Aurumasinate ajalugu

Aurumasinate ajaloo alguseks võib pidada esimest algelist aurumasinat – aeolipile, mida kirjeldas Aleksandria Heron 1. sajandi Rooma Egiptuses. Hiljem katsetati või pakuti välja mitmeid auru jõul töötavaid seadmeid, näiteks Taqi al-Dini aurutõstuk, auruturbiin 16. sajandi Ottomani Egiptuses ja Thomas Savery aurupump 17. sajandi Inglismaal. 1712. aastal sai Thomas Newcomeni atmosfäärimootorist esimene kaubanduslikult edukas mootor, milles kasutati kolvi ja silindri põhimõtet, mis oli 20. sajandi alguseni kasutatav põhiline aurumootoritüüp. Aurumootorit kasutati vee pumpamiseks söekaevandustest.

Tööstusrevolutsiooni ajal hakkasid aurumasinad asendama vee- ja tuuleenergiat ning muutusid lõpuks 19. sajandi lõpus valitsevaks energiaallikaks ja jäid selleks kuni 20. sajandi esimeste aastakümneteni, mil tõhusam auruturbiin ja sisepõlemismootor tõid kaasa aurumasinate kiire asendamise. Auruturbiinist on saanud kõige tavalisem meetod, millega elektrienergia generaatorid töötavad. Praegu uuritakse, kas on otstarbekas taaselustada kolbmootoriga aurumootor, mis oleks aluseks uuele arenenud aurutehnoloogiale.

Eelkäijad

Auruenergia varased kasutusalad 

Varaseimat teadaolevat algelist aurumootorit ja reaktsiooniauruturbiini, aeolipile, kirjeldab 1. sajandi Rooma Egiptuses tegutsev matemaatik ja insener Heron Aleksandria (Heron), nagu on kirjas tema käsikirjas Spiritalia seu Pneumatica. Pihustitest tangentsiaalselt väljapaiskuv aur pani pöörlema pöörleva palli. Selle termiline kasutegur oli madal. See viitab sellele, et aururõhu muundamine mehaaniliseks liikumiseks oli Rooma Egiptuses 1. sajandil teada. Heron töötas välja ka masina, mis kasutas altaripõlengus kuumutatud õhku, et tõrjuda suletud anumast veekogus välja. Vee kaal pani peidetud köit tõmbama, et juhtida templi uksi. Mõned ajaloolased on need kaks leiutist segi ajanud, väites ekslikult, et aeolipile oli võimeline kasulikuks tööks.

William of Malmesbury järgi oli 1125. aastal Prantsusmaal Reimsis kirik, kus oli orel, mida käitas "kuumutatud vee abil" kokkusurumisest väljuv õhk, mille projekteeris ja konstrueeris ilmselt professor Gerbertus.

Leonardo da Vinci 15. sajandi lõpust pärinevate paberite hulgas on auruga töötava kahuri, nn Architonnerre, projekt, mis töötab kuuma vee äkilise sissevoolu abil suletud, punaseks kuumutatud kahurisse.

Algelist löögiauruturbiini kirjeldas 1551. aastal Ottomani Egiptuse filosoof, astronoom ja insener Taqi al-Din, kes kirjeldas meetodit, mille abil pööratakse sülda auru joa abil, mis mängib pöörlevatel tiivikutel ümber ratta perifeeria. Samasugust seadet sülje pööramiseks kirjeldas hiljem, 1648. aastal, ka John Wilkins. Neid seadmeid nimetati toona "veskiteks", kuid nüüd tuntakse neid auruajamite nime all. Veel üks sarnane algeline auruturbiin on näidatud Itaalia inseneri Giovanni Branca poolt 1629. aastal silindrilise eskadroni pööramiseks, mis tõstis ja laskis vaheldumisi alla mörsis töötavaid mürsukesi. Nende varajaste auruturbiinide auruvool ei olnud siiski kontsentreeritud ja suurem osa selle energiast hajus kõikidesse suundadesse. See oleks toonud kaasa suure energiaraiskamise, mistõttu neid ei kaalutud kunagi tõsiselt tööstuslikuks kasutamiseks.

1605. aastal kirjutas prantsuse matemaatik Florence Rivault oma traktaadis suurtükiväe kohta oma avastusest, et vesi, kui see on suletud pommikoormasse ja kuumutatud, lõhkab mürsud.

1606. aastal demonstreeris hispaanlane Jerónimo de Ayanz y Beaumont auru jõul töötava veepumba kasutamist ja sai selle kohta patendi. Seda pumpa kasutati edukalt Hispaanias Guadalcanaali üleujutatud kaevanduste kuivendamiseks.

Tööstusliku aurumootori arendamine 
"Avastused, mis Thomas Newcomeni poolt 1712. aastal kokku viiduna viisid aurumasinani, olid järgmised:"

 Vaakumi kontseptsioon (st rõhu langus alla keskkonnarõhu).
 Rõhu mõiste
 Tehnikad vaakumi loomiseks
 Auru tekitamise vahendid
 Kolb ja silinder

1643. aastal viis Evangelista Torricelli läbi katsed veepumpade imemissiooniga, et katsetada nende piirväärtust, mis oli umbes 32 jalga (Atmosfäärirõhk on 32,9 jalga ehk 10,03 meetrit. Vee aururõhk alandab teoreetilist tõstekõrgust). Ta mõtles välja katse, milles kasutas elavhõbedaga täidetud ja elavhõbedaga täidetud kaussi (baromeeter) ümberpööratud toru ning täheldas elavhõbedasamba kohal tühja ruumi, mis tema teooria kohaselt ei sisaldanud midagi, st vaakumit.

Torricelli mõjul leiutas Otto von Guericke vaakumpumba, muutes õhupüstoli survestamiseks kasutatavat õhupumpa. Guericke korraldas 1654. aastal Saksamaal Magdeburgis, kus ta oli linnapea, demonstratsiooni. Kaks vasest poolkera olid kokku pandud ja õhku pumbati välja. Poolkera külge kinnitatud raskused ei suutnud neid lahku tõmmata enne, kui õhuklapp avati. Eksperimenti korrati 1656. aastal, kasutades kahte meeskonda, millest igaühel oli 8 hobust, mis ei suutnud Magdeburgi poolkerasid lahutada.

Gaspar Schott kirjeldas esimesena poolkerade katset oma teoses "Mechanica Hydraulico-Pneumatica" (1657).

Pärast Schotti raamatu lugemist ehitas Robert Boyle täiustatud vaakumpumba ja tegi sellega seotud katseid.

Denis Papin tundis 1663. aastal Pariisis Christiaan Huygensi ja Gottfried Leibniziga koos töötades huvi vaakumi kasutamise vastu liikumapaneva jõu tekitamiseks. Papin töötas Robert Boyle'i heaks aastatel 1676-1679, avaldas oma töö kohta aruande raamatus "Continuation of New Experiments" (1680) ja pidas 1689. aastal ettekande Kuninglikule Seltsile. Alates 1690. aastast hakkas Papin katsetama kolbiga, et toota jõudu auru abil, ehitades aurumasinate mudelid. Ta katsetas atmosfääri- ja rõhuõhu aurumootoritega, avaldades oma tulemused 1707. aastal.

1663. aastal avaldas Edward Somerset, 2. Worcesteri markiis, 100 leiutist sisaldava raamatu, milles kirjeldati meetodit vee tõstmiseks korruste vahel, kasutades kohviperkolatsiooniga sarnast põhimõtet. Tema süsteem oli esimene, mis eraldas katla (kuumutatud suurtüki tünn) pumpamisest. Tünnist juhiti vesi tugevdatud tünni ja seejärel avati ventiil, et lasta auru sisse eraldi katlast. Rõhk tõusis üle vee, ajades seda toru kaudu ülespoole. Ta paigaldas oma auru jõul töötava seadme Raglani lossi suure torni seinale, et anda vett läbi torni. Sooned seinas, kuhu mootor oli paigaldatud, olid veel 19. sajandil näha. Keegi ei olnud siiski valmis sellise revolutsioonilise kontseptsiooni eest raha riskima ja ilma toetajateta jäi masin arendamata.

Samuel Morland, matemaatik ja leiutaja, kes tegeles pumpadega, jättis Vauxhalli Ordinance Office'ile märkmeid aurupumba konstruktsiooni kohta, mida Thomas Savery luges. 1698. aastal ehitas Savery aurupumba "The Miner's Friend". See kasutas nii vaakumit kui ka rõhku. Neid kasutati mitme aasta jooksul väikese hobujõuga teenistuseks.

Thomas Newcomen oli kaupmees, kes tegeles malmist kaupadega. Newcomeni mootor põhines Papini pakutud kolvi ja silindri konstruktsioonil. Newcomeni mootoris kondenseerus aur silindri sisse pihustatud vee abil, mis tekitas kolvi liigutamiseks õhurõhu. Newcomeni esimene mootor paigaldati 1712. aastal Staffordshire'is asuvas Dudley lossis asuvasse kaevandusse pumpamiseks.

Silindrid 

Denis Papin (22. august 1647 – u 1712) oli prantsuse füüsik, matemaatik ja leiutaja, keda tuntakse eeskätt teedrajava leiutise – aurukatla, survepanni eelkäija – autorina. 1670. aastate keskel töötas Papin koos hollandi füüsiku Christiaan Huygensi juures välja mootori, mis ajas õhu silindrist välja, plahvatades selle sees olevat püssirohtu. Mõistes selle abil tekitatud vaakumi ebatäielikkust ja 1680. aastal Inglismaale siirdudes töötas Papin välja sama silindri versiooni, mis saavutas täielikuma vaakumi vee keetmise ja seejärel auru kondenseerimise teel; sel viisil sai ta tõsta raskusi, kinnitades kolvi otsa rihmarattaga seotud trossi külge. Näidismudelina töötas see süsteem, kuid protsessi kordamiseks tuli kogu aparaat lahti võtta ja uuesti kokku panna. Papin nägi kiiresti, et automaatse tsükli tegemiseks tuleks auru eraldi katlas toota, kuid ta ei viinud projekti siiski edasi. Papin konstrueeris ka veskirattal mängiva joa abil liikuva aerupaadi, mis on kombinatsioon Taqi al Dini ja Savery kontseptsioonidest, ning talle on omistatud ka mitmeid olulisi seadmeid, näiteks turvaventiil. Papini aastatepikkune uurimistöö auru kasutamise probleemide kohta pidi mängima olulist rolli esimeste edukate tööstuslike mootorite väljatöötamisel, mis järgnesid peagi tema surmale.

Savery aurupump 

Esimene tööstuslikult kasutatav aurumootor oli Thomas Savery 1698. aastal konstrueeritud "tuletõrjemootor" ehk "Miner's Friend". See oli kolbita aurupump, mis sarnanes Worcesteris välja töötatud aurupumbaga. Savery tegi kaks olulist panust, mis parandasid oluliselt selle konstruktsiooni praktilisust. Esiteks, selleks et veevarustus oleks võimalik paigutada mootori alla, kasutas ta kondenseeritud auru, et tekitada pumba mahutis (Worcesteri näites tünnis) osaline vaakum ja seda kasutades tõmbas ta vett ülespoole. Teiseks, selleks, et kiiresti jahutada auru vaakumi tekitamiseks, lasi ta külma vett üle reservuaari.

Töötamiseks oli vaja mitut ventiili; kui reservuaar oli tsükli alguses tühi, avati ventiil auru sisselaskmiseks. Ventiil suleti, et sulgeda reservuaari ja jahutusveeventiil lülitati sisse, et kondenseerida aur ja luua osaline vaakum. Avati toiteventiil, mis tõmbas vett reservuaari ülespoole, ja tüüpiline mootor võis vett tõmmata kuni 20 jalga. See suleti ja auruklapp avati uuesti, tekitades vee kohal rõhu ja pumbates seda ülespoole, nagu Worcesteri konstruktsioonis. See tsükkel kahekordistas sisuliselt vahemaad, mida vett sai iga antud aururõhu puhul pumbata, ja tootmisnäidised tõstsid vett umbes 40 jalga.

Savery mootor lahendas probleemi, mis oli alles hiljuti muutunud tõsiseks; vee tõstmine Lõuna-Inglismaa kaevandustest välja, kui need jõudsid suuremale sügavusele. Savery mootor oli mõnevõrra vähem tõhus kui Newcomeni mootor, kuid seda kompenseeris asjaolu, et Newcomeni mootoris kasutatav eraldi pump oli ebaefektiivne, mistõttu oli kahe mootori kasutegur ligikaudu sama, 6 miljonit jalapunti söe busheli kohta (vähem kui 1%). Savery mootor ei olnud ka väga ohutu, sest osa selle tsüklist nõudis katla poolt pakutavat rõhu all olevat auru, ning arvestades tolleaegset tehnoloogiat, ei olnud surveanumat võimalik piisavalt tugevaks teha ja seega oli see plahvatusohtlik. Ühe tema pumba plahvatus Broad Watersis (Wednesbury lähedal) umbes 1705. aastal tähistab tõenäoliselt tema leiutise kasutamise katsete lõppu.

Savery mootor oli odavam kui Newcomeni mootor ja seda toodeti väiksemates mõõtudes. Mõned ehitajad valmistasid Savery mootori täiustatud versioone kuni 18. sajandi lõpuni. Bento de Moura Portugal, FRS, tutvustas Savery konstruktsiooni geniaalset täiustust, "et muuta see ise töötama", nagu kirjeldas John Smeaton 1751. aastal avaldatud "Philosophical Transactions" teatmikus.

Atmosfääri kondensatsioonimootorid

Newcomeni "atmosfääriline" mootor 

Thomas Newcomen oma 1712. aasta "atmosfäärimootoriga" oli see, kelle kohta võib öelda, et ta koondas enamiku Papini kehtestatud olulistest elementidest, et töötada välja esimene praktiline aurumootor, mille järele võis olla kaubanduslik nõudlus. See kujutas endast pinnasesse paigaldatud kolbmikpalkmootorit, mis ajas ühes otsas olevaid pumpasid. Mootor, mis oli kinnitatud ahelate abil palgi teisest otsast, töötas atmosfääri- ehk vaakumpõhimõttel.

Newcomeni konstruktsioonis kasutati mõningaid varasema kontseptsiooni elemente. Nagu Savery konstruktsioon, kasutas ka Newcomeni mootor veega jahutatud auru, et luua vaakum. Erinevalt Savery pumbast kasutas Newcomen siiski vaakumit kolvi tõmbamiseks, selle asemel, et tõmmata otse vett. Silindri ülemine ots oli avatud atmosfäärirõhule ja kui tekkis vaakum, surus atmosfäärirõhk kolvi kohal seda silindrisse. Kolvi määriti ja tihendati tilkuvas vees, mis tuli samast tsisternist, mis andis jahutusvett. Lisaks pritsis ta jahutusmõju parandamiseks vett otse silindrisse.

Kolb oli kinnitatud keti abil suure pöörleva tala külge. Kui kolb tõmbas palki, tõmbas see palgi teist külge ülespoole. See ots oli kinnitatud varda külge, mis tõmbas kaevanduses asuvatest tavapärastest pumba käepidemetest. Selle jõuhoobi lõpus avati auruklapp uuesti ja pumba varda raskus tõmbas palki alla, tõstes kolvi üles ja tõmmates uuesti auru silindrisse.

Kolvi ja palgi kasutamine võimaldas Newcomeni mootoril käivitada pumpasid eri tasanditel kogu kaevanduses, samuti kõrvaldas see vajaduse kõrge rõhu all oleva auru järele. Kogu süsteem oli isoleeritud ühte hoonesse maapinnal. Kuigi need mootorid olid ebatõhusad ja äärmiselt söekulukad (võrreldes hilisemate mootoritega), tõstsid need palju suuremaid veekoguseid ja suurematest sügavustest, kui see oli varem võimalik olnud. Aastaks 1735 oli Inglismaal paigaldatud üle 100 Newcomeni mootori ja hinnanguliselt oli 1800. aastaks kasutusel kuni 2000 mootorit (sealhulgas Watti versioonid).

John Smeaton tegi Newcomeni mootorile mitmeid täiustusi, eelkõige tihendite osas, ning suutis neid täiustades nende tõhusust peaaegu kolmekordistada. Samuti eelistas ta kasutada silindri võimsuse ülekandmiseks talade asemel rattaid, mis muutis tema mootorid kompaktsemaks. Smeaton oli esimene, kes töötas välja range teooria aurumootori tööpõhimõtete kohta. Ta töötas tagasiulatuvalt kavandatud ülesandest, et arvutada ülesande täitmiseks vajalik võimsus, seda andva silindri suurus ja kiirus, selle toitmiseks vajaliku katla suurus ja kütusekogus. Need töötati välja empiiriliselt pärast seda, kui ta oli uurinud kümneid Newcomeni mootoreid Cornwallis ja Newcastle'is ning ehitanud 1770. aastal oma kodus Austhorpe'is omaenda katsemootori. Selleks ajaks, kui Watti mootor vaid mõned aastad hiljem kasutusele võeti, oli Smeaton ehitanud kümneid üha suuremaid mootoreid, mis ulatusid 100 hj-ni.

Watti eraldi kondensaator 

Töötades 1759. aastal Glasgow' ülikoolis mõõteriistade valmistaja ja remondimehe ametikohal, tutvustas James Wattile professor John Robison auru jõudu. Lummatud, hakkas Watt lugema kõike, mida ta sai sel teemal lugeda, ja töötas iseseisvalt välja latentse soojuse mõiste, mille alles hiljuti avaldas Joseph Black samas ülikoolis. Kui Watt sai teada, et ülikoolile kuulus Newcomeni mootori väike töötav mudel, nõudis ta selle tagastamist Londonist, kus seda edutult parandati. Watt parandas masina, kuid leidis, et see oli isegi täielikult parandatuna vaevu töökorras.

Pärast tööd konstruktsiooniga jõudis Watt järeldusele, et 80% mootori kasutatavast aurust läks raisku. Selle asemel, et anda liikumapanevat jõudu, kasutati seda hoopis silindri soojendamiseks. Newcomeni konstruktsioonis alustati iga töötsükkel külma vee pihustamisega, mis mitte ainult ei kondenseerinud auru, vaid ka jahutas silindri seinu. See soojus tuli asendada, enne kui silinder taas auru vastu võttis. Newcomeni mootoris andis soojust ainult aur, nii et kui auruklapp taas avati, kondenseerus suurem osa sellest kohe pärast silindrisse sisenemist külmadele seintele. Kulus palju aega ja auru, enne kui silinder taas soojenes ja aur hakkas seda täitma.

Watt lahendas veepritsmete probleemi, viies külma vee teise silindrisse, mis oli paigutatud jõusilindri kõrvale. Kui induktsioonitakt oli lõppenud, avati nende kahe vahel klapp ja kogu silindrisse sisenenud aur kondenseerus selles külmas silindris. See tekitaks vaakumi, mis tõmbaks rohkem auru silindrisse ja nii edasi, kuni aur oleks enamasti kondenseerunud. Seejärel suleti ventiil ja põhisilindri töö jätkus nagu tavalise Newcomeni mootori puhul. Kuna lisasilinder püsis kogu aeg töötemperatuuril, oli süsteem valmis uueks töötsükliks, kui kolb tagasi tõmmati. Temperatuuri säilitamiseks oli silindri ümber mantel, kuhu auru sisse lastakse. Watt valmistas toimiva mudeli 1765. aastal.

Olles veendunud, et see on suur edasiminek, sõlmis Watt partnerlussuhteid, et pakkuda riskikapitali, samal ajal kui ta töötas konstruktsiooni kallal. Watt ei piirdunud selle üheainsa täiustusega, vaid töötas väsimatult teiste paranduste kallal, mis hõlmasid praktiliselt kõiki mootori osi. Watt täiustas süsteemi veelgi, lisades väikese vaakumpumba, et tõmmata aur silindrist kondensaatorisse, mis parandas veelgi tsükli kestust. Radikaalsem muudatus võrreldes Newcomeni konstruktsiooniga oli silindri ülaosa sulgemine ja madalrõhu auru lisamine kolvi kohal. Nüüd ei olnud võimsus tingitud mitte atmosfäärirõhu ja vaakumi erinevusest, vaid auru ja vaakumi rõhust, mis oli mõnevõrra suurem väärtus. Ülespoole tagasituleku ajal viidi ülalpool olev aur toru kaudu kolvi alumisele küljele, mis oli valmis kondenseerumiseks allatuleku jaoks. Newcomeni mootori kolvi tihendamine saavutati, säilitades selle ülemisel küljel väikese koguse vett. Watti mootoris ei olnud see enam võimalik, kuna aur oli olemas. Watt tegi märkimisväärseid jõupingutusi, et leida toimiv tihend, mis lõpuks saavutati, kasutades rasva ja õli segu. Kolbvarda läbis ka silindri ülemise kaane tihendiga sarnaselt tihendatud tihendit.

Kolvi tihendamise probleem oli tingitud sellest, et ei olnud võimalik toota piisavalt ümmargusi silindreid. Watt proovis lasta silindreid puurida malmist, kuid need olid liiga ebateravad. Watt oli sunnitud kasutama vasara silindrit. Järgmine tsitaat on pärit Roe'lt (1916):

"Kui [John] Smeaton esimest korda mootorit nägi, teatas ta Inseneride Seltsile, et "ei ole olemas ei tööriistu ega töömehi, kes suudaksid sellise keerulise masina piisava täpsusega valmistada" "

Watt pidas konstruktsiooni lõpuks piisavalt heaks, et seda 1774. aastal välja lasta, ja Watti mootor toodi turule. Kuna osa selle konstruktsioonist oli hõlpsasti paigaldatav olemasolevatele Newcomeni mootoritele, ei olnud vaja ehitada kaevandustes täiesti uut mootorit. Selle asemel litsentseerisid Watt ja tema äripartner Matthew Boulton parandused mootorioperaatoritele, võttes neilt osa kütusekulude vähenemise tõttu säästetud rahast. Konstruktsioon oli ülimalt edukas ning Boultoni ja Watti ettevõte moodustati, et litsentseerida konstruktsiooni ja aidata uutel tootjatel mootoreid ehitada. Hiljem avasid nad Soho Foundry, et toota oma mootoreid.

1774. aastal leiutas John Wilkinson puurimismasina, mille puurimistööriista hoidev võll oli mõlemast otsast toestatud ja ulatus läbi silindri, erinevalt tollal kasutatavatest kanderakendega puurimismasinatest. Selle masinaga sai ta 1776. aastal edukalt puurida Boultoni ja Watti esimese kaubandusliku mootori silindri.

Watt ei lõpetanud kunagi oma konstruktsioonide täiustamist. See parandas veelgi töötsükli kiirust, võttis kasutusele regulaatorid, automaatsed ventiilid, kahesüsteemsed kolvid, mitmesugused pöörlevad jõuvõtjad ja paljud muud täiustused. Watti tehnoloogia võimaldas statsionaarsete aurumootorite laialdast kaubanduslikku kasutamist.

Humphrey Gainsborough valmistas 1760. aastatel kondensaatoriga aurumootori mudeli, mida ta näitas Richard Lovell Edgeworthile, Lunar Society liikmele. Gainsborough uskus, et Watt oli kasutanud oma ideid leiutise tegemiseks; James Watt ei olnud sel ajal siiski Lunar Society liige ja tema arvukad kirjeldused, mis selgitavad lõpliku konstruktsioonini viinud mõtteprotsesside jada, kalduvad seda juttu ümber lükkama.

Võimsust piirasid endiselt madal rõhk, silindri töömaht, põlemis- ja aurustumiskiirus ning kondensaatori maht. Maksimaalset teoreetilist kasutegurit piiras suhteliselt väike temperatuurierinevus mõlemal pool kolbi; see tähendas, et selleks, et Watti mootor annaks kasutatava võimsuse, pidid esimesed tootmismootorid olema väga suured ning seega oli nende ehitamine ja paigaldamine kallis.

Watti kahetoimelised ja pöörlevad mootorid 

Watt töötas välja kahetoimelise mootori, milles aur ajas kolvi mõlemas suunas, suurendades seeläbi mootori kiirust ja tõhusust. Kahepoolse toimega põhimõte suurendas oluliselt ka antud füüsilise suurusega mootori võimsust.

Boulton ja Watt arendasid kolbmootori edasi pöörlevaks mootoriks. Erinevalt Newcomeni mootorist võis Watti mootor töötada piisavalt sujuvalt, et seda saaks ühendada ajamiga – päikese- ja planeetaarülekandega hammasrataste kaudu –, et pakkuda pöörlevat jõudu koos kahetoimeliste kondensaatoriga. Varaseim näide ehitati demonstraatorina ja paigaldati Boultoni tehasesse, et töötada masinatega nööpide lappimiseks (poleerimiseks) vms. Sel põhjusel tunti seda alati Lap Engine'i nime all. Varajastel aurumootoritel on kolb tavaliselt ühendatud varda abil tasakaalustatud talaga, mitte otse hoorattaga, ja seetõttu nimetatakse neid mootoreid talamootoriteks.

Varased aurumootorid ei andnud piisavalt pidevat kiirust kriitiliste toimingute, näiteks puuvillaketruse jaoks. Kiiruse reguleerimiseks kasutati mootorit vee pumpamiseks vesiratta jaoks, mis andis masinatele jõudu.

Kõrgsurvemootorid 

18. sajandi edenedes hakati nõudma kõrgema rõhu kasutamist; sellele seisis Watt jõuliselt vastu, kes kasutas oma patendiga antud monopoli, et takistada teisi inimesi ehitamast kõrgsurvemootoreid ja kasutamast neid sõidukites. Ta ei usaldanud tolleaegset katlatehnoloogiat, nende konstruktsiooni ja kasutatud materjalide tugevust.

Olulised eelised

 Neid võis teha palju väiksemaks kui varem antud võimsuse juures. Seega oli võimalik arendada aurumootoreid, mis olid piisavalt väikesed ja võimsad, et end ja teisi objekte liikuma panna. Selle tulemusena muutus aurujõud transpordi jaoks nüüd praktiliseks laevade ja maismaasõidukite näol, mis muutis revolutsiooniliselt kaubaveoettevõtteid, reisimist, sõjalist strateegiat ja sisuliselt kõiki ühiskonna aspekte.
 Oma väiksema suuruse tõttu olid need palju odavamad.
 Nad ei vajanud märkimisväärses koguses kondensaatori jahutusvett, mida vajasid atmosfäärimootorid.
 Neid võis konstrueerida nii, et nad töötasid suuremal kiirusel, mis muutis nad sobivamaks masinate käitamiseks.

Puudused

 Madalama rõhu all olid nad vähem tõhusad kui kondensaatormootorid, eriti kui auru ei kasutatud ekspansiivselt.
 Nad olid vastuvõtlikumad katla plahvatustele.

Peamine erinevus kõrgsurve- ja madalsurve aurumootorite töö vahel on kolbi liigutava jõu allikas. Newcomeni ja Watti mootorites tekitab suurema osa rõhkude erinevusest auru kondensatsioon, mis põhjustab kolvi liigutamiseks atmosfäärirõhu (Newcomen) ja madalsurve auru, mis harva ületab 7 psi katlarõhku, pluss kondensaatori vaakum (Watt). Kõrgsurve mootoris annab suurema osa rõhkude vahest katlast tulev kõrgsurve aur; kolvi madalrõhupool võib olla atmosfäärirõhul või ühendatud kondensaatori rõhuga. Newcomeni näidisdiagramm, mis oli peaaegu täielikult allpool atmosfäärijoont, peaks peaaegu 200 aastat hiljem taaselustuma, sest kolmekordse paisumisega mootorite madalsurvesilinder annab umbes 20% mootori võimsusest, mis on jällegi peaaegu täielikult allpool atmosfäärijoont.

Esimene teadaolev "tugeva auru" pooldaja oli Jacob Leupold oma mootori skeemiga, mis ilmus entsüklopeedilistes teostes umbes 1725. aastal. Sajandi jooksul ilmusid ka mitmesugused projektid auru jõul liikuvate paatide ja sõidukite jaoks, millest üks paljulubavamaid oli Nicolas-Joseph Cugnot' projekt, kes demonstreeris 1769. aastal oma fardier'i (auruvankrit). Kuigi selle sõiduki töörõhk ei ole teada, ei olnud katla väike suurus piisav aurutootmisvõimsus, et võimaldada fardier'il liikuda rohkem kui paarsada meetrit korraga, enne kui ta pidi peatuma, et auru tõsta. Kavandati ka teisi projekte ja mudeleid, kuid nagu William Murdochi 1784. aasta mudel, blokeerisid Boulton ja Watt paljud neist.

Ameerika Ühendriikides see ei kehtinud ja 1788. aastal tegutses John Fitchi ehitatud aurulaev regulaarselt kaubanduslikul liinil Delaware'i jõel Philadelphia (Pennsylvania osariigis) ja Burlingtoni (New Jersey osariigis) vahel, vedades kuni 30 reisijat. See laev suutis tavaliselt teha 7-8 miili tunnis ja läbis oma lühikese aja jooksul üle 2000 miili (3200 km). Fitchi aurulaev ei olnud äriliselt edukas, sest seda marsruuti läbisid piisavalt head vaguniteed. 1802. aastal ehitas William Symington praktilise aurulaeva ja 1807. aastal kasutas Robert Fulton Watti aurumasinat, et käivitada esimene äriliselt edukas aurulaev.

Oliver Evans omakorda pooldas "tugevat auru", mida ta kasutas paadimootorites ja statsionaarses kasutuses. Ta oli silindriliste katelde teerajaja, kuid Evansi kateldes toimus mitu tõsist katelde plahvatust, mis andis Watti kahtlustele kaalu. Ta asutas 1811. aastal Pennsylvania osariigis Pittsburghi linnas Pittsburghi aurumootorite ettevõtte. Ettevõte võttis kasutusele kõrgsurve aurumootorid jõelaevade kaubanduses Mississippi vesikonnas.

Esimese kõrgsurve aurumootori leiutas 1800. aastal Richard Trevithick.

Rõhu all oleva auru tõstmise tähtsus (termodünaamilisest seisukohast) seisneb selles, et sellega saavutatakse kõrgem temperatuur. Seega töötab iga mootor, mis kasutab kõrgsurveauru, kõrgema temperatuuri ja rõhkude vahega, kui see on võimalik madalsurve-vaakummootori puhul. Seega sai kõrgsurvemootor enamiku kolbaaurutehnoloogia edasise arengu aluseks. Isegi siis, kui 1800. aasta paiku tähendas "kõrgsurve" seda, mida tänapäeval peetaks väga madalaks rõhuks, s.t 40–50 psi (276–345 kPa), sest kõnealune kõrgsurvemootor ei kondenseerunud, vaid seda ajendas üksnes auru ekspansiivne jõud, ja kui see aur oli tööd teinud, siis tavaliselt väljus see atmosfäärist kõrgemal rõhul. Väljapääsenud auru puhumist korstnasse võis kasutada selleks, et tekitada indutseeritud tõmbetuul läbi tulekollektori ja seega suurendada põlemiskiirust, tekitades seega rohkem soojust väiksemas ahjus, kuid seejuures tekkis vasturõhk kolvi väljalaskeküljel.

Veebruaris 1804 demonstreeriti Lõuna-Walesis Merthyr Tydfilis asuvas Penydarreni rauatehases Richard Trevithicki ehitatud esimest iseliikuvat raudteeaurumasinat ehk auruvedurit.

Cornish engine and compounding 

1811. aasta paiku pidi Richard Trevithick ajakohastama Watti pumpmootorit, et kohandada see ühele oma uuele suurele silindrilisele Cornishi katlamasinale. Kui Trevithick 1816. aastal Lõuna-Ameerikasse sõitis, jätkas tema parandusi William Sims. Paralleelselt töötas Arthur Woolf välja kahe silindriga ühendmootori, nii et aur paisus kõrgsurvesilindris, enne kui ta seda madalrõhulisse silindrisse paiskas. Tõhusust parandas veelgi Samuel Groase, kes isoleeris katla, mootori ja torud.

Aururõhk kolvi kohal tõusis lõpuks kuni 40 psi (0,28 MPa) või isegi 50 psi (0,34 MPa) ja andis nüüd suure osa allatuleku võimsusest; samal ajal paranes ka kondenseerimine. See suurendas märkimisväärselt tõhusust ja Cornishi süsteemi pumpamismootoreid (sageli tuntud kui Cornishi mootorid) ehitati uusi kogu 19. sajandi vältel. Vanemaid Watti mootoreid ajakohastati, et need vastaksid nõuetele.

Nende Cornishi paranduste kasutuselevõtt oli aeglane tekstiilitööstuspiirkondades, kus kivisüsi oli odav, sest mootorite kapitalikulud olid suuremad ja nende kulumine oli suurem. Muudatusi hakati tegema alles 1830. aastatel, tavaliselt lisades veel ühe (kõrgsurve)silindri.

Varaste aurumootorite teine piirang oli kiiruse varieeruvus, mis muutis need paljudeks tekstiilitööde, eriti ketruse jaoks ebasobivaks. Selleks, et saavutada püsiv kiirus, kasutasid varased auruvabrikud aurumasinat vee pumpamiseks vesirattale, mis ajas masinat edasi.

Paljusid selliseid mootoreid tarniti kogu maailma ning need töötasid usaldusväärselt ja tõhusalt paljude aastate jooksul, vähendades oluliselt söe tarbimist. Mõned neist olid väga suured ja seda tüüpi ehitati veel kuni 1890. aastateni.

Corlissi mootor 

Corlissi aurumasinat (patenteeritud 1849) nimetati suurimaks arenguks pärast James Watti. Corlissi mootoril oli oluliselt parem pöörlemiskiiruse reguleerimine ja parem kasutegur, mistõttu see sobis igasuguste tööstuslike rakenduste, sealhulgas ketruse jaoks.

Corliss kasutas eraldi avausi auru sissevooluks ja väljavooluks, mis takistas väljavoolu jahutamist kuuma auru poolt kasutatavas kanalis. Corliss kasutas ka osaliselt pöörlevaid ventiile, mis võimaldasid kiiret tegutsemist, aidates vähendada rõhukaotusi. Klapid ise vähendasid samuti hõõrdumist, eriti võrreldes liugklappidega, mis kasutasid tavaliselt 10% mootori võimsusest.

Corliss kasutas automaatset muutuvat väljalülitamist. Klapikangid reguleerisid mootori pöörlemiskiirust, kasutades regulaatorit, et muuta väljalülitamise ajastust. See oli osaliselt vastutav tõhususe paranemise eest lisaks paremale pöörlemiskiiruse reguleerimisele.

Porteri-Alleni kiire aurumootor 

Porteri-Alleni mootor, mis võeti kasutusele 1862. aastal, kasutas täiustatud ventiilimehhanismi, mille oli Porteri jaoks välja töötanud Allen, erakordselt võimekas mehaanik, ja seda tunti esialgu üldiselt Alleni mootorina. Suure kiirusega mootor oli hästi tasakaalustatud täppismasin, mille saavutused muutusid võimalikuks tänu edusammudele tööpinkide ja tootmistehnoloogia vallas.

Kõrgkäigumootor töötas kolvi kiirusega, mis oli kolm kuni viis korda suurem kui tavaliste mootorite kiirus. Sellel oli ka madalate pöörete varieeruvus. Kõrgkäigumootorit kasutati laialdaselt saeveskites ketassaagide käitamiseks. Hiljem kasutati seda ka elektritootmiseks.

Sellel mootoril oli mitmeid eeliseid. Seda võis mõnel juhul otse ühendada. Kui kasutati hammasrattaid või rihmasid ja trumme, võisid need olla palju väiksemate mõõtmetega. Samuti oli mootor ise väike, kui suur oli tema poolt arendatav võimsus.

Porter parandas lendkuuliga regulaatorit oluliselt, vähendades pöörlevat kaalu ja lisades kaalu ümber võlli. See parandas oluliselt kiiruse reguleerimist. Porteri regulaator sai 1880. aastaks juhtivaks tüübiks.

Porter-Alleni mootori kasutegur oli hea, kuid mitte võrdne Corlissi mootoriga.

Ühisvoolumootor (või unaflow-mootor) 

Uniflow-mootor oli kõige efektiivsem kõrgsurvemootoritüüp. See leiutati 1911. aastal ja seda kasutati laevadel, kuid selle tõrjusid välja auruturbiinid ja hilisemad merediiselmootorid.

Vaata ka
Thomas Newcomen

Viited

Jõumasinad