Универсальная паровая машина двойного действия
Универсальная паровая машина двойного действия
5. ПАРОВАЯ МАШИНА ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ Дж. УАТТА
Нужда в двигателе, способном приводить в действие любые рабочие машины, особенно остро сказывавшаяся в 1760-1780 гг., ярко выразилась в словах английского предпринимателя Меттью Болтона: «В Лондоне, Манчестере, Бирмингеме люди сходят с ума по паровой мельнице». Требовалась такая «мельница», которая бы передавала работу не только непрерывно, но в форме вращательного однонаправленного равномерного движения и была достаточно экономичной [5, с. 39].
Джеймс Уатт (1736-1819 гг.)
Схема паровой машины Д. Уатта (1775 г.)
В поисках финансовых возможностей для постройки двигателей Уатт стал думать о работе за пределами Англии. В начале 70-х годов русское правительство предложило английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» с ежегодным жалованием 1000 ф. ст. Однако поездка в Россию не состоялась. В 1772 г. Уатт заключил контракт с М. Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема [5, с. 146].
Договор между Уаттом и Болтоном стал весьма действенным. Болтон оказался умным и дальновидным человеком и не поскупился на расходы по созданию новых машин. Уатт до конца своей жизни оставался главным механиком завода.
Первая машина с отдельным конденсатором была создана в 1774 г. Интересной представляется конструкция 1777 г., получившая название «Вельзевул», в которой Уатт применил отсечку и расширение пара с целью увеличения экономичности [4, с. 55-57].
К 1780 г. получил распространение тип машин Уатта простого действия, служивших для откачивания воды. Самым надежным потребителем двигателя стали рудники Корнуэлла: в 1778 г. в этом графстве на-тывалось свыше 70 установок Ньюкомена, а в 1790 г. все они, кроме одной, были заменены машинами Болтона-Уатта. Большое их число изго-овлялось также для медных рудников в Корнваллисе [2, с. 130]
Успех новых двигателей объяснялся тем, что их применение значительно удешевило получение механической энергии.
Но к тому времени, когда начался массовый выпуск паровых машин для насосов, выявился большой спрос на более совершенные двигатели текстильной, металлообрабатывающей и других отраслей промышленности. А паровая машина Уатта все еще не была пригодна для привода рабочих машин с вращательным движением.
Это была уже непрерывно действующая машина, в которой источником силы служил пар.
Уатту пришлось также решить задачу преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное; он запатентовал пять устройств, с помощью которых была решена эта задача, в их числе нашедшая применение планетарная передача.
Одновременно Уатт предложил серию устройств, предназначенных для компенсации неравномерной отдачи работы, вызванной расширением пара [3, с. 271].
Патентом Уатта 1782 г. были закреплены многие усовершенствования, которые, казалось бы, окончательно сформировали паровую машину как универсальный двигатель. И тем не менее это было не все.
То, что новый двигатель является действительно универсальным, Уатт понял позже, о чем свидетельствует его патент 1784 г. Именно на этот патент ссылается К. Маркс, вводя в научный обиход определение «универсальный двигатель».
С технической точки зрения это было прежде всего удовлетворительное решение задачи преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
Вопрос о преобразовании качательного движения балансира в непрерывное круговое движение вала занимало многих изобретателей еще до Уатта. Папен, например, предлагал передачу через зубчатую рейку и зубчатое колесо. Д. Гулль в 1736 г. разработал комбинацию шкивов с канатной передачей применительно к судам, однако эти (так же как и многие другие) попытки успеха не имели [4, с. 80].
Схема парового двигателя двойного действия Дж. Уатта
Наконец, в 1779 г. М. Васбру и в 1780 г. Дж. Пикар запатентовали в Англии кривошипно-шатунные механизмы применительно к паровой машине. Многие механики того времени и в их числе уже упоминавшийся крупный инженер Смитон считали такое сочетание недопустимым: длина хода поршня в цилиндрах тогдашних паровых машин была переменной, и конструкторам казалось, что прямая передача движения с другого конца балансира непосредственно на вал при помощи шатуна и кривошипа невозможна. Очевидно, в плену этих заблуждений до определенного времени находился и Уатт. После же выдачи патента Васбру и Пикару ему пришлось искать иные пути преобразования формы движения.
При создании машины с непрерывным вращательным движением перед Уаттом кроме кинематической задачи встали и чисто динамические проблемы: введение работы пара с двух сторон поршня, применение махового колеса и регулятора, действующего на паровпускной клапан.
Все предложенные усовершенствования, большинство которых закреплялось патентом 1784 г., позволили Уатту в ближайшие годы выработать тип машины двойного действия с непрерывным вращательным движением, который в течение долгого времени оставался неизменным и подвергался лишь частичным доработкам.
У нас вы можете купить виброплиту по асфальту по выгодной цене в Новосибирске.
Изобретение практически пригодного универсального теплового двигателя
Универсальный паровой двигатель, пригодный для практической эксплуатации, был изобретен английским теплотехником Джемсом Уаттом (1736-1819). Работу над паровыми машинами Уатт начал с 1764 г., когда ему поручили исправить модель пароатмосферной машины Ньюкомена. Он обратил внимание на большой непроизводительный расход пара, а следовательно, и топлива в машине.
Исследуя причину этого явления, Уатт пришел к выводу, что хорошая работа атмосферной машины зависит от выполнения двух условий: во-первых, для получения сильного разряжения под поршнем надо производить в цилиндре возможно более полную конденсацию пара, а для этого как можно сильнее охлаждать цилиндр; во-вторых, чтобы избежать непроизводительных потерь пара, надо его впускать для последующего хода поршня из котла в неохлажденный, горячий цилиндр. Выполнить эти два условия одновременно вначале представлялось технически невозможным.
Проведя целый ряд глубоких исследований и опытов, Уатт наконец разрешил эту сложную техническую задачу: он предложил производить конденсацию пара в отдельном резервуаре-конденсаторе, сообщающемся с цилиндром.
Изобретение конденсатора — важнейшее открытие Уатта первого периода его творчества. Патент на это изобретение Уатт получил в 1769 г. В заявке на патент он определил свое изобретение как «новый метод уменьшения расхода пара, а следовательно, и топлива в огненных машинах». Таким образом, была найдена правильная идея усовершенствования паровой машины. Но надо было перейти к практическому осуществлению этой идеи. На это Уатту пришлось потратить много лет упорного труда и тяжелой борьбы с бесконечным множеством препятствий и затруднений. Изготовление крупных машин стоило больших средств, а собственные средства Уатта были совершенно ничтожны. Приходилось прибегать к фабрикантам и промышленникам с унизительными просьбами о финансировании постройки новой машины.
В поисках средств для сооружения своего двигателя Уатт стал мечтать о выгодной работе за пределами Англии. В начале 70-х годов он заявил друзьям, что «ему надоело отечество», и серьезно повел разговоры о переезде в Россию. Русское правительство предложило английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» и с ежегодным жалованьем в 1000 фунтов стерлингов.
Отъезду Уатта в Россию помешал контракт, который он заключил в 1772 г. с капиталистом Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема. Болтон давно знал об изобретении новой, «огненной», машины, но колебался субсидировать ее постройку, сомневаясь в практической ценности машины. Заключить договор с Уаттом он поторопился лишь тогда, когда возникла реальная угроза отъезда изобретателя в Россию.
Договор, связавший Уатта с Болтоном, оказался весьма действенным. Болтон показал себя умным и дальновидным человеком. Он не поскупился на расходы по сооружению машины. Болтон понял, что гений Уатта, освобожденный от мелочной, изнурительной заботы о куске хлеба, развернется в полную мощь и обогатит предприимчивого капиталиста. Кроме того, сам Болтон был крупным инженером-механиком. Технические идеи Уатта увлекли и его.
Завод в Сохо славился первоклассным по тем временам оборудованием, имел кв а л ифицир ов а иные рабочие кадры. Поэтому Уатт с восторгом принял предложение Болтона наладить на заводе производство паровых машин новой конструкции. С начала 70-х годов и до конца своей жизни Уатт оставался главным механиком завода. На заводе в Сохо в конце 1774 г. была построена первая машина двойного действия.
Уатт был неудовлетворен своей первой паровой машиной и сразу начал работать над ее усовершенствованием. В 1777 г. Уатт для дальнейшего повышения экономичности машины предложил применять отсечку и расширение пара.
Машина Уатта первоначальной конструкции значительно удешевила получение механической энергии преимущественно для нужд горной промышленности. Она очень быстро нашла себе применение в рудниках и шахтах, совершенно вытеснив машину Ныокомена. Введение новых паровых машин на три четверти сокращало расход угля. Особенно большой интерес к машинам Уатта был проявлен со стороны хозяев медных рудников в Корнваллисе. Завод в Сохо к 1780 г. изготовил 40 паровых машин, половина из которых предназначалась для копей в Корнваллисе.
Однако, как и ранее изобретенные пароатмосферные машины, паровая машина двойного действия не была пригодна для роли универсального двигателя, она была применима лишь для подъема воды из шахт. Машину можно было использовать на водокачках в городах, а также для приведения в движение воздуходувных машин, так как в этих случаях движение рабочих органов машины было прямолинейно-качательным.
Схема машины Д. Уатта, построенной в 1775 г.
Для ее использования; на промышленных предприятиях нужно было иметь вал с насаженным на него колесом, вращающимся непрерывно, от которого можно было бы передать работу машинам-орудиям посредством ременной передачи. Необходимость именно в двигателях универсального применения чувствовалась в английской промышленности все больше и больше. На завод в Сохо приходили письма от предпринимателей самых различных отраслей промышленности с просьбами изготовить паровые машины новой системы, предназначенные не только для откачки воды, но и для приведения в движение станков в мастерских.
Схема машины двойного действия Д. Уатта.
С 1778 г. Уатт начинает работать над изобретением машин с непрерывным вращательным движением. В результате была создана машина двойного действия, которая и явилась универсальным тепловым двигателем. Патент на эту машину он получил в 1784 г.
Принцип действия машины заключался в том, что пар из котла поступал через золотник в цилиндр. Золотник позволял подавать пар то с одной стороны поршня, то с другой, создавая тем самым необходимое давление на поршень.
Таким образом, основные элементы универсальной паровой машины складывались постепенно. Важнейшие нововведения, которые внес Уатт в машину двойного действия, сводятся к следующему:
В отличие от первой пароатмосферной машины 1769 г. в машине, запатентованной в 1784 г., был применен принцип двойного действия, т. е. пар попеременно действовал то на одну, то на другую сторону поршня.
Для подачи пара в разные полости цилиндра он использовав специальное приспособление — золотник.
Для выравнивания вращательного движения Уатт применил маховое колесо.
Для преобразования в балансирной машине качательного движения поршня в непрерывное Уатт изобрел специальный механизм, обеспечивающий прямолинейность движения штока поршня, связанного с одним концом балансира (так называемый параллелограмм Уатта), а также несколько способов преобразования прямолинейного движения во вращательное движение.
Поскольку Уатт для получения вращательного движения не мог в своей машине применить шатунно-кривошипный механизм (на такую передачу был взят охранный патент французским изобретателем Пикаром), он в 1781 г. взял патент на пять способов преобразования качательного движения в непрерывновращательное. Вначале для этой цели он применял планетарное, или солнечное, колесо.
Одним из важных механизмов в паровой машине двойного действия был механический центробежный регулятор, который при помощи специальной дроссельной заслонки в паропроводящей трубе регулировал поступление пара в машину.
В середине 80-х годов XVIII в. конструкция паровой машины была окончательно разработана, и паровая машина двойного действия стала универсальным тепловым двигателем, нашедшим широкое применение почти во всех отраслях хозяйства многих стран.
ПАРОВАЯ МАШИНА ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ Дж. УАТТА
Нужда в двигателе, способном приводить в действие любые рабочие машины, особенно остро сказывавшаяся в 1760-1780 гг., ярко выразилась в словах английского предпринимателя Меттью Болтона: «В Лондоне, Манчестере, Бирмингеме люди сходят с ума по паровой мельнице». Требовалась такая «мельница», которая бы передавала работу не только непрерывно, но в форме вращательного однонаправленного равномерного движения и была достаточно экономичной [5, с. 39].
Джеймс Уатт (1736-1819 гг.)
Схема паровой машины Д. Уатта (1775 г.)
В поисках финансовых возможностей для постройки двигателей Уатт стал думать о работе за пределами Англии. В начале 70-х годов русское правительство предложило английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» с ежегодным жалованием 1000 ф. ст. Однако поездка в Россию не состоялась. В 1772 г. Уатт заключил контракт с М. Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема [5, с. 146].
Договор между Уаттом и Болтоном стал весьма действенным. Болтон оказался умным и дальновидным человеком и не поскупился на расходы по созданию новых машин. Уатт до конца своей жизни оставался главным механиком завода.
Первая машина с отдельным конденсатором была создана в 1774 г. Интересной представляется конструкция 1777 г., получившая название «Вельзевул», в которой Уатт применил отсечку и расширение пара с целью увеличения экономичности [4, с. 55-57].
К 1780 г. получил распространение тип машин Уатта простого действия, служивших для откачивания воды. Самым надежным потребителем двигателя стали рудники Корнуэлла: в 1778 г. в этом графстве на-тывалось свыше 70 установок Ньюкомена, а в 1790 г. все они, кроме одной, были заменены машинами Болтона-Уатта. Большое их число изго-овлялось также для медных рудников в Корнваллисе [2, с. 130]
Успех новых двигателей объяснялся тем, что их применение значительно удешевило получение механической энергии.
Но к тому времени, когда начался массовый выпуск паровых машин для насосов, выявился большой спрос на более совершенные двигатели текстильной, металлообрабатывающей и других отраслей промышленности. А паровая машина Уатта все еще не была пригодна для привода рабочих машин с вращательным движением.
Это была уже непрерывно действующая машина, в которой источником силы служил пар.
Уатту пришлось также решить задачу преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное; он запатентовал пять устройств, с помощью которых была решена эта задача, в их числе нашедшая применение планетарная передача.
Одновременно Уатт предложил серию устройств, предназначенных для компенсации неравномерной отдачи работы, вызванной расширением пара [3, с. 271].
Патентом Уатта 1782 г. были закреплены многие усовершенствования, которые, казалось бы, окончательно сформировали паровую машину как универсальный двигатель. И тем не менее это было не все.
То, что новый двигатель является действительно универсальным, Уатт понял позже, о чем свидетельствует его патент 1784 г. Именно на этот патент ссылается К. Маркс, вводя в научный обиход определение «универсальный двигатель».
С технической точки зрения это было прежде всего удовлетворительное решение задачи преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
Вопрос о преобразовании качательного движения балансира в непрерывное круговое движение вала занимало многих изобретателей еще до Уатта. Папен, например, предлагал передачу через зубчатую рейку и зубчатое колесо. Д. Гулль в 1736 г. разработал комбинацию шкивов с канатной передачей применительно к судам, однако эти (так же как и многие другие) попытки успеха не имели [4, с. 80].
Схема парового двигателя двойного действия Дж. Уатта
Наконец, в 1779 г. М. Васбру и в 1780 г. Дж. Пикар запатентовали в Англии кривошипно-шатунные механизмы применительно к паровой машине. Многие механики того времени и в их числе уже упоминавшийся крупный инженер Смитон считали такое сочетание недопустимым: длина хода поршня в цилиндрах тогдашних паровых машин была переменной, и конструкторам казалось, что прямая передача движения с другого конца балансира непосредственно на вал при помощи шатуна и кривошипа невозможна. Очевидно, в плену этих заблуждений до определенного времени находился и Уатт. После же выдачи патента Васбру и Пикару ему пришлось искать иные пути преобразования формы движения.
При создании машины с непрерывным вращательным движением перед Уаттом кроме кинематической задачи встали и чисто динамические проблемы: введение работы пара с двух сторон поршня, применение махового колеса и регулятора, действующего на паровпускной клапан.
Все предложенные усовершенствования, большинство которых закреплялось патентом 1784 г., позволили Уатту в ближайшие годы выработать тип машины двойного действия с непрерывным вращательным движением, который в течение долгого времени оставался неизменным и подвергался лишь частичным доработкам.
Универсальная паровая машина
С 1778 г. Уатт начинает работать над созданием паровой машины с непрерывным вращательным движением. В результате была сконструирована машина «двойного действия», которая и стала универсальным паровым двигателем, а, кроме того, в 4 раза превзошла машину Ньюкомена по эффективности.
Патент на неё Уатт получил в 1782 г. Особенность этой машины заключалась в том, что пар из котла поступал в цилиндр через золотник. Золотник позволял подавать пар то с одной то с другой стороны поршня, создавая тем самым необходимое давление на поршень.
Таким образом, машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить. Вакуумные паровые машины были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII в.
Для выравнивания вращательного движения Уатт применил маховое колесо. Для преобразования в балансирной машине качательного движения поршня в непрерывное Уатт изобрел специальный механизм, обеспечивающий прямолинейность движения штока поршня, связанного с одним концом балансира (так называемый параллелограмм Уатта), а также несколько способов преобразования прямолинейного во вращательное движение.
Поскольку Уатт для получения вращательного движения не мог в своей машине применить кривошипно-шатунный механизм (на такую передачу имел патент французский изобретатель Пикар), он в 1781 г. взял патент на пять способов преобразования качательного в непрерывное вращательное движение.
Паровой двигатель Тауэра
Вместо привычного нам цилиндра в этой паровой машине была сфера. Полая сфера, внутри которой все и происходило.
В сфере вращался и колебался диск, на каждой из сторон которого «перекидывались» туда-сюда четвертинки шара. Как видите, на словах это объяснить невозможно, поэтому гифка:
Красные стрелки — подача свежего пара, синие — выпуск отработанного.
Валы размещались под углом 135 градусов друг к другу. Пар через отверстие в четвертинке поступал под прижатую к диску плоскость, расширялся (производя полезную работу) и после поворота четвертинки выходил через то же отверстие. Четверти, таким образом, выполняли функции клапанов подачи/удаления пара. Болтающийся диск делал то, что в обычной паровой машине делает поршень. А кривошипно-шатунного механизма не было вовсе, потому не надо было преобразовывать возвратно-поступательное движение во вращательное.
Пока по одну сторону четвертинки происходил рабочий ход (расширение пара), по другую ее сторону производился холостой ход (выпуск отработанного пара). По ту сторону диска происходило то же самое со сдвигом по фазе на 90 градусов. Из-за взаимного положения четвертинок диску придавалось вращение и колебания.
По сути, это была карданная передача с внутренним источником энергии. Зеленый диск-крестовина карданной передачи совершает такие же вращательно-колебательные движения:
Вращение передавалось на два вала, выходящие из мотора. Снимать энергию можно было с обоих, но на практике, судя по рисункам, для привода использовали один.
Как отмечал французский журнал «La Nature» 1884-го года, сферический двигатель допускал повышенные по сравнению с поршневыми собратьями скорости вращения и, следовательно, хорошо подходил в качестве привода электрогенератора.
Двигатель обладал низкими уровнями шума и вибрации и был очень компактен. Мотор с внутренним диаметром шара 10 см и частотой вращения 500 об/мин при давлении пара 3 атм выдавал 1 лошадиную силу, при 8,5 атм — 2,5 л.с. Самая же большая модель диаметром 63 см обладала мощностью в 624 «лошадки».
Но. Сферический мотор был сложен в изготовлении, требовал больших расходов пара. Он выпускался и некоторое время реально эксплуатировался в качестве привода генераторов в британском флоте и на железных дорогах Great Eastern Railway (устанавливался на паровой котел и служил для электроосвещения вагонов). Однако из-за указанных недостатков не прижился.
P.S. Необходимо заметить, что изобретатель сферического коня двигателя Бошам Тауэр (Beauchamp Tower) не пропал для инженерии.
Судя по всему, он был первым, кто наблюдал «масляный клин» в подшипниках скольжения и измерял давления в нем. Т.е. современное машиностроение пользуется исследованиями мистера Тауэра до сих пор.