали встановлювати на саморушних машинах - паровозах, пароплавах, автомобілях і тракторах.

Аж до другої половини XVIII століття люди використовували для потреб виробництва в основному водяні двигуни. Тому що передавати механічний рух від водяного колеса на великі відстані неможливо, усі фабрики приходилося будувати на берегах рік, 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 і інші недоліки: вони мали малу потужність, робота їхній залежала від часу року і з працею подавалася регулюванню. Поступово стала гостро відчуватися нестаток у принципово новому двигуні: могутньому, дешевому, автономному і легкоуправляемом. Саме таким двигуном на ціле сторіччя стала для людини парова машина. 

Ідея парового двигуна була почасти підказана його винахідникам конструкцією поршневого водяного насоса, що був відомий ще в часи античності. Принцип його роботи був дуже простий: при підйомі поршня нагору вода засмоктувалася в циліндр через клапан у його дні. Бічний клапан, що з'єднував циліндр із водопідйомною трубою, у цей час був закритий, тому що вода з труби також прагнула ввійти усередину циліндра і тим самим закривала цей клапан. При опусканні поршня він починав давити на воду в циліндрі, завдяки чому закривався нижній клапан і відкривався бічний. У цей час вода з циліндра подавався нагору по водопідйомній трубі. У поршневому насосі робота, одержувана ззовні, витрачалася на просування рідини через циліндр насоса.

Лише на рубежі 17 - 18 століть удалося знайти спосіб робити корисну роботу за допомогою пари. Пара пускала в хід насос, що качав воду в резервуар. Випливаючи з резервуара і падаючи на водяне колесо, вода змушувала його обертатися. Водяне колесо, у свою чергу, надавало руху заводським механізмам і машинам. Таким чином, і після винаходу парового насоса безпосереднім двигуном робочих машин залишалося водяне колесо. Пройшло ще чимало часу, перш ніж допитливий людський розум створив надійний двигун, здатний безпосередньо пускати в хід різноманітні машини і механізми. Пройшло більш ніж два сторіччя, перш ніж з'явився двигун, що став однієї з передумов появи нового виду бойових машин - танків.

I. Парова машина Сейвери. 

Перша спроба поставити пару на службу людині була почата в Англії в 1698 році: машина Сейвери призначалася для осушення шахт і перекачування води. Сам винахідник назвав її "вогневою машиною" і широко разрекламировал як "друга шахтарів". Для одержання пари, що приводили машину в дію, був потрібний вогонь, але винахід Сейвери ще не було двигуном у повному змісті цього слова, оскільки крім декількох клапанів, що відкривалися і закривалися вручну, у ньому не малося рухливих частин.

Машина Сейвери працювала в такий спосіб: спочатку герметичний резервуар наповнявся пором, потім зовнішня поверхня резервуара прохолоджувалася холодною водою, отчу пару конденсувався, і в резервуарі створювався частковий вакуум. Після цього вода - наприклад із дна шахти - засмоктувалася в резервуар через забірну трубу і після впуску чергової порції пара викидалася назовні через випускну. Потім цикл повторювався, але воду можна було піднімати тільки з глибини менш 10,36 м, оскільки в дійсності її виштовхувало атмосферний тиск.

II. Парова машина Дени Папена. 

Перша вдала парова машина з поршнем була побудована французом Дени Папеном, чиє ім'я частіше асоціюється з винаходом автоклава, що мається сьогодні практично в кожнім будинку у виді каструлі-скороварки.

У 1674 році Папен побудував пороховий двигун, принцип дії якого ґрунтувався на запаленні в циліндрі пороху і переміщенні поршня усередині циліндра під впливом порохових газів. Коли надлишок газів виходив з циліндра через спеціальний клапан, а газ, що залишився, прохолоджувався, у циліндрі створювався частковий вакуум, і поршень повертався у вихідне положення під дією атмосферного тиску.

Машина була не дуже вдалої, але вона навела Папена на думку замінити порох водою. И в 1698 році він побудував парову машину (у тому ж році свою "вогненну машину" побудував і англієць Сейвери). Вода нагрівалася усередині вертикального циліндра з поршнем усередині, і пара, що утворилася, штовхав поршень нагору. Коли пара прохолоджувалася і конденсувалася, поршень опускався вниз під дією атмосферного тиску. Таким чином, за допомогою системи блоків парова машина Папена могла пускати в хід різні механізми, наприклад насоси.


 III. Томас Ньюкомен і його парова машина. 

Почувши про парову машину Папена, Томас Ньюкомен, що часто бував на шахтах у Вест Кантри, де він працював ковалем, і краще чим хто-небудь іншої розумів, як потрібні гарні насоси для запобігання затоплення шахт, об'єднав зусилля з водопровідником і склярем Джоном Калли в спробі побудувати більш зроблену модель. 

Їх перша парова машина була встановлена на вугільній шахті в Стаффордшире в 1712 році. Як і в машині Папена, поршень переміщався у вертикальному циліндрі, але в цілому машина Ньюкомена була значно більш зробленою. Щоб ліквідувати зазор між циліндром і поршнем, Ньюкомен закріпив на торці останнього гнучкий шкіряний диск і налив на нього небагато води. Пара з казана надходив у підставу циліндра і піднімав поршень нагору. Але при упорскуванні в циліндр холодної води, пара конденсувався, у циліндрі утворювалася вакуум, і під впливом атмосферного тиску поршень опускався вниз. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з'єднаної з коромислом, що рухалося на зразок качелей, піднімав нагору шток насоса. Коли поршень знаходився в нижній крапці свого ходу, у циліндр знову надходив пару, і за допомогою противаги, закріпленого на штоку чи насоса на коромислі, поршень піднімався у вихідне положення. Після цей цикл повторювався.

Машина Ньюкомена виявилася на рідкість вдалої і використовувалася по всій Європі більш 50 років. У 1740 році машина з циліндром довжиною 2,74 м і діаметром 76 див за один день виконувала роботу, що бригади з 25 чоловік і 10 коней, працюючи позмінно, раніш виконували за тиждень. 

IV. Велика машина Джона Смита. 

У 1775 році ще велика машина, побудована Джоном Смитоном (творцем Еддистоунского маяка), за двох тижнів осушила сухий док у Кронштадті (Росія). Раніше з використанням високих вітряків на ето ішов цілий рік.
 І проте, машина Ньюкомена була далека до досконалості. Вона перетворювала в механічну енергію усього лише близько 1 % теплової енергії і, як наслідок, пожирала величезну кількість палива, що, утім, не мало особливого значення, коли машина працювала на вугільних шахтах.
 У цілому машини Ньюкомена зіграли величезну роль у збереженні вугільної промисловості: з їхньою допомогою удалося відновити видобуток вугілля в багатьох затоплених шахтах.

V. Парова машина Ползунова. 

Проект першої у світі парової машини, здатної безпосередньо пускати в хід будь-які робочі механізми, запропонував 25 квітня 1763 року російський винахідник И. И. Повзунів, механік на Коливано-Воскресенских гірничорудних заводах Алтаю. 

Проект потрапив на стіл до начальника заводів, що схвалив його і відіслав у Петербург, відкіля незабаром прийшла відповідь: "...Цей його вимисл за новий винахід почесть повинна". Парова машина Ползунова одержала визнання.
 Повзунів пропонував побудувати спочатку невелику машину, на якій можна було б виявити й усунути всі недоліки, неминучі в новому винаході. Заводське начальство з цим не погодилося і вирішило будувати відразу величезну машину для могутньої повітродувки. Будівлю машини доручили Ползунову, у допомогу якому були виділені "не знаючі, але тільки одну схильність до того имеющие з тутешніх мастерових двоє" так ще трохи підсобних робітників. З цим "штатом" Повзунів приступив до будівлі своєї машини. Будувалася вона рік і дев'ять місяців. Коли машина вже пройшла перший іспит, винахідник занедужав швидкоплинною сухотою і за кілька днів до завершальних іспитів умер. 

Машина Ползунова мала два циліндри А и В з поршнями а і b, розташованими, як показано на малюнку. Штоки поршнів були з'єднані ланцюгом, перекинутої через шків Н. Рух шківа H  передавалося стрижням d1 і d2, що за допомогою «долонь» L1 і L2 пересували серповидний маятник f.

Маятник був з'єднаний зубчастими колісьми з механізмом, що керує кранами L і g, що здійснювали попеременний пуск пари і холодної води в циліндри. Коли, наприклад, у циліндр У подавалася пара і поршень b піднімався, те в циліндр A упорскувалася холодна вода і поршень а опускався. У такий спосіб машина Ползунова працювала безупинно і всі дії в ній проходили автоматично.

23 травня 1766 року учні Ползунова Левзин і Черницин одні приступили до останніх іспитів парової машини. У "Денній записці" від 4 липня була відзначено "справна машинна дія", а 7 серпня 1766 року вся установка - парова машина і могутня повітродувка - була здана в експлуатацію.

Усього за три місяці роботи машина Ползунова не тільки виправдала усі витрати на її будівлю в сумі 7233 карбованців 55 копійок, але і дала чистий прибуток у 12640 карбованців 28 копійок. 10 листопада 1766 року казан дав текти, і машина зупинилася. Незважаючи на те, що цю несправність можна було легко усунути, заводське начальство, не зацікавлене в механізації, закидало утвір Ползунова. Протягом наступних тридцяти років машина не діяла, а в 1779 році тодішні управителі алтайських заводів віддали розпорядження машину розібрати, "знаходиться при оной фабрику розламати і ліс ужити, на що придатно буде".

VI. Джеймс Уатт. Універсальна парова машина подвійної дії. 

Приблизно в цей же час в Англії над створенням парової машини працював шотландець Джеймс Уатт.
 Починаючи з 1763 року він займався удосконаленням малоефективної пароатмосферной машини Ньюкомена, що, узагалі ж, годила тільки для перекачування води. Йому було ясно, що основний недолік машини Ньюкомена складався в попеременном нагріванні й охолодженні циліндра. Яким же образом уникнути цього? Відповідь прийшла до Уатту недільним весняним днем 1765 року. Він зрозумів, що циліндр може постійно залишатися гарячим, якщо до конденсації відводити пара в окремий резервуар через трубопровід із клапаном. Більш того, циліндр може залишатися гарячим, а конденсор холодним, якщо зовні їх покрити теплоізоляційним матеріалом. 

Крім того Уатт зробив ще кілька удосконалень, що остаточно перетворили пароатмосферную машину в парову. У 1768 році він подав прохання про патент на свій винахід. Патент він одержав, але побудувати парову машину йому довго не вдавалося. І тільки в 1776 році парова машина Уатта була, нарешті, побудована й успішне пройшла іспит. Вона виявилася вдвічі ефективніше машини Ньюкомена.

У 1782 році Уатт створив нову чудову машину - першу універсальну парову машину подвійної дії. Кришку циліндра він оснастив винайденим незадовго до того сальником, що забезпечував вільний рух штока поршня, але запобігав витоку пари з циліндра. Пара надходила в циліндр поперемінно те з однієї сторони поршня, то з іншої. Тому поршень робив і робітник і зворотний хід за допомогою пари, чого не було в колишніх машинах.
 Оскільки в паровій машині подвійної дії шток поршня робив що тягне і штовхає дію, колишню приводну систему з ланцюгів і коромисла, що реагувала тільки на тягу, довелося переробити. Уатт розробив систему зв'язаних тяг і застосував планетарний механізм для перетворення зворотно-поступального руху штока поршня в обертальний рух, використовував важкий маховик, відцентровий регулятор швидкості, дисковий клапан і манометр для виміру тиску пари.

Запатентована Уаттом "ротативна парова машина" спочатку широко застосовувалася для приведення в дію машин і верстатів прядильних і ткацьких фабрик, а пізніше й інших промислових підприємств. Таким чином, парова машина Уатта стала винаходом століття, що положили початок промислової революції.
 У 1785 році одна з перших машин Уатта була встановлена в Лондоні на пивоварному заводі Семюела Уитбреда для розмелювання солоду. Машина виконувала роботу замість 24 коней. Діаметр її циліндра дорівнював 63 див, робочий хід поршня складав 1,83 м, а діаметр маховика досягав 4,27 м. Машина збереглася до наших днів, і сьогодні її можна побачити в дії в сиднейском музеї "Пауерхауз". Двигун Уатта годив для будь-якої машини, і цим не сповільнили скористатися винахідники саморушних механізмів.



1