СодержаниеОглавление
Введение…………………………………………………………........ 2
Глава 1. История создания паровой машины……………………… 4
Глава 2. Паровая машина Дэниса Папена и Томаса Ньюкомена… 5
Глава 3. Паровая машина Джемса Уатта………………………….. 7
Заключение…………………………………………………………… 16
Список литературы………………………………………………...... 18
Введение
Вплоть до второй половины XVIII века люди использовали для нужд производства в основном водя¬ные двигатели. Так как передавать ме¬ханическое движение от водяного ко¬леса на большие расстояния невозмож¬но, все фабрики приходилось строить на берегах рек, что не всегда было удоб¬но. Кроме того, для эффективной ра¬боты такого двигателя часто требова¬лись дорогостоящие подготовительные работы (устройство прудов, строитель¬ство плотин и тому подобное). Были у водяных колес и другие недостатки: они имели малую мощность, работа их за¬висела от времени года и с трудом под¬давалась регулировке. Постепенно ста¬ла остро ощущаться нужда в принци¬пиально новом двигателе: мощном, дешевом, автономном и легкоуправляемом. Именно таким двигателем на целое столетие стала для человека паровая машина.
К концу прошлого столетия промышленная революция достигла поворотной точки своего развития. За полтора века до этого паровые двигатели значительно усовершенствовались - они могли работать от любых видов горючего и приводить в движение самые разнообразные механизмы. Большое влияние на улучшение конструкции паровых машин оказало такое техническое достижение, как изобретение динамо-машины, которая позволяла получать электроэнергию в больших количествах. По мере того как росли потребности человека в энергии, увеличивались и размеры паровых машин, пока их габариты не стали сдерживаться ограничениями на механическую прочность. Для дальнейшего развития промышленности требовался новый способ получения механической энергии.
Глава 1. История создания паровой машины
В XVI – XVII вв. в связи с ростом промышленности замечается особенное увеличение мощности машин, появляются сложные трансмиссии (передаточные механизмы).
Человек, овладев силой воды, начинает строить «машины-орудия». Так появляются водяные лесопилки, водяные сверла для пушек, водяные молота, но водяной двигатель, не смотря на все свои достоинства, имеет, однако ряд недостатков. Является мысль использовать какую-либо другую силу. Кроме воды такой силой может служить ветер. В дальнейшем и пар.
Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии - это так называемая "баня Герона", или "эолипил". Пар, выходящий по касательной из дюз, закрепленных на шаре, заставлял последний вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в несложных приспособлениях.
Паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Дином. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закрепленные по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочередно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.
Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце XVII века паровые двигатели были созданы единично. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, избретения которого повлияли на патент Т.Сейвери. Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан. Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.
Глава 2. Паровая машина Дэниса Папена и Томаса Ньюкомена
Идея парового двигателя была отчасти подсказана его изобретателям конст¬рукцией поршневого водяного насоса, который был известен еще во времена античности.
Принцип его работы был очень прост: при подъеме поршня вверх вода заса¬сывалась в цилиндр через клапан в его дне. Боковой клапан, соединявший ци¬линдр с водоподъемной трубой, в это время был закрыт, так как вода из этой трубы так же стремилась войти внутрь цилиндра и тем самым закрывала этот клапан. При опускании поршня он начинал давить на воду в цилиндре, благода¬ря чему закрывался нижний клапан и открывался боковой. В это время вода из цилиндра подавалась вверх по водоподъемной трубе. В поршневом насосе рабо¬та, получаемая извне, расходовалась на продвижение жидкости через цилиндр насоса. Изобретатели паровой машины старались использовать ту же конструк¬цию, но только в обратном направлении. Цилиндр с поршнем лежит в основе всех паровых поршневых двигателей. Первые паровые машины, впрочем, были не столько двигателями, сколько паровыми насосами, используемыми для откач¬ки воды из глубоких шахт. Принцип их действия основывался на том, что после своего охлаждения и конденсации в воду пар занимал пространство в 170 раз меньше, чем в разогретом состоянии. Если вытеснить из сосуда воздух разогре¬тым паром, закрыть его, а потом охладить пар, давление внутри сосуда будет значительно меньше, чем снаружи. Внешнее атмосферное давление будет сжи¬мать такой сосуд, и если в него поместить поршень, он будет двигался внутрь с тем большей силой, чем больше его площадь.
Впервые модель такой машины была предложена в 1690 году Папеным. В 1698 году военный инженер Томас Сейвери внедрил паровую помпу, с помощью которой вода откачивалась из шахт. Впервые эта технология была использована в шахтах Англии. В 1702 году создал свой насос Севери. Но наиболее широко применялась в первой половине XVIII века паровая машина Ньюкомена, созданная в 1711 году.
Паровой цилиндр помещался у Ньюкомена над паровым котлом. Поршне¬вой шток (стержень, соединенный с поршнем) был соединен гибкой связью с концом балансира. С другим концом балансира был соединен шток насоса. Пор¬шень поднимался о верхнее положение под действием противовеса, прикреплен¬ного к противоположному концу балансира. Кроме того, движению поршня вверх помогал пар, запускаемый в это время в цилиндр. Когда поршень находился в крайнем верхнем положении, закрывали кран, впускавший пар из котла в ци¬линдр, и вбрызгивали в цилиндр воду. Под действием этой воды пар в цилиндре быстро охлаждался, конденсировался, и давление в цилиндре падало. Вследствие создавшейся разницы давлений внутри цилиндра и вне его, силой атмосфер¬ного давления поршень двигался вниз, совершая при этом полезную работу — приводил в движение балансир, кото¬рый двигал шток насоса. Таким обра¬зом, полезная работа выполнялась толь¬ко при движении поршня вниз. Затем снова запускали пар в цилиндр. Пор¬шень опять поднимался вверх, и весь цилиндр наполнялся паром. Когда сно¬ва вбрызгивали воду, пар снова конден¬сировался, после чего поршень совер¬шал новое полезное движение вниз, и так далее. Фактически в машине Нью¬комена работу совершало атмосферное давление, а пар служил только для со¬здания разряженного пространства.
В свете дальнейшего развития па¬рового двигателя становится ясным ос¬новной недостаток машины Ньюкоме¬на — рабочий цилиндр в ней являлся в то же время и конденсатором. Из-за этого приходилось поочередно то охлаждать, то нагревать цилиндр, и расход топлива оказывался очень велик. Бывали случаи, когда при машине находилось 50 лошадей, едва успевавших подвозить необходимое топливо. Коэффициент полезного действия (КПД) этой машины едва ли превышал 1 %. Другими слова¬ми, 99% всей теплотворной энергии терялось бесплодно. Тем не менее эта маши¬на получила в Англии распространение, особенно на шахтах, где уголь был де¬шевый. Последующие изобретатели внесли несколько совершенствований в на¬сос Ньюкомена. В частности, в 1718 году Бейтон придумал самодействующий распределительный механизм, который автоматически включал или отключал пар и впускал воду. Он же дополнил паровой котел предохранительным клапаном.
Глава 3. Паровая машина Джемса Уатта
Но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет, пока ее усовершенствованием не занялся механик универси¬тета в Глазго Джемс Уатт. В 1763—1764 годах ему пришлось чинить принадле¬жавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. При этом он мог использовать неко¬торые приборы, принадлежавшие университету, и пользовался советами профес¬соров. Все это позволило ему взглянуть на проблему шире, чем смотрели на нее многие механики до него, и он смог создать гораздо более совершенную паровую машину.ВведениеГлава 3. Паровая машина Джемса Уатта
Но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет, пока ее усовершенствованием не занялся механик универси¬тета в Глазго Джемс Уатт. В 1763—1764 годах ему пришлось чинить принадле¬жавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. При этом он мог использовать неко¬торые приборы, принадлежавшие университету, и пользовался советами профес¬соров. Все это позволило ему взглянуть на проблему шире, чем смотрели на нее многие механики до него, и он смог создать гораздо более совершенную паровую машину.
Работая с моделью, Уатт обнаружил, что при запускании пара в охлажденный цилиндр он в значительном количестве конденсировался на его стенках. Уатту сразу стало ясно, что для более экономичной работы двигателя целесообразнее держать цилиндр постоянно нагретым. Но как в этом случае конденсировать пар? Несколько недель он раздумывал, как разрешить эту задачу, и наконец сообра¬зил, что охлаждение пара должно происходить в отдельном цилиндре, соединен¬ном с главным короткой трубкой. Сам Уатт вспоминал, что однажды во время вечерней прогулки он проходил мимо прачечной и тут при виде облаков пара, вырывавшихся из окошка, он догадался, что пар, будучи телом упругим, должен устремляться в разряженное пространство. Как раз тогда ему пришла мысль, что машину Ньюкомена надо дополнить отдельным сосудом для конденсации пара. Простой насос, приводимый в движение самой машиной, мог удалять из кон¬денсатора воздух и воду, так что при каждом ходе машины там бы могло созда¬ваться разряженное пространство.
Вслед затем Уатт внес еще несколько усовершенствований, в результате чего машина приняла следующий вид. К обеим сторонам цилиндра были подведены трубки: через нижнюю пар поступал внутрь из парового котла, через верхнюю — отводился в конденсатор. Конденсатор представлял собой две жестяные трубки, стоявшие вертикально и сообщавшиеся между собой вверху короткой горизон¬тальной трубкой с отверстием, перекрывавшимся краном. Дно этих трубок было соединено с третьей вертикальной трубкой, которая служила воздушным отвод¬ным насосом. Трубки, составлявшие холодильник и воздушный насос, были по¬мешены в небольшой цилиндр с холодной водой. Паровая трубка была соедине¬на с котлом; из которого пар выпускался в цилиндр. Когда пар заполнял ци¬линдр, паровой кран закрывали и поднимали поршень воздушного насоса конденсатора, вследствие чего в трубках конденсатора получалось сильно разряжен¬ное пространство. Пар устремлялся в трубки и конденсировался там, а поршень поднимался вверх, увлекая за собой груз (так измеряли полезную работу порш¬ня). Затем выпускной кран закрывали.
В 1768 году на основе этой модели на шахте горнозаводчика Ребука была пост¬роена большая машина Уатта, на изобретение которой он получил в 1769 году свой первый патент. Самым принципиальным и важным в его изобретении было разделение парового цилиндра и конденсатора, благодаря чему не затрачивалась энергия на постоянный разогрев цилиндра. Машина стала более экономичной. Ее КПД увеличился.
Несколько последующих лет Уатт упорно трудился над совершенствованием своего двигателя. При этом ему пришлось преодолеть множество затруднений как финансового, так и технического порядка. Он вошел в компанию с владель¬цем металлообрабатывающего завода Болтоном, который обеспечил его деньга¬ми. Были и другие проблемы; двигатель требовал герметичности и точнейшей подгонки деталей друг к другу. Поршень и цилиндр должны были идеально подходить по своим размерам, чтобы не допускать утечки пара. Такая точность была в новинку для машиностроения тех времен, не было даже необходимых точных станков. Выточка цилиндров большого диаметра представлялась почти неразрешимой проблемой. В результате первые машины Уатта работали неудов¬летворительно: из цилиндра вырывался пар, конденсаторы действовали плохо, пар свистел через отверстие, в котором двигался поршневой шток, просачивался между стенками поршня и цилиндра.
Пришлось создавать специальные станки для расточки цилиндров. (Вообще, создание паровой машины положило начало настоящей революции в станкостро¬ении — чтобы освоить производство паровых двигателей, машиностроению при¬шлось подняться на качественно более высокий уровень.) Наконец все трудности были преодолены, и с 1776 года началось фабрич¬ное производство паровых машин. В машину 1776 года по сравнению с конструкцией 1765 года было внесено несколько принципиальных улучшений. Поршень помещался внутри цилиндра, ок¬руженный паровым кожухом (рубашкой). Благо¬даря этому была до минимума сокращена потеря тепла. Кожух сверху был закрыт, тогда как ци¬линдр — открыт. Пар поступал в цилиндр из котла по боковой трубе. Цилиндр соединялся с кон¬денсатором трубой, снабженной паровыпускным клапаном. Несколько выше этого клапана и ближе к цилиндру был размещен второй, уравновешивающий клапан. Когда оба клапана были открыты, пар, выпущенный из котла, наполнял все пространство над поршнем и под ним, вытесняя воздух по трубе в конденсатор. Когда клапаны закрывали, вся система продолжала оставаться в равно¬весии. Затем открывали нижний выпус¬кной клапан, отделяющий пространство под поршнем от конденсатора. Пар из этого пространства направлялся в кон¬денсатор, охлаждался здесь и конден¬сировался. При этом под поршнем со¬здавалось разряженное пространство, к давление падало. Сверху же продолжал оказывать давление пар, поступавший из котла. Под его действием поршень спускался вниз и совершал полезную ра¬боту, которая при помощи балансира пе¬редавалась штоку насоса. После того как поршень опускался до своего крайнего нижнего положения, открывался верх¬ний, уравновешивающий, клапан. Пар снова заполнял пространство над поршнем и под ним. Давление в цилиндре уравновешивалось. Под действием противовеса, расположенного на конце ба¬лансира, поршень свободно поднимался вверх (не выполняя при этом полезной работы). Затем весь процесс продолжался в той же последовательности. Хотя эта машина Уатта, так же как и двигатель Ньюкомена, оставалась односторонней, Она имела уже важное отличие — если у Ньюкомена работу совершало атмосфер¬ное давление, то у Уатта ее совершал пар. Увеличивая давление пара, можно было увеличить мощность двигателя и таким образом влиять на его работу. Впро¬чем, это не устраняло основного недостатка такого типа машин — они соверша¬ли только одно рабочее движение, работали рывками и потому могли использо¬ваться только как насосы. В 1775—1785 годах было построено 66 таких паровых двигателей.Литература1. Большая Советская Энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров.- 3-е изд.- М.: Советская Энциклопедия, 1975.- 506 с.
2. Лебедев В. И. Занимательная техника в прошлом / В. И. Лебедев.- Ленинград: ''Время", 1933 - 198 с.
3. Рыжков К.В. 100 великих изобретений / К.В. Рыжков.- М.: Вече, 2001.- 528 с."
|
|
