Паровой колесный двигатель: 24 мая в истории транспортной отрасли

Первые пароходы. Паровые двигатели :: Класс!ная физика

Паровой автомобиль Loco Hauk на шасси Jeep Wrangler Unlimited

Автоцистерна, тягач и паровоз

Иван Трохин, инженер
Фото Nail Khusnutdinov, craftmasterpaints. co.uk,
carscoops.com, drive2.ru, cs1.worldofmods.ru

Автономный тягач повышенной проходимости в виде магистрального дорожного тепловоза (на заставке) для грузового автопоезда. Такое странное транспортное средство – это лишь виртуальная компьютерная трёхмерная модель. Реальность же оказалась ещё удивительнее…

Не совсем паровоз, а Сам себе водовоз

На тепловозах, даже виртуальных дорожных, используемых в компьютерных игровых симуляторах, применяются тепловые дизельные двигатели. А вот американские инженеры и умельцы, любители паровой автомобильной техники скрестили шестиколёсный внедорожник с автоцистерной и поставили на получившийся гибрид тепловой паровой поршневой двигатель – паровую машину. Дорожный паровоз (рутьер – устар.) XXI столетия назвали «ЛокоХоук» (Loco Hauk).

Уникальный в своём роде и получивший уже мировую известность среди знатоков парового транспорта колёсный гибрид Loco Hauk, который перевозит по бездорожью воду исключительно для собственных нужд, построил Кенни Хоук с единомышленниками из штата Пенсильвания. Этот паровой шедевр почти грузовой колёсной техники, без сомнений, займёт достойное место в истории автомобилестроения, как известные по сей день классические паровые грузовики: отечественный НАМИ-012 конца 1940-х, английские «Сентинел» (Sentinel) и «Фоден» (Foden) 1930-х.

Для чего понадобился создателям странный грузовоз Loco Hauk? Просто для души! А может, у столь экзотического автопаровоза есть реально практические перспективы? Попробуем в этом разобраться.

Особенности конструкции

Само собой разумеется, что особого внимания в конструкции самоходного паровика (парового котла) Loco Hauk на колёсном шасси Jeep Wrangler Unlimited 2008 г. заслуживает паровая силовая установка и всё, что с ней связано. Здесь уместно заметить, что транспортные паровые котлы, которые генерируют водяной пар для питания главным образом тягового двигателя, могут быть двух принципиально разных конструкций, если при их рассмотрении ограничиться упомянутыми классическими паровыми грузовиками.

Котёл классического паровозного (локомобильного) типа жаротрубный горизонтальный низкого давления (около 16 бар, если говорить о котле Foden) делает автомобильное транспортное средство похожим на самый настоящий паровоз. В этом легко убедиться по внешнему виду парового грузовика Foden.

Водотрубный вертикальный паровой котёл повышенного давления (19–25 бар, если говорить о котлах Sentinel и НАМИ-012 соответственно) – это совсем другое. Его скрывают, например, под капотом, поэтому такой котёл может быть не виден. Выдаст лишь дымовая труба. Котлы данного типа являются более компактными и имеют лучшие показатели по удельной тепловой мощности на единицу массы, чем их паровозные предшественники.

Паровой котельный агрегат и бак с водой у Loco Hauk располагаются в кузове базового для переделки внедорожника. Импровизированная цистерна служит кожухом, скрывающим всё это хозяйство. Запас воды составляет около 200 л. Здесь же, под цистерноподобным кожухом, находится и топливный бак объёмом 60 л, заполненный керосином. Кстати, принципиально ничего не мешает использовать более экологически безопасное жидкое биотопливо (например, перспективнейшее биодизельное топливо из быстрорастущих водорослей), повысив тем самым чистоту процесса сгорания и дымовых газов от горелки парового котла.

Внушительная дополнительная нагрузка из котельного агрегата и бака с водой наложила отпечаток на конструкцию базового шасси: появилась третья ось и длина всего автомобиля увеличилась на 1,3 м. Однако сохранились исходные тормоза, приводные валы, дифференциал, оси и шестиступенчатая механическая коробка передач. Последняя, стоит заметить, работает теперь с одной высшей, одной низшей и одной задней передачами. На любой из них колёсное паровое чудо трогается хорошо. Пружины и амортизаторы обеспечили подъём кузова на чуть более 10 см, что потребовалось из-за установки колёс увеличенного диаметра по сравнению с базовыми.

Сам паровой котёл изготовлен с использованием двухдюймовых стальных труб (диаметр около 5 см) и оснащён керосиновой горелкой. Его произвели специально для этого автомобиля на известной уже более 150 лет своими паровыми водотрубными котлами фирме «Бабкок и Вилькокс» (Babcock & Wilcox), основанной двумя американскими изобретателями, по фамилиям которых она и получила своё название. Насосы для снабжения котельного агрегата водой и, по всей вероятности, подачи топлива в горелку запитаны от шести аккумуляторов, что послужило ещё одной причиной для установки третьей оси и удлинения кузова автомобиля. От этих же аккумуляторов подаётся питание в систему зажигания горелки.

Тяговая прямоточная паровая машина Keen Steamliner No. 2В V4 (от легкового автомобиля) с V-образным расположением четырёх цилиндров имеет мощность около 140 л.с., расположена под капотом. Её разработал и изготовил приблизительно в 1960 г. Чарльз Кин (Charles Keen) из Мэдисона, столицы штата Висконсин (США). Рабочий объём двигателя составляет всего 100 куб. дюймов (около 1,6 л). Он оснащён впускными тарельчатыми клапанами (poppet valves – англ. ), работает с односторонним давлением (паровая машина простого действия) и прямоточным выпуском пара.

Паровая машина является высокооборотной или, как говорили раньше, быстроходной, и имеет картерную конструкцию, чем похожа на обычные автомобильные поршневые двигатели внутреннего сгорания, поэтому является фактически паровым мотором (паромотором). Паровая машина Кина внешне похожа на германский «двигатель с почти нулевым выхлопом» начала 2000-х для легковых автомобилей, известный как паромотор ZEE (Zero Emission Engine – англ.). Для справки: классические паровые машины, устанавливаемые на пароходах и подавляющем большинстве паровозов, были тихоходными. Частота вращения их выходного вала не превышала 300 об/мин.

Паросиловая установка позволяет автомобилю Loco Hauk развивать очень большой крутящий момент – на уровне 3390 Н∙м. Максимальная скорость движения получившегося шеститонного дорожного паровоза по асфальтовой дороге достигает аж 100 км/ч!

Кабина машиниста

Теперь несколько слов об интерьере кабины Loco Hauk. В ней водитель ощущает себя полноправным машинистом, частично погружаясь в паровозную эпоху манометров, водо- и паропроводов, вентилей и задвижек. Интересно заметить, что водительский руль в кабине Loco Hauk расположен слева. В настоящей же паровозной будке место машиниста – справа.

С одной стороны, может показаться, что бросающийся в глаза большой стрелочный манометр на торпедо внутри кабины Loco Hauk взят один в один от какого-нибудь паровоза XIX столетия (по некоторым сведениям, так оно и есть). С другой стороны, вычищенная до блеска и окрашенная оправа, чёткие надписи на «циферблате» наводят на мысль о реплике (копии), искусно выполненной по мотивам паровозного манометра.

Трубопроводы и арматура являются современными, но в паровозном стиле. Понятно, что это сделано для безопасности, ведь пар-то настоящий, обладает немалым давлением и температурой. Однако есть и сохранившиеся оригинальные паровозные детали!

У парового автомобиля Loco Hauk стильный матовый окрас чёрного цвета, а отдельные его фрагменты расписаны сусальным золотом. Это создаёт определённое внешнее сходство с американскими паровозами XIX столетия, т. е. времён Дикого Запада. Внутри кабины тоже присутствует аналогичное сочетание паровозных цветов этой эпохи.

Отдельно интересно отметить, что звуковой сигнал у парового грузовичка Loco Hauk такой, как у настоящего паровоза. Если это автомобильное транспортное средство услышать где-то в гуще городских автомобильных дорог, то можно абсолютно точно решить, что сейчас из-за поворота появится паровоз.

Пыхтит, свистит, воду возит и…

Разобравшись в некоторых конструктивных особенностях парового колёсного грузовоза Loco Hauk с ностальгическим паровозным свистком, можно заключить, что этот автомобиль имеет, в принципе, намного больший практический потенциал для применения, чем просто действующий экспонат, как его позиционируют создатели. Правда, на это можно рассчитывать при налаживании серийного производства подобной техники и предшествующей этому серьёзной проектно-конструкторской проработке.

Шасси рассмотренного автомобиля современное, а паросиловую установку сегодня реально можно спроектировать на современный манер: с использованием компьютерных технологий трёхмерного моделирования, разработки конструкторской и технологической документации, проведения расчётов и инженерного анализа с точек зрения теплотехники, гидравлики, прочности, экономической эффективности. Высококачественные стали и сплавы, термостойкие композиционные материалы, автоматика и биотопливные технологии позволят воплотить в транспортной паросиловой установке сочетание лёгкости, надёжности, простоты в повседневной эксплуатации и ремонте, экологической чистоты. Целесообразно предусмотреть и конденсатор пара (данных о его установке на Loco Hauk нет) для повышения экономичности работы паросиловой установки, как это неоднократно делалось на множестве паровых автомобилей прошлого.

Так для чего же можно на практике использовать паровой грузовоз типа Loco Hauk? Во-первых, непосредственно в качестве автоцистерны для перевозки жидкостей либо в варианте пожарной автоцистерны. Повышенная проходимость, неплохая скорость движения и высочайший крутящий момент на валу тяговой паровой машины, работающей по принципу «вращать колёса, пока дают пар», позволят быстро добраться до самых труднодоступных мест. Котельный агрегат необходимо будет, разумеется, перебазировать под капот (змеевиковый котёл, кстати, туда как раз влезет) или компактно пристроить, как это было у парового грузовика НАМИ-012, прямо за кабиной.

Во-вторых, отмеченные тягово-скоростные достоинства наводят на мысль об использовании подобного Loco Hauk колёсного транспортного средства в качестве магистрального тягача. Здесь можно проявить ещё большую фантазию, хотя для знатоков специальной автомобильной техники это является сегодня объективной реальностью, и поставить такой тягач на комбинированное автомобильно-железнодорожное шасси (в наши дни известно как локомобильное). Получится дорожно-рельсовый локомобиль с паровой тягой (не путайте с классическим паровым локомобилем XIX–XX столетий – единым силовым агрегатом в виде котла и смонтированной на нём паровой машины, установленным на прицепном колёсном шасси). К нему можно пристыковывать колёсный прицеп либо железнодорожный состав с грузовыми вагонами.

Пригодится паровой локомобильный тягач и для маневровых работ. У паровой машины в противоположность дизелю тепловоза КПД слабо изменяется при частой работе с частичной нагрузкой. Поэтому при использовании паросиловой установки в варианте с прямоточным (змеевиковым) котлом высокого давления (60–200 бар) и обязательно дающим сильно перегретый пар (порядка 450–500 °С), КПД при маневровых нагрузках может оказаться не ниже, чем у тепловоза с дизель-электрической передачей. Такой паровой тягач, как видится, будет определённо лучше, чем маневровый промышленный тепловоз с гидромеханической передачей. При необходимости, после маневровых работ на станции, нужный груз можно транспортировать на автоприцепе с помощью того же парового локомобильного тягача по автомобильным дорогам прямо к заказчику.

В-третьих, как известно, в первой половине прошлого века паровые грузовики кое-где по ночам использовались для отопления домов, а днём на них развозили товары. Сегодня паровой и весьма быстроходный грузовик в качестве передвижной самоходной котельной установки повышенной проходимости может пригодиться в районах, удалённых от сетей централизованного теплоснабжения, на строительных площадках и складах. Для водяного отопления помещений (раньше было паровое) необходимо отключить котельный агрегат от паровой машины и присоединить его к локальной тепловой сети либо к радиаторам отопления через редукционное устройство и пароводяной теплообменник. Для нагрева воды требуется пар с абсолютным давлением порядка 1,2–2 бар, поэтому вместо редукционного устройства лучше включить тяговую паровую машину и дросселировать пар с пользой, нагрузив её генератором электрического тока. Это будет похоже на микроТЭЦ – теплоэлектроцентраль электрической мощностью до 100 кВт.

Вывод и факт

Реальность будущего паровых грузовиков может показаться читателю фантастикой или даже утопией. Что-то выглядит при поверхностном рассмотрении очень теоретичным, а что-то просматривается вполне объективно. Однако жизнеспособность паровых котельных и поршневых технологий на транспорте в наши дни – это факт.

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.

Первые пароходы и паровые двигатели

Обычно, когда речь заходит о пароходах, то люди знающие в первую очередь вспоми­нают Роберта Фултона. Это он, дескать – бывший часовщик Роберт Фултон вместе со своим помощником Ливингстоном, – построил в 1797 году колесный пароход, на котором был уста­новлен созданный им паровой двигатель в 20 л. с.

Поначалу Роберт Фултон предложил свое изобретение Наполеону. Но разыгравшаяся вскоре буря разбила судно в щепы, и оно затонуло, даже не успев получить название. И всесильный консул, впоследствии ставший императором, не захотел иметь дело со столь ненадежным кораблем.

СодержаниеСвернуть

• «Лошадиное» весло лучше ручного?
• Пироскаф и другие

Тогда Фултон уехал в Америку, где построил новый пароход под названием «Клер­монт», который в октябре 1807 года и проплыл по реке Гудзон от Нью-Йорка до Олбани, открыв тем самым эру передвижения кораблей без помощи ветра и весел.

Но на самом деле, похоже, дело обстояло вовсе не так…

В древние времена, когда ветер стихал или менял свое направление, моряки выходили из положения весьма простым способом. Команда садилась на весла и выгребала по курсу. Говоря научным языком, мускулы человека представляли собой первый двигатель (то есть источник движения), а весло – первый движитель (то есть средство для создания движения).

Однако человек, как известно, не самая мощная «мускульная машина». На суше для перевозки грузов вскоре стали приспосабливать животных. А на море?

Оказывается, подобные попытки делались и на судах. Говорят, идея изобретения ори­гинального «лошадиного весла» принадлежит еще античным грекам. Но лошади плохо пере­носят качку, а потому их вскоре заменили флегматичными быками.

Первый корабль-«быкоход» появился в 264 году до нашей эры на Средиземном море. Понятное дело, никто не смог выдрессировать животных так, чтобы заставить их орудовать веслами. Поэтому поступили проще. Судно было снабжено двумя гребными колесами, уста­новленными по бокам судна и насаженными на общий вал.

Корабль, «запряженный» быками

Гребное колесо, в сущности, представляет собой весло со многими лопастями. Когда оно вращается, каждая лопасть по очереди входит в воду, загребает ее и потом поднимается вверх, делая заход для нового гребка.

По всей вероятности, самая идея гребного колеса была позаимствована у создателей водных мельниц. Только на море ее пришлось использовать «шиворот-навыворот»: если водяное колесо вращается под напором бегущей воды, то колесо гребное должно само при­водиться в движение, чтобы загребать, отталкивать воду от судна…

И, понятное дело, для его вращения необходим был какой-то двигатель. Поэтому вал, на котором были закреплены гребные колеса, через деревянные шестерни соединялся с дру­гим, вертикальным валом, спущенным в трюм. А в трюме вокруг этого вала ходили по кругу запряженные быки, вращая его с помощью длинных рычагов-оглоблей.

Идея была, конечно, остроумная, но на деле – малопрактичная. Площадка для быков занимала много места, остальное место в трюме занимало сено для животных. А куда поме­щать груз? Кроме того, быки и на суше-то не отличаются большой проворностью – и на море «быкоходы» оказались на редкость тихоходны.

Пришлось изобретателям поискать новый двигатель.

Пироскаф и другие

Наиболее подходящим оказалась паровая машина. Поначалу английский механик Джеймс Уатт придумал ее для облегчения работы на фабриках и заводах. Но нашлись люди, которые стали устанавливать паровые машины и на судах. Так появились первые пароходы.

Впрочем, поначалу даже слова такого не было. И изобретатели называли свои корабли по-разному. Например, французский изобретатель, маркиз Жоффруа д’ Аббан придумал слово «пироскаф» – от греческих слов «пир» – огонь и «скаф» – оболочка, сосуд.

Впрочем, и слово «пироскаф», и первое паровое судно, и сам изобретатель вскоре ока­зались на задворках истории. О них сегодня мало кто помнит.

«Его “коптильная бочка” не имеет будущего», – так без обиняков, не проявив ни малей­шей заинтересованности, приказал ответить тот же Наполеон маркизу Жоффруа д’Аббану, когда тот в 1778 году хотел продемонстрировать императору свое изобретение.

Первый пароход Джона Фитча, приводимый в движение веслами

И, надо сказать, Наполеон имел какие-то резоны для такого суждения. Если первое судно д’Аббана во время испытаний на реке Ду, загребая колесами, все-таки прошло неко­торое расстояние против течения, прежде чем заклинило паровую машину, то второй его пироскаф попросту… утонул в реке Соне.

Больший успех сопутствовал американцу Фичу. Созданное им судно «Персеверанс» прошло в 1787 году по реке Делавар со скоростью пешехода – 6 км/час – с помощью гребного винта. Предприимчивый американец использовал патент англичанина Брейма, полученный им двумя годами ранее. Ну а сам англичанин, говорят, воспользовался изобретением древ­негреческого мудреца Архимеда.

Правда, Архимед использовал свой Архимедов винт примерно так же, как ныне используется шнек в обычной домашней мясорубке. Загляните ей внутрь и вы увидите стер­жень с навитой на него спиралью. Когда этот стержень вращается, спираль, извиваясь, про­талкивает мясо или овощи под ножи. Только сам Архимед предложил таким способом пере­гонять воду из реки на поля для полива. И его система работала весьма неплохо для своего времени.

А вот когда Архимедов винт приспособили для движения корабля, дело пошло пона­чалу не так уж хорошо. Помог случай. Во время испытаний корабль с Архимедовым винтом наскочил на камень. Большая часть винта обломилась, и корабль после этого… пошел зна­чительно быстрее.

С той поры гребной винт и прописался на флоте.

Предлагается к прочтению:
Деревянные исполины
В поисках Южной Неведомой Земли

Сноски

Принцип действия парового двигателя

Принцип действия парового двигателя

Выполнил:

обучающийся гр. 1.3

Денисов Дмитрий

Научный руководитель:

преподаватель

Бестолков Д. А.

Мичуринск 2011

Содeржание

Аннотация

Ведение

1. Теоретическая часть

1.1 Временная цепочка

1.2 Паровой двигатель

1.2.1 Паровой котёл

1.2.2 Паровые турбины

1.3 Паровые машины

1.3.1 Первые пароходы

1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта

1.4 Применение паровых двигателей

1.4.1 Преимущество паровых машин

1.4.2 Коэффициент полезного действия

2. Практическая часть

2.1 Построение механизма

2.2 Способы улучшения машины и ее КПД

Заключение

Список используемой литературы

паровой двигатель полезное действие

Аннотация

Данная научная работа состоит из 35 листов. Она включает в себя теоретическую часть, практическую часть, приложение и заключение. В теоретической части вы узнаете о принципе работы паровых двигателей и механизмов, об их истории и о роли их применения в жизни. Практической части подробно рассказано о процессе конструирования и испытаниях парового механизма в домашних условиях. Данная научная работа может служить наглядным примером работы и использования энергии пара.

Введение

Мир покорных любым капризам природы, где машины приводятся в действие мускульной силой или силой водяных колёс и ветряных мельниц — таким был мир техники до создания парового двигателя.

Еще в древние времена человек обратил внимание на то, что струя водяного пара, вырываясь из сосуда, поставленного на огонь, способна сместить препятствие (например, лист бумаги), оказавшееся на ее пути.

Это заставило человека задуматься над тем, как можно использовать в качестве рабочего тела пар. В результате этого после множества опытов появился паровой двигатель. И представьте себе заводы с дымящимися трубами, паровые машины и турбины, паровозы и пароходы — весь сложный и могучий мир паротехники созданный человеком

Паровая машина была практически единственным универсальным двигателем и сыграла огромную роль в развитии человечества.

Изобретение паровой машины послужило толчком для дальнейшего развития средств передвижения. В течение ста лет она была единственным промышленным двигателем, универсальность которого позволяла использовать ее на предприятиях, железных дорогах и на флоте.

Изобретение парового двигателя является огромным рывком, стоявшим на рубеже двух эпох. И через столетия, ещё острее ощущается вся значимость этого изобретения.

Гипотеза:

Возможно, ли построить своими руками простейший механизм, работавший на пару.

Цель работы: сконструировать механизм способный двигаться на пару.

Задача исследования:

1. Изучить научную литературу.

2. Сконструировать и построить простейший механизм, работавший на пару.

3. Рассмотреть возможности увеличения КПД в дальнейшем.

1. Теоретическая часть

Паровой двигатель — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.

Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости.

Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы.

1.1 Времянная цепочка 4000 лет до н. э. — человек изобрел колесо.

3000 лет до н. э. — в Древнем Риме появились первые дороги.

2000 лет до н. э. — колесо приобрело более привычный для нас вид. У него появились ступица, обод и соединяющие их спицы.

1700 г. до н. э. — появились первые дороги, мощенные деревянными брусками.

312 г. до н. э. — в Древнем Риме построены первые дороги с каменным покрытием. Толщина каменной кладки достигала одного метра.

1405 г. — появились первые рессорные конные экипажи.

1510 г. — конный экипаж приобрел кузов со стенами и крышей. Пассажиры получили возможность защититься от непогоды во время поездки.

1526 г. — немецкий ученый и художник Альбрехт Дюрер разработал интересный проект «безлошадной повозки», приводимой в действие мышечной силой людей. Люди, идущие сбоку экипажа, вращали специальные рукоятки. Это вращение с помощью червячного механизма передавалось колесам экипажа. К сожалению, повозка не была изготовлена.

1600 г. — Симон Стевин построил яхту на колесах, двигающуюся под действием силы ветра. Она стала первой конструкцией безлошадной повозки.

1610 г. — кареты претерпели два существенных усовершенствования. Во-первых, ненадежные и слишком мягкие ремни, укачивающие пассажиров во время поездки, были заменены стальными рессорами. Во-вторых, была усовершенствована конная упряжь. Теперь лошадь тянула карету не шеей, а грудью.

1649 г. — прошли первые испытания по использованию в качестве движущей силы пружины, предварительно закрученной человеком. Карету с приводом от пружины построил Йоханн Хауч в Нюрнберге. Однако историки эти сведения ставят под сомнение, поскольку существует версия, что вместо большой пружины внутри кареты сидел человек, который и приводил механизм в движение.

1680 г. — в крупных городах появились первые образцы конного общественного транспорта.

1690 г. — Стефан Фарффлер из Нюрнберга создал трехколесную повозку, передвигающуюся с помощью двух ручек, вращаемых руками. Благодаря этому приводу конструктор повозки мог перемещаться с места на место без помощи ног.

1698 г. — англичанин Томас Севери построил первый паровой котел.

1741 г. — русский механик-самоучка Леонтий Лукьянович Шамшуренков послал в Нижегородскую губернскую канцелярию «доношенье» с описанием «самобеглой коляски».

1769 г. — французский изобретатель Кюньо построил первый в мире паровой автомобиль.

1784 г. — Джеймс Уатт создал первую паровую машину.

1791 г. — Иван Кулибин сконструировал трехколесную самоходную коляску, вмещавшую двух пассажиров. Привод осуществлялся с помощью педального механизма.

1794 г. — паровую машину Кюньо сдали в «хранилище машин, инструментов, моделей, рисунков и описаний по всем видам искусств и ремесел» в качестве очередной механической диковинки.

1800 г. — существует мнение, что именно в этом году в России был построен первый в мире велосипед. Его автором был крепостной Ефим Артамонов.

1808 г. — на улицах Парижа появился первый французский велосипед. Он был изготовлен из дерева и состоял из перекладины, соединяющей два колеса. В отличие от современного велосипеда, у него не было руля и педалей.

1810 г. — в Америке и странах Европы начала зарождаться каретная промышленность. В крупных городах появились целые улицы и даже кварталы, заселенные мастерами-каретниками.

1816 г. — немецкий изобретатель Карл Фридрих Драйз построил машину, напоминающую современный велосипед. Едва появившись на улицах города, она получила название «беговой машины», так как ее хозяин, отталкиваясь ногами, фактически бежал по земле.

1834 г. — в Париже проводились испытания парусного экипажа, сконструированного М. Хакуетом. Этот экипаж имел мачту высотой 12 м.

1868 г. — считается, что в этот год французом Эрне Мишо был создан прообраз современного мотоцикла.

1871 г. — французский изобретатель Луи Перро разработал паровую машину для велосипеда.

1874 г. — в России построен паровой колесный тягач. В качестве прототипа был использован английский автомобиль «Эвелин Портер».

1875 г. — в Париже прошла демонстрация первой паровой машины Амадея Бдлли.

1884 г. — американец Луис Копленд построил мотоцикл, на котором паровой мотор был установлен над передним колесом. Такая конструкция могла разогнаться до 18 км/ч.

1901 г. — в России построен легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс».

1902 г. — Леон Серполле на одном из своих паровых автомобилей установил мировой рекорд скорости — 120 км/ч.

Годом позже он установил еще один рекорд — 144 км/ч.

1905 г. — американец Ф. Мариотт на паровом автомобиле превысил скорость 200 км

1.2 Паровой двигатель

Двигатель, приводимый в действие силой пара. Пар, получаемый путем нагрева воды, используют для движения. В некоторых двигателях сила пара заставляет двигаться поршни, расположенные в цилиндрах. Таким образом создается возвратно-поступательное движение. Подсоединенный механизм обычно преобразует его во вращательное движение. В паровозах (локомотивах) используются Поршневые двигатели. В качестве двигателей используют также паровые турбины, которые дают непосредственно вращательное движение, вращая ряд колес с лопатками. Паровые турбины приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В любом паровом двигателе происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле (бойлере) в энергию движения. Тепло может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора. Самый первый в истории паровой двигателей представлял собой род насоса, при помощи которого откачивали воду, заливающую шахты. Его изобрел в 1689 г. Томас Сэйвери. В этой машине, совсем простой по конструкции, пар конденсировался, превращаясь в небольшое количество воды, и за счет этого создавался частичный вакуум, благодаря чему отсасывалась вода из шахтного ствола. В 1712 г. Томас Ньюкомен изобрел поршневой насос, приводимый в действие паром. В 1760-е гг. Джеймс Ватт улучшил конструкцию Ньюкомена и создал намного более эффективные паровые двигатели. Вскоре их стали использовать на фабриках для приведения в действие станков. В 1884 г. английский инженер Чарльз Пар-соне (1854-1931) изобрел первую применимую на практике паровую турбину. Его конструкции были настолько эффективны, что ими вскоре стали заменять паровые двигатели возвратно-поступательного действия на электростанциях. Наиболее удивительным достижением в области паровых двигателей было создание полностью замкнутого, работающего парового двигателя микроскопических размеров. Японские ученые создали его, используя методы, служащие для изготовления интегральных схем. Небольшой ток, проходящий по электронагревательному элементу, превращает каплю воды в пар, который движет поршень. Теперь ученым предстоит открыть, в каких областях это устройство может найти практическое применение.

Паровые двигатели, такие как раньше использовались в локомотивах, работают на производимом при нагревании воды паре. На Рис(1.) показана угольная или дровяная топка (1) нагревает котел, напол-ненный водой (2), который производит пар. Пар поднимается и через сухопарник(3) выталкивается через трубы в цилиндр (4), где он вызывает обратное движение поршня (5). Связанный с поршнем рычаг (6) это золотниковый клапан (7), который сначала позволяет пару попасть в цилиндр (как показано), закрывая выпускное окно (8). Это создает давление, которое двигает поршень вперед и приводит к тому, что золотниковый клапан становится в такое положение, когда выпускное окно открывается и пар выходит наружу. Движение колес заставляет поршень двигаться назад, и все начинается снова.

1.2.1 Паровой котёл

Первый паровой котел был построен англичанином Томасом Севери в 1698 г. Это был железный бак, под которым в топке разводили огонь. Через некоторое время вместо бака стали применять длинный (до 10 м) цилиндр диаметром около 1,5 м. Его окружали каменной кладкой, а под ним разводили огонь. Поверхность, омываемая горячими газами, у таких котлов была очень маленькой. Поэтому пара они производили очень мало, а из-за того, что горячие газы в основном уходили в трубу, эффективность такого котла была очень низкой. Большая часть топлива при этом сгорала впустую.В начале XVIII в. конструкция парового котла была изменена. Горячие газы начали пускать по трубам, со всех сторон окруженным водой. Такие котлы получили название «газотрубных» и стали широко применяться в паровозах и пароходах.В конце XIX в. были изобретены прямоточные котлы. Вода в них превращалась в пар по мере движения по трубам: с одной стороны в трубы подается вода, а с другой — выходит пар.

1.2.2 Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания. Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86% мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

1.3 Паровые машины

Теоретически задача постройки автомобиля, то есть повозки, которая бы ездила сама, была уже почти решена. Необходимо было лишь построить экипаж с механизмом управления, приводимый в движение находящимся в нем двигателем. В XVIII в. таким двигателем могла стать только паровая машина.

Впервые эту идею высказали Дени Папен и Томас Севери — авторы единицы мощности «лошадиная сила», но, к сожалению, они не могли подтвердить свои мысли практически. Реализация оставшихся в теории английских проектов Севери и Уатта удалась французу Никола Жозефу Кюньо. Кюньо родился в 1725 г. в Лотарингии. Он был хорошо образован и с детства проявил исключительный интерес к технике. Инженер детально интересовался приспособлением паровой машины для привода «безлошадного экипажа», досконально знал конструкцию машины Папена и ряда паровых машин Уатта. К сожалению, слишком большие размеры этих конструкций не позволяли разместить их на повозке. Кюньо начал постройку собственной паровой машины небольших размеров. Но так как получавшиеся конструкции все равно были слишком велики, изобретатель вскоре был вынужден прекратить работы, на которые уже не хватало средств, а попытки добиться дополнительного финансирования от правительства не дали результата.

На рисунке(2.), выполненном неизвестным художником согласно указаниям Исаака Ньютона, показано устройство упрощенного экипажа, использующего для движения реактивную силу струи пара.Однако в 1764 г., когда изобретатель был готов полностью отказаться от исполнения своей мечты, ему улыбнулась удача. Подаваемая много раз просьба об аудиенции у министра обороны была удовлетворена. Естественно, министр не имел намерения интересоваться работой и проектами Кюньо, а поручил генералу де Грибьеву, знающему толк в механике, ознакомиться с изобретением. Генерал, исключительно интеллигентный и умный человек, сразу понял, какой переворот может совершить в армии «механический мул» в качестве артиллерийского тягача. Он поддержал идею построения опытного образца машины Кюньо. Однако первых пробных поездок пришлось ждать пять лет. Они с полным успехом прошли в Брюксе в присутствии небольшого числа зрителей. Результат этих испытаний позволил устроить демонстрацию машины в Париже, на которую был приглашен министр обороны Франции.

Первый автомобиль, так называемая малая телега Кюньо, с собственным именем «Фардье», развивал на дороге скорость 4,5 км/ч, но только в течение 12 мин, поскольку на большее не хватало ни воды, ни пара. Необходимо было наполнить котел водой и вновь разжечь под ним костер, так как у первого автомобиля отсутствовала даже топка. Несмотря на свои недостатки, телега так понравилась министру, что он приказал тотчас же приступить к постройке улучшенного и увеличенного экземпляра, который можно было бы изготовлять в больших количествах для использования в войсках для транспортировки пушек. На Рис.(3.) показан первый в мире паровой автомобиль, построенный в 1769 г. Кюньо.

Известный французский изобретатель Никола Жозеф Кюньо одним из первых попытался использовать паровую машину для нужд транспорта. Построенный Кюньо в 1769 г. паровой экипаж в настоящее время хранится в Музее искусств и ремесел в Париже, а его изображение стало эмблемой французского общества автомобильных инженеров.

Получив в свое распоряжение 20 000 франков в качестве вознаграждения за первую конструкцию, Кюньо с энтузиазмом взялся за дело. В конце 1770 г. были проведены испытания нового, более мощного парового автомобиля Кюньо в присутствии официальных военных экспертов. Они дали похвальное заключение, когда тягач полностью выполнил поставленные перед ним задачи, хотя его скорость не превышала 4 км/ч вместо требуемых 15. Движение было непрерывным, поскольку котел имел собственную топку и не требовалось разжигать на земле костер. К тому же Кюньо уже придумал, как увеличить скорость хотя бы до скорости марша войсковых колонн, чтобы артиллерия не оставалась позади. Лишь в 20-х гг. XIX в., после значительного улучшения качества дорог, паровые повозки вновь стали появляться в Англии.Со временем к дилижансу присоединили повозку с запасами топлива и воды. Это позволило пятнадцатиместным паровым дилижансам совершить около 700 рейсов и преодолеть почти 7 тыс. км со скоростью 30 км/ч. Правительство ввело налоги на паровые автомобили. Сокрушительным ударом по владельцам любых механических повозок стал принятый парламентом «Закон о дорожных локомотивах», который уничтожил самое главное преимущество парового транспорта — скорость, ограничив ее до 15 км/ч.Паровоз — локомотив с самостоятельной паросиловой установкой (паровой котел и паровая машина), движущийся по проложенным рельсам. Первые паровозы были созданы в Великобритании в 1803 г. Р. Тревитиком и в 1814 г. — Дж.Стефенсоном. В России первый паровоз построен в 1833 г. отцом и сыном Черепановыми. Рисунок (4.)показывает «дорожного локомотива», построенного Тревитиком и Виваном в 1803 г.В 1865 г., когда железные дороги покрыли своей сетью основную часть территории Англии, их владельцы совместно с владельцами конного транспорта нанесли окончательный удар по паровым каретам. Начиная с этого года паровые машины должны были на загородных участках дороги двигаться со скоростью 7 км/ч, в пределах города — до 4 км/ч. Кроме этого, перед паровой повозкой обязательно должен был бежать специальный человек с красным флажком, предупреждая всех о приближающейся опасности.Так, в Англии на несколько десятилетий был уничтожен такой вид транспорта, как паровые дилижансы. Однако паровозы, приводимые в движение тем же паровым двигателем, беспрепятственно и с выгодой для их владельцев продолжали катить по рельсам. Принятый закон был смягчен лишь в 1878 г. и полностью отменен в 1896 г., когда по дорогам Европы ездили десятки сотен автомобилей с бензиновыми двигателями. Первый паровой колесный тягач в России был построен в 1874 г. на Мальцевском заводе в Людиново. В качестве прототипа был взят английский автомобиль «Эвелин Портер», однако русский тягач получился мощнее и тяжелее. Кроме этого, он был приспособлен к работе на дровах, а не на угле. Всего было построено семь таких тягачей.Как и во Франции, большой интерес к паровым тягачам в России проявило военное ведомство. Как только в России появился первый рутьер, приобретенный бароном Буксгев-деном для своего имения под Ригой, военные провели его испытания. Паровой тягач «системы Томсона» достойно выдержал испытания, и в 1876 г. после испытаний еще нескольких моделей рутьеров было принято решение об их закупке для нужд российской армии. На рис.(5.)-Рутьер — паровой тягач, способный буксировать специальные вагоны, платформы или прицепы.

Следующим паровым автомобилем после рутьеров Мальцевского завода был построенный в 1901 г. легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс». На машине этой довольно удачной конструкции был совершен не только пробег в Крым и обратно, но и восхождение на Ай-Петри. Однако паровым автомобилям так и не удалось прижиться в России. Последней попыткой в этом направлении стала постройка в конце 1949 г. двух паровых грузовых автомобилей НАМИ-012. Испытания подтвердили работоспособность и долговечность машин, при этом их ходовые качества были не хуже, чем у дизельного грузовика. Лесовозный автопоезд с тягачом НАМИ-012 показан на рисунке.(6.).Максимальная скорость — 42 км/ч, запаса дров в бункерах хватало на 80 км пробега.

Вернемся во Францию конца XIX в. Здесь в это время паровые автомобили пережили свое второе рождение. Двигатели оснастили керосиновыми горелками вместо угольных топок, теперь они не нуждались в запасе угля и долгом разогреве. Леон Серполле (1858—1907) в своей модели парового экипажа заменил водяной котел длинной многократно изогнутой трубой — змеевиком. Это была настоящая удача, поскольку такая замена позволила уменьшить объем используемой воды. Кроме этого, на повозке Серполле были установлены эластичные шины, повышающие комфорт поездки, и специальный механизм, соединяющий вал паровой машины и ведущие колеса — кардан. Он получил свое название от имени итальянского изобретателя Джероламо Кардано и позволял передать вращение от неподвижно закрепленной паровой машины к покачивающимся на рессорах колесам повозки.В1875 г. первая паровая машина Болли была продемонстрирована в Париже. Она представляла собой паровой дилижанс, рассчитанный на 12 мест, и получила название «Послушная». Имея общую массу 5 т, паровик расходовал на 1 км пути 2,5 кг угля и 14 л воды. По этим показателям Болли удалось опередить подобные паровые омнибусы англичан в 1,5—2 раза. Впереди сидел управляющий поездом (по терминологии тех лет — кондуктор), а сзади — кочегар (шофер), который обслуживал паровой котел. Четырехцилиндровая паровая машина (точнее, две двухцилиндровые) давала возможность на ровной горизонтальной дороге развивать скорость до 40 км/ч.Его новая модель, изготовленная в 80-х гг. XIX в. и получившая название «Новая», имела еще более высокие показатели. Масса омнибуса составляла 3,5 т, при этом на 1 км пути ей требовалось 1,5 кг угля и 7 л воды. По своим скоростным характеристикам машина Болли могла соревноваться даже с только что появившимися бензиновыми автомобилями. Кстати, если отбросить паровой двигатель, то по конструкции и внешнему виду повозка Болли больше была похожа на современный автомобиль, чем первые бензиновые «безлошадные экипажи», официально считающиеся автомобилями. В ее конструкции присутствовали даже такие элементы, как независимая подвеска колес и металлический кузов, получившие распространение на автомобилях лишь в середине 30-х гг. XX в.В дальнейшем часто использовали паровую машину в качестве двигателя легких трех- и четырехколесных повозок. Во Франции этим занимались Леон Серполле и фабрика «Де Дион-Бутон и Трепарду». Использование вертикального трубчатого котла намного меньшего размера, чем обычные, позволило уменьшить массу двигателя, упростить обслуживание и устранить опасность взрыва. Получившиеся в результате усовершенствования небольшие, похожие на брички четырехместные паровые экипажи были очень популярны в начале XX в. во Франции и особенно в США, где паровые автомобили выпускались до начала 30-х гг.Но несмотря на все усовершенствования, паровые автомобили второй половины XIX в. оставались весьма неудобными для эксплуатации. Водитель должен был владеть теми же знаниями и сноровкой, что и машинист на железной дороге.

Это привело к тому, что паровая машина была практически недоступна массовому потребителю. Несмотря на это, именно она сыграла важную роль в развитии автомобильной техники. Благодаря этой машине была доказана реальная возможность механического передвижения экипажа, опробованы и усовершенствованы различные механизмы будущего автомобиля. Со времен паровых автомобилей нам осталось и слово «шофер» (его раньше писали через два «ф»), что в переводе с французского означает «кочегар». И хотя на автомобиле давно уже нет ни котла, ни топки, часто современного водителя называют шофером. К началу XX в. паровые двигатели могли достигать мощности 15 млн. Вт, а скорость вращения их вала составляла 1000 об/мин. На одной из своих поздних машин Серполле в 1902 г. установил мировой рекорд скорости автомобиля — 120 км/ч. Годом позже он установил еще один рекорд — 144 км/ч. А еще через два года, в 1905 г., американец Ф. Мариотт на паровом автомобиле превысил скорость 200 км/ч.В 80-х гг. XIX в. появились автомобили с бензиновыми двигателями. Их главное преимущество заключалось в малой массе и быстром запуске, хотя они были не лишены ряда недостатков, от которых уже «вылечились» паровые машины.

Несмотря на все старания ученых и инженеров спасти паровики, они уже не соответствовали современным требованиям. Паровые двигатели были тяжелыми, громоздкими, требовали большого количества топлива и воды и не обещали дальнейшего повышения экономичности. На транспорте их все больше вытесняли появившиеся в конце XIX в. двигатели внутреннего сгорания.

1. 3.1 Первые пароходы

Началом применения паровых двигателей «на воде» был 1707 год, когда французский физик Дени Папен сконструировал первую лодку с паровым двигателем и гребными колесами. Предположительно после успешного испытания ее сломали лодочники, испугавшиеся конкуренции. Через 30 лет англичанин Джонатан Халлс изобрел паровой буксир. Э ксперимент закончился неудачно: двигатель оказался тяжелым и буксир затонул.В 1802 году шотландец Уильям Саймингтон продемонстрировал пароход «Шарлотта Дундас» на рисю(7.)Широкое использование паровых машин на судах началось в 1807 году с рейсов пассажирского парохода «Клермонт», построенного американцем Робертом Фултоном. С 1790-х годов Фултон занялся проблемой использования пара для приведения в движение кораблей. В 1809 году Фултон запатентовал конструкцию «Клермонта» и вошел в историю как изобретатель парохода. Газеты писали, что многие лодочники в ужасе закрывали глаза, когда «чудовище Фултона», изрыгающее огонь и дым, двигалось по Гудзону против ветра и течения. Уже через десять-пятнадцать лет после изобретения Р. Фултона пароходы серьезно потеснили парусные суда. В 1813 г. в Питтсбурге в США заработали два завода по производству паровых двигателей. Через год к Нью-Орлеанскому порту было приписано 20 пароходов, а в 1835 г. на Mиссисипи и ее притоках работало уже 1200 пароходов. Речной пароход США 1810-1830гг- на рис.(8.)К 1815 г. в Англии на р. Клайд (Глазго) работало уже 10 пароходов и семь или восемь на р. Темзе. В том же году был построен первый морской пароход «Argyle», который выполнил переход из Глазго в Лондон. В 1816 г. пароход «Majestic» выполнил первые рейсы Брайтон — Гавр и Дувр — Кале, после чего начинали открываться регулярные морские паровые линии между Великобитанией, Ирландией, Францией и Голландией.В 1813 г. Фултон обратился к русскому правительству с просьбой предоставить ему привилегию на постройку изобретенного им парохода и употребление его на реках Российской империи. Однако в России пароходов Фултон не создал. Начало 19 века и в России отмечается строительством первых судов с паровыми машинами. В 1815 году владельцем механико-литейного завода в Петербурге Карлом Бердом был построен первый колесный пароход «Елизавета» на рис.(9.) На деревянную «тихвинку» была установлена изготовленная на заводе паровая машина Уатта мощностью 4 л. с. и паровой котел, приводившие в действие бортовые колеса. Машина делала 40 оборотов в минуту. После успешных испытаний на Неве и перехода из Петербурга в Кронштадт пароход совершал рейсы на линии Петербург — Кронштадт. Этот путь пароход проходил за 5 ч 20 мин со средней скоростью около 9,3 км/ч.К 20-м годам 19 века в Черноморском бассейне был всего лишь один пароход — «Везувий», не считая примитивного парохода «Пчелка» мощностью 25 л.с., построенного киевскими крепостными крестьянами, который через два года был проведен через пороги в Херсон, откуда и совершал рейсы до Николаева.Крупный сибирский золотопромышленник Мясников,. получивший привилегию на организацию пароходства по оз. Байкал и рекам Оби, Тоболу, Иртышу, Енисею, Лене и их притокам, в марте 1843г. спустил на воду пароход “Император Николай I” мощностью 32 л. с., который в 1844 г. был выведен на Байкал. Вслед за ним был заложен и в 1844 г. закончен постройкой второй пароход мощностью 50 л. с., получивший название “Наследник Цесаревич”, который также был переведен на оз. Байкал, где оба парохода и использовались на перевозках.В 40-50-е годы 19века пароходы стали регулярно ходить по Неве, Волге, Днепру и другим рекам. К 1850 г. в России было около 100 пароходов.

В 1819 американское парусное почтовое судно на рис.(10.)-«Саванна», дооборудованное паровой машиной и съемными бортовыми колесами вышло из г. Саванна США на Ливерпуль и совершило переход через Атлантику за 24 дня. В качестве двигателя на «Саванне» использовалась одноцилиндровая паровая машина низкого давления, простого действия. Мощность машины составляла 72 л.с., скорость при работе двигателя — 6 узлов (9 км/час). Двигателем пароход ьпользовался не более 85 часов и только в пределах прибрежной зоны.Рейс «Саванны» проводился для оценки необходимых запасов топлива на океанских маршрутах, т. к. сторонники парусного флота утверждали, что ни один пароход не сможет вместить достаточно количество угля для перехода через Атлантику. После возвращения судна в Соединенные Штаты паровой двигатель был демонтирован, а судно до 1822 г. использовалось на линии Нью-Йорк – СаваннаЛегендарный гигант «Титаник» .В котельных помещениях судна было установлено 29 паровых котлов — каждый весом в 100 тонн, которые разогревались жаром 162 топок. Угольные печи разогревали воду в котлах, чтобы получить пар. Затем пар подавался на поршневые двигатели. Как только пар попадал в один из четырех цилиндров двигателя, вырабатывалось необходимое усилие для вращения одного из гребных винтов. Лишний или потеряный пар конденсировался в испарителях и полученная вода могла быть возвращена в котлы для повторного нагревания. Изменение количества пара, поданного надвигатели управляло скоростью судна. Дым от топок и выхлопы двигателей выбрасывались через 3 первых трубы. Четвертая труба была фальшивой и использовалась для вентиляции. На «Титанике» все соответствовало последнему слову техники того времени. Первый военный пароход был построен в США по проекту Р. Фултона в 1815г. Он предназначался для охраны акватории Нью-Йоркского порта и представлял из себя батарейный катемаран. Военные моряки называли его паровым фрегатом, однако Р. Фултон предпочитал называть его паровой батареей и дал ему имя «Demologos» («Глас народа»). В 1829 г. пароход взорвался на рейде Нью-Йорка из-за неосторожного обращения матросов с огнем. В России первый пароходофрегат «Богатырь», ставший предтечей крейсеров, был построен в 1836 г.Применение паровой машины на подводной лодке откладывалось в течение многих лет. Главной проблемой была подача воздуха для сжигания топлива в топке парового котла при нахождении лодки в подводном положении, т.к. при работе машины расходовалось топливо и изменялась масса подводной лодки, а она должна быть постоянно готовой к погружению. Несмотря на препятствия в истории изобретательства подводных кораблей было много попыток построить подводную лодку, снабженную паровым двигателем. Проект подводной лодки с паровой машиной первым разработал в 1795 г. французский революционер Арман Мезьер, но ему не удалось осуществить его. В 1815 году Роберт Фултон построил в Нью-Йорке большое подводное судно, снабженное мощной паровой турбиной, длиной восемьдесят футов и шириной двадцать два фута с экипажем в 100 человек. Однако Фултон умер до того, как «Mute» был спущен на воду, и эта подводная лодка пошла на слом.Летом 1866 г. была создана подводная лодка талантливого русского изобретателя И. Ф. Александровского. Она испытывалась в течение нескольких лет в Кронштадте на рис.(11.). Было вынесено решение о ее непригодности ее для военных целей и нецелесообразности проведения дальнейших работ по устранению недостатков.

1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта

Параллельно с развитием первых автомобилей изобретатели продолжали совершенствовать конструкции мотоциклов и установленных на них моторов. Наиболее интересными работами в этой области были аппараты французского инженера Луи Гийома Перро, который создал собственный паровой мотоцикл. Начал он, как и его соотечественник Эрне Мишо, с велосипеда, оснастив его в 1868 г. большим маховиком, благодаря чему ездок мог определенное время двигаться по инерции. Через год Перро стал применять в своих конструкциях одинарную трубчатую раму.Революционным стал велосипед, разработанный Луи Перро, с электроприводом на заднем колесе. А ведь это было во времена, когда электротехника только зарождалась и хороших электромоторов не существовало, поэтому фантастический для того времени проект тик и остался на бумаге.Итогом всех этих изобретений стала паровая машина для велосипеда, разработанная Перро в 1871 г. Через некоторое время мотоцикл был изготовлен и опробован на ходу. Топливом для горелки должны были служить винный спирт, керосин или растительное масло. Двигатель — одноцилиндровая паровая машина. Вдоль рамы крепился рабочий цилиндр, а бачки для топлива и воды располагались поперек рамы. С помощью специального регулятора можно было менять количество подаваемого в цилиндр пара, изменяя тем самым скорость мотоцикла. Тормоза на машине Перро не было.Основой рамы была толстая изогнутая труба, которая крепилась к рулевой колонке и проходила к заднему колесу. Обода колес были деревянными, заделанными снаружи металлом. Металлическими были и спицы. Седло крепилось на длинной рессоре и могло перемещаться вдоль машины — вперед летом, дабы отодвинуться от горячего мотора, а зимой назад, чтобы согреться от него. На рис.(12.)-Перро предлагал свое детище за три тысячи франков. Но, к сожалению, накануне франко-прусской войны его изобретение не смогло завоевать поклонников и принести прибыль.Мотоцикл Перро имел трубчатую раму с закрепленным на ней рабочим цилиндром и бачками для топлива и воды что виднно на рисунке (13.).Стоит упомянуть еще об одном изобретателе «пароциклов» — американце Луисе Копленде. В 1884 г. он поставил провой мотор впереди водителя над маленьким передним колесом, чтобы разгрузить заднее (масса водителя плюс масса двигателя). Этот мотоцикл мог разогнаться до 18 км/ч, несясь по улицам, как «исчадие ада», и пугая граждан. Позднее Копленд основал собственную фирму по производству мотоциклов.В дальнейшем развитие мотоциклов приостановилось. Люди, занимавшиеся их изготовлением, столкнулись с той же проблемой, что и автомобильные мастера, — с отсутствием легкого и экономичного двигателя. Лишь появление двигателя внутреннего сгорания в корне изменило ситуацию, дав мощный толчок дальнейшему развитию этого оригинального вида транспорта.

1.4 Применение паровых двигателей

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

1.4.1 Преимущество паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах. Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

1.4.2 Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен

, где

Wout — механическая работа, Дж;

Qin — затраченное количество теплоты, Дж.

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 — 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.

Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т.н. температурный напор). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют чуть ли не 1 градус. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100°С.

2. Практическая часть 2.1 Построение механизма

В практической части была сделана попытка сконструировать механизм, способный двигаться на пару.

Нам понадобится:

• Консервная банка. Жестяные крышки от банок большего диаметра.

• Жестяная полоска. Ее можно вырезать из боковины банки.

• Заклепки диаметром 3мм и длинной 7 и 14мм.

• Винт с гайкой М5.

• Алюминиевая проволока.

• Свечка. В место свечи лучше использовать таблетку сухого горючего или спиртовку.

Из крышек вырезаем два кружочка. Один подгоняем под размер банки, которая будет паровым котлом. Второй будет турбиной. Его размер выбираем на свое усмотрение, в зависимости от размера всей конструкции. Длинную заклепку, которая будет форсункой с одной стороны обстучать молотком и уменьшить диаметр до 0.6-0.7мм.

Делаем в крышке две дырки: под форсунку и под заливное отверстие. Заливное отверстие располагаем чуть с боку, чтобы турбина не мешала завернуть винт.

Припаиваем к крышке гайку и форсунку из заклепки. Эти заклепки делают из алюминия, по этому придется использовать либо универсальную паяльную жидкость, либо специальный флюс для пайки алюминия. Я использовал Ф59А.

Припаиваем крышку к банке. Надо заметить, что почти все современные консервные банки изготавливаются с дополнительным полимерным покрытием, по этому все детали перед пайкой необходимо зачистить шкуркой.

Изготавливаем турбину. Для этого делим кружок из жести сперва на 4 части, потом каждую четвертинку на 2 части, и наконец каждую дольку на пополам. Надрезаем дольки примерно до середины радиуса. Загибаем лопатки турбины плоскогубцами. В центр припаиваем головку заклепки.

Держатель турбины выгибаем из жестяной полоски в виде буквы П. Ширина подбирается чуть больше длины двух заклепок.

Впаиваем турбину в держатель так, чтобы она свободно вращалась. В качестве оси берем обрезанный центральный стержень заклепки.

Припаиваем держатель с турбиной к крышке над форсункой. Обязательно проверяем чтобы она не за что не цеплялась.

Варианты подставки могут быть любыми. Самое простое — выгнуть из алюминиевой проволоки.

Турбина готова к запуску. Заливать воду будет гораздо проще, воспользовавшись полиэтиленовым флаконом из под капель от насморка. Не стоит наливать воды больше половины объема нашего котла. В качестве уплотнительной шайбы идеально использовать шайбу, вырезанную из свинцовой оболочки кабеля. Можно использовать кожаную. Если нет ни того ни другого, достаточно взять стандартную и облудить.

Теперь осталось развести огонь и дождаться закипания воды. Пар будет под давлением вырываться из форсунки и крутить турбину.

Вид работающей турбины завораживает. Теперь появилось желание изготовить цивильный настольный вариант. Что-нибудь в стиле стим-панк.

2.2 Способы улучшения машины и ее КПД

В предыдущем прототипе мы при благоприятных условиях могли бы получить от 1-3% КПД, но при данном улучшении КПД должен увеличиться до 3-6%.Идея очень простая и работает за счет давления пара образованного в емкости.

Улучшения заключается в том, что изменяется положение емкости и способ перехода энергии. На емкости в том месте, где выходит пар, приделана трубочка внутри которой находиться металлический шарик, который закрывает емкость. Шарик подпирает пружинка, которая соединяет шарик и поршень. В самой трубочке образованны отверстия, чтобы пару было куда уйти. И принцип заключается в том, что в емкости при нагревании образуется пар и в момент увеличения давления, когда давление увеличивается до определенного момента, давление вытесняет шарик. Вытесненный шарик по цепной реакции задействует пружинку, а она в свою очередь переходит на поршень и так через рычаги механическая энергия переходит на колеса. И так продолжается пока в емкости может образоваться давление для вытеснения шарика. Таким образом, если урегулировать механизм мы можем, получит частое поднятие шарика, а это приведет к созданию скорости.

Заключение

После написания работы были сделаны выводы, что паровая техника до сих пор окружает нас и используется и по сей день: паровозы сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами, насосные станциями и множество других мест. Проанализировав научную литературу, стало очевидно, что именно паровой двигатель изменил наш мир, и наши жизни, поскольку именно с его открытия настала эра развития технологий и разного вида транспорта.

Изучив принцип работы паровых двигателей, сконструировали и построили простейший механизм, работавший на пару. Рассмотрели возможности увеличения КПД в дальнейшем.

По этой работе можно судить, что в мире паровых технологий и по сей день, есть куда стремиться и развиваться. И может именно эта технология станет самой экономичной, экологической и мощной в дальнейшем в мире.

Список используемой литературы

1. Статья основана на материалах Большой советской энциклопедии 2-го издания.: Vapormaŝinohu:Gőzgéplt:Garo mašinann:Dampmaskin

2. Богомазов В.К. Паровые двигатели/Серия «Библиотека юного

конструктора», 2002

3. Косяка Ю.Ф. Паровая турбина К-300-240 ХТГЗ, 1982
4. Хлебников П. А. Самодельные электрические и паровые двигатели
Издательство: Детгиз, 2006

3

Принципы работы парового двигателя курсовая 2010 по физике | Дипломная Физика

Скачай Принципы работы парового двигателя курсовая 2010 по физике и еще Дипломная в формате PDF Физика только на Docsity! Принцип действия парового двигателя Rīga 2011 Содeржание Аннотация Ведение 1. Теоретическая часть 1.1 Временная цепочка 1.2 Паровой двигатель 1.2.1 Паровой котёл 1.2.2 Паровые турбины 1.3 Паровые машины 1.3.1 Первые пароходы 1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта 1.4 Применение паровых двигателей 1.4.1 Преимущество паровых машин 1.4.2 Коэффициент полезного действия 2. Практическая часть 2.1 Построение механизма 2.2 Способы улучшения машины и ее КПД 2.3 Анкетирование Заключение Список используемой литературы Приложение паровой двигатель полезное действие 3. Рассмотреть возможности увеличения КПД в дальнейшем. Данная научная работа будет служить пособием на уроках физики для старших классов и для тех, кого интересует данная тема. 1. Теоретическая часть Паровой двигатель — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала. Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости. Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы. 1.1 Времянная цепочка 4000 лет до н. э. — человек изобрел колесо. 3000 лет до н. э. — в Древнем Риме появились первые дороги. 2000 лет до н. э. — колесо приобрело более привычный для нас вид. У него появились ступица, обод и соединяющие их спицы. 1700 г. до н. э. — появились первые дороги, мощенные деревянными брусками. 312 г. до н. э. — в Древнем Риме построены первые дороги с каменным покрытием. Толщина каменной кладки достигала одного метра. 1405 г. — появились первые рессорные конные экипажи. 1510 г. — конный экипаж приобрел кузов со стенами и крышей. Пассажиры получили возможность защититься от непогоды во время поездки. 1526 г. — немецкий ученый и художник Альбрехт Дюрер разработал интересный проект «безлошадной повозки», приводимой в действие мышечной силой людей. Люди, идущие сбоку экипажа, вращали специальные рукоятки. Это вращение с помощью червячного механизма передавалось колесам экипажа. К сожалению, повозка не была изготовлена. 1600 г. — Симон Стевин построил яхту на колесах, двигающуюся под действием силы ветра. Она стала первой конструкцией безлошадной повозки. 1610 г. — кареты претерпели два существенных усовершенствования. Во-первых, ненадежные и слишком мягкие ремни, укачивающие пассажиров во время поездки, были заменены стальными рессорами. Во-вторых, была усовершенствована конная упряжь. Теперь лошадь тянула карету не шеей, а грудью. 1649 г. — прошли первые испытания по использованию в качестве движущей силы пружины, предварительно закрученной человеком. Карету с приводом от пружины построил Йоханн Хауч в Нюрнберге. Однако историки эти сведения ставят под сомнение, поскольку существует версия, что вместо большой пружины внутри кареты сидел человек, который и приводил механизм в движение. 1680 г. — в крупных городах появились первые образцы конного общественного транспорта. приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В любом паровом двигателе происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле (бойлере) в энергию движения. Тепло может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора. Самый первый в истории паровой двигателей представлял собой род насоса, при помощи которого откачивали воду, заливающую шахты. Его изобрел в 1689 г. Томас Сэйвери. В этой машине, совсем простой по конструкции, пар конденсировался, превращаясь в небольшое количество воды, и за счет этого создавался частичный вакуум, благодаря чему отсасывалась вода из шахтного ствола. В 1712 г. Томас Ньюкомен изобрел поршневой насос, приводимый в действие паром. В 1760-е гг. Джеймс Ватт улучшил конструкцию Ньюкомена и создал намного более эффективные паровые двигатели. Вскоре их стали использовать на фабриках для приведения в действие станков. В 1884 г. английский инженер Чарльз Пар-соне (1854-1931) изобрел первую применимую на практике паровую турбину. Его конструкции были настолько эффективны, что ими вскоре стали заменять паровые двигатели возвратно- поступательного действия на электростанциях. Наиболее удивительным достижением в области паровых двигателей было создание полностью замкнутого, работающего парового двигателя микроскопических размеров. Японские ученые создали его, используя методы, служащие для изготовления интегральных схем. Небольшой ток, проходящий по электронагревательному элементу, превращает каплю воды в пар, который движет поршень. Теперь ученым предстоит открыть, в каких областях это устройство может найти практическое применение. Паровые двигатели, такие как раньше использовались в локомотивах, работают на производимом при нагревании воды паре. На Рис(1.) показана угольная или дровяная топка (1) нагревает котел, напол-ненный водой (2), который производит пар. Пар поднимается и через сухопарник(3) выталкивается через трубы в цилиндр (4), где он вызывает обратное движение поршня (5). Связанный с поршнем рычаг (6) это золотниковый клапан (7), который сначала позволяет пару попасть в цилиндр (как показано), закрывая выпускное окно (8). Это создает давление, которое двигает поршень вперед и приводит к тому, что золотниковый клапан становится в такое положение, когда выпускное окно открывается и пар выходит наружу. Движение колес заставляет поршень двигаться назад, и все начинается снова. 1.2.1 Паровой котёл Первый паровой котел был построен англичанином Томасом Севери в 1698 г. Это был железный бак, под которым в топке разводили огонь. Через некоторое время вместо бака стали применять длинный (до 10 м) цилиндр диаметром около 1,5 м. Его окружали каменной кладкой, а под ним разводили огонь. Поверхность, омываемая горячими газами, у таких котлов была очень маленькой. Поэтому пара они производили очень мало, а из-за того, что горячие газы в основном уходили в трубу, эффективность такого котла была очень низкой. Большая часть топлива при этом сгорала впустую.В начале XVIII в. конструкция парового котла была изменена. Горячие газы начали пускать по трубам, со всех сторон окруженным водой. Такие котлы получили название «газотрубных» и стали широко применяться в паровозах и пароходах.В конце XIX в. были изобретены прямоточные котлы. Вода в них превращалась в пар по мере движения по трубам: с одной стороны в трубы подается вода, а с другой — выходит пар. 1.2.2 Паровые турбины Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения). Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно- поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86% мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами. XIX в., после значительного улучшения качества дорог, паровые повозки вновь стали появляться в Англии.Со временем к дилижансу присоединили повозку с запасами топлива и воды. Это позволило пятнадцатиместным паровым дилижансам совершить около 700 рейсов и преодолеть почти 7 тыс. км со скоростью 30 км/ч. Правительство ввело налоги на паровые автомобили. Сокрушительным ударом по владельцам любых механических повозок стал принятый парламентом «Закон о дорожных локомотивах», который уничтожил самое главное преимущество парового транспорта — скорость, ограничив ее до 15 км/ч.Паровоз — локомотив с самостоятельной паросиловой установкой (паровой котел и паровая машина), движущийся по проложенным рельсам. Первые паровозы были созданы в Великобритании в 1803 г. Р. Тревитиком и в 1814 г. — Дж.Стефенсоном. В России первый паровоз построен в 1833 г. отцом и сыном Черепановыми. Рисунок (4.)показывает «дорожного локомотива», построенного Тревитиком и Виваном в 1803 г.В 1865 г., когда железные дороги покрыли своей сетью основную часть территории Англии, их владельцы совместно с владельцами конного транспорта нанесли окончательный удар по паровым каретам. Начиная с этого года паровые машины должны были на загородных участках дороги двигаться со скоростью 7 км/ч, в пределах города — до 4 км/ч. Кроме этого, перед паровой повозкой обязательно должен был бежать специальный человек с красным флажком, предупреждая всех о приближающейся опасности.Так, в Англии на несколько десятилетий был уничтожен такой вид транспорта, как паровые дилижансы. Однако паровозы, приводимые в движение тем же паровым двигателем, беспрепятственно и с выгодой для их владельцев продолжали катить по рельсам. Принятый закон был смягчен лишь в 1878 г. и полностью отменен в 1896 г., когда по дорогам Европы ездили десятки сотен автомобилей с бензиновыми двигателями.Первый паровой колесный тягач в России был построен в 1874 г. на Мальцевском заводе в Людиново. В качестве прототипа был взят английский автомобиль «Эвелин Портер», однако русский тягач получился мощнее и тяжелее. Кроме этого, он был приспособлен к работе на дровах, а не на угле. Всего было построено семь таких тягачей.Как и во Франции, большой интерес к паровым тягачам в России проявило военное ведомство. Как только в России появился первый рутьер, приобретенный бароном Буксгев-деном для своего имения под Ригой, военные провели его испытания. Паровой тягач «системы Томсона» достойно выдержал испытания, и в 1876 г. после испытаний еще нескольких моделей рутьеров было принято решение об их закупке для нужд российской армии. На рис.(5.)-Рутьер — паровой тягач, способный буксировать специальные вагоны, платформы или прицепы. Следующим паровым автомобилем после рутьеров Мальцевского завода был построенный в 1901 г. легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс». На машине этой довольно удачной конструкции был совершен не только пробег в Крым и обратно, но и восхождение на Ай-Петри. Однако паровым автомобилям так и не удалось прижиться в России. Последней попыткой в этом направлении стала постройка в конце 1949 г. двух паровых грузовых автомобилей НАМИ-012. Испытания подтвердили работоспособность и долговечность машин, при этом их ходовые качества были не хуже, чем у дизельного грузовика. Лесовозный автопоезд с тягачом НАМИ-012 показан на рисунке. (6.).Максимальная скорость — 42 км/ч, запаса дров в бункерах хватало на 80 км пробега. Вернемся во Францию конца XIX в. Здесь в это время паровые автомобили пережили свое второе рождение. Двигатели оснастили керосиновыми горелками вместо угольных топок, теперь они не нуждались в запасе угля и долгом разогреве. Леон Серполле (1858—1907) в своей модели парового экипажа заменил водяной котел длинной многократно изогнутой трубой — змеевиком. Это была настоящая удача, поскольку такая замена позволила уменьшить объем используемой воды. Кроме этого, на повозке Серполле были установлены эластичные шины, повышающие комфорт поездки, и специальный механизм, соединяющий вал паровой машины и ведущие колеса — кардан. Он получил свое название от имени итальянского изобретателя Джероламо Кардано и позволял передать вращение от неподвижно закрепленной паровой машины к покачивающимся на рессорах колесам повозки.В1875 г. первая паровая машина Болли была продемонстрирована в Париже. Она представляла собой паровой дилижанс, рассчитанный на 12 мест, и получила название «Послушная». Имея общую массу 5 т, паровик расходовал на 1 км пути 2,5 кг угля и 14 л воды. По этим показателям Болли удалось опередить подобные паровые омнибусы англичан в 1,5—2 раза. Впереди сидел управляющий поездом (по терминологии тех лет — кондуктор), а сзади — кочегар (шофер), который обслуживал паровой котел. Четырехцилиндровая паровая машина (точнее, две двухцилиндровые) давала возможность на ровной горизонтальной дороге развивать скорость до 40 км/ч.Его новая модель, изготовленная в 80-х гг. XIX в. и получившая название «Новая», имела еще более высокие показатели. Масса омнибуса составляла 3,5 т, при этом на 1 км пути ей требовалось 1,5 кг угля и 7 л воды. По своим скоростным характеристикам машина Болли могла соревноваться даже с только что появившимися бензиновыми автомобилями. Кстати, если отбросить паровой двигатель, то по конструкции и внешнему виду повозка Болли больше была похожа на современный автомобиль, чем первые бензиновые «безлошадные экипажи», официально считающиеся автомобилями. В ее конструкции присутствовали даже такие элементы, как независимая подвеска колес и металлический кузов, получившие распространение на автомобилях лишь в середине 30-х гг. XX в.В дальнейшем часто использовали паровую машину в качестве двигателя легких трех- и четырехколесных повозок. Во Франции этим занимались Леон Серполле и фабрика «Де Дион-Бутон и Трепарду». Использование вертикального трубчатого котла намного меньшего размера, чем обычные, позволило уменьшить массу двигателя, упростить обслуживание и устранить опасность взрыва. Получившиеся в результате усовершенствования небольшие, похожие на брички четырехместные паровые экипажи были очень популярны в начале XX в. во Франции и особенно в США, где паровые автомобили выпускались до начала 30-х гг.Но несмотря на все усовершенствования, паровые автомобили второй половины XIX в. бортовые колеса. Машина делала 40 оборотов в минуту. После успешных испытаний на Неве и перехода из Петербурга в Кронштадт пароход совершал рейсы на линии Петербург — Кронштадт. Этот путь пароход проходил за 5 ч 20 мин со средней скоростью около 9,3 км/ч.К 20-м годам 19 века в Черноморском бассейне был всего лишь один пароход — «Везувий», не считая примитивного парохода «Пчелка» мощностью 25 л. с., построенного киевскими крепостными крестьянами, который через два года был проведен через пороги в Херсон, откуда и совершал рейсы до Николаева.Крупный сибирский золотопромышленник Мясников,. получивший привилегию на организацию пароходства по оз. Байкал и рекам Оби, Тоболу, Иртышу, Енисею, Лене и их притокам, в марте 1843г. спустил на воду пароход “Император Николай I” мощностью 32 л. с., который в 1844 г. был выведен на Байкал. Вслед за ним был заложен и в 1844 г. закончен постройкой второй пароход мощностью 50 л. с., получивший название “Наследник Цесаревич”, который также был переведен на оз. Байкал, где оба парохода и использовались на перевозках.В 40-50-е годы 19века пароходы стали регулярно ходить по Неве, Волге, Днепру и другим рекам. К 1850 г. в России было около 100 пароходов. В 1819 американское парусное почтовое судно на рис.(10.)-«Саванна», дооборудованное паровой машиной и съемными бортовыми колесами вышло из г. Саванна США на Ливерпуль и совершило переход через Атлантику за 24 дня. В качестве двигателя на «Саванне» использовалась одноцилиндровая паровая машина низкого давления, простого действия. Мощность машины составляла 72 л.с., скорость при работе двигателя — 6 узлов (9 км/час). Двигателем пароход ьпользовался не более 85 часов и только в пределах прибрежной зоны.Рейс «Саванны» проводился для оценки необходимых запасов топлива на океанских маршрутах, т.к. сторонники парусного флота утверждали, что ни один пароход не сможет вместить достаточно количество угля для перехода через Атлантику. После возвращения судна в Соединенные Штаты паровой двигатель был демонтирован, а судно до 1822 г. использовалось на линии Нью-Йорк – СаваннаЛегендарный гигант «Титаник» .В котельных помещениях судна было установлено 29 паровых котлов — каждый весом в 100 тонн, которые разогревались жаром 162 топок. Угольные печи разогревали воду в котлах, чтобы получить пар. Затем пар подавался на поршневые двигатели. Как только пар попадал в один из четырех цилиндров двигателя, вырабатывалось необходимое усилие для вращения одного из гребных винтов. Лишний или потеряный пар конденсировался в испарителях и полученная вода могла быть возвращена в котлы для повторного нагревания. Изменение количества пара, поданного надвигатели управляло скоростью судна. Дым от топок и выхлопы двигателей выбрасывались через 3 первых трубы. Четвертая труба была фальшивой и использовалась для вентиляции. На «Титанике» все соответствовало последнему слову техники того времени. Первый военный пароход был построен в США по проекту Р. Фултона в 1815г. Он предназначался для охраны акватории Нью-Йоркского порта и представлял из себя батарейный катемаран. Военные моряки называли его паровым фрегатом, однако Р. Фултон предпочитал называть его паровой батареей и дал ему имя «Demologos» («Глас народа»). В 1829 г. пароход взорвался на рейде Нью- Йорка из-за неосторожного обращения матросов с огнем. В России первый пароходофрегат «Богатырь», ставший предтечей крейсеров, был построен в 1836 г.Применение паровой машины на подводной лодке откладывалось в течение многих лет. Главной проблемой была подача воздуха для сжигания топлива в топке парового котла при нахождении лодки в подводном положении, т.к. при работе машины расходовалось топливо и изменялась масса подводной лодки, а она должна быть постоянно готовой к погружению. Несмотря на препятствия в истории изобретательства подводных кораблей было много попыток построить подводную лодку, снабженную паровым двигателем. Проект подводной лодки с паровой машиной первым разработал в 1795 г. французский революционер Арман Мезьер, но ему не удалось осуществить его. В 1815 году Роберт Фултон построил в Нью-Йорке большое подводное судно, снабженное мощной паровой турбиной, длиной восемьдесят футов и шириной двадцать два фута с экипажем в 100 человек. Однако Фултон умер до того, как «Mute» был спущен на воду, и эта подводная лодка пошла на слом.Летом 1866 г. была создана подводная лодка талантливого русского изобретателя И. Ф. Александровского. Она испытывалась в течение нескольких лет в Кронштадте на рис.(11.). Было вынесено решение о ее непригодности ее для военных целей и нецелесообразности проведения дальнейших работ по устранению недостатков. 1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта Параллельно с развитием первых автомобилей изобретатели продолжали совершенствовать конструкции мотоциклов и установленных на них моторов. Наиболее интересными работами в этой области были аппараты французского инженера Луи Гийома Перро, который создал собственный паровой мотоцикл. Начал он, как и его соотечественник Эрне Мишо, с велосипеда, оснастив его в 1868 г. большим маховиком, благодаря чему ездок мог определенное время двигаться по инерции. Через год Перро стал применять в своих конструкциях одинарную трубчатую раму.Революционным стал велосипед, разработанный Луи Перро, с электроприводом на заднем колесе. А ведь это было во времена, когда электротехника только зарождалась и хороших электромоторов не существовало, поэтому фантастический для того времени проект тик и остался на бумаге.Итогом всех этих изобретений стала паровая машина для велосипеда, разработанная Перро в 1871 г. Через некоторое время мотоцикл был изготовлен и опробован на ходу. Топливом для горелки должны были служить винный спирт, керосин или растительное масло. Двигатель — одноцилиндровая паровая машина. Вдоль рамы крепился рабочий цилиндр, а бачки для топлива и воды располагались поперек рамы. С помощью специального регулятора можно было менять количество подаваемого в цилиндр пара, изменяя тем самым скорость мотоцикла. Тормоза на машине Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т.д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами. Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса. 1.4.2 Коэффициент полезного действия Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен , где Wout — механическая работа, Дж; Qin — затраченное количество теплоты, Дж. Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора): Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 — 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается. Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т.н. температурный напор). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют чуть ли не 1 градус. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100°С. В предыдущем прототипе мы при благоприятных условиях могли бы получить от 1-3% КПД, но при данном улучшении КПД должен увеличиться до 3-6%.Идея очень простая и работает за счет давления пара образованного в емкости. Улучшения заключается в том, что изменяется положение емкости и способ перехода энергии. На емкости в том месте, где выходит пар, приделана трубочка внутри которой находиться металлический шарик, который закрывает емкость. Шарик подпирает пружинка, которая соединяет шарик и поршень. В самой трубочке образованны отверстия, чтобы пару было куда уйти. И принцип заключается в том, что в емкости при нагревании образуется пар и в момент увеличения давления, когда давление увеличивается до определенного момента, давление вытесняет шарик. Вытесненный шарик по цепной реакции задействует пружинку, а она в свою очередь переходит на поршень и так через рычаги механическая энергия переходит на колеса. И так продолжается пока в емкости может образоваться давление для вытеснения шарика. Таким образом, если урегулировать механизм мы можем, получит частое поднятие шарика, а это приведет к созданию скорости. 2.3 Анкетирование Результаты анкетирования показали, что из 20 учеников 2 классов на 10 вопросов правильно ответили 65% учеников. На самые актуальные вопросы сделана таблица на рис.(20.) для наглядного сравнения. Заданные вопросы: 1.Как вы думаете, какой будет КПД у этой машины и почему? на рисунке (21.) 2. В каких промышленных предприятиях используют паровой двигатель? 3. В каком году французский изобретатель Кюньо построил первый в мире паровой автомобиль? 4. Кто такой англичанин Томас Севери? 5. Какую максимальную скорость развивал паровой автомобиль? Заключение После написания работы были сделаны выводы, что паровая техника до сих пор окружает нас и используется и по сей день: паровозы сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами, насосные станциями и множество других мест.Проанализировав научную литературу, стало очевидно, что именно паровой двигатель изменил наш мир, и наши жизни, поскольку именно с его открытия настала эра развития технологий и разного вида транспорта. Изучив принцип работы паровых двигателей, сконструировали и построили простейший механизм, работавший на пару. Рассмотрели возможности увеличения КПД в дальнейшем. В работе при создании механизма мы столкнулись с рядом проблем, которые помешали добиться желаемого результата и что, в конечном счете, привело к малой мощности нашего механизма. Что частично опровергает нашу гипотезу. Чрезмерное влияние внешних факторов и большая потеря тепла, энергии впустую, были причинами неудачи. Так же не достаточное быстрое и малое количество образования пара привело к тому, что не создавалось нужное давление и что в последствии привело нехватке мощности. При конструировании механизма следующего поколения большинство факторов было учтено, чтобы избежать прежней участи. Чертежи были основанные, для того чтобы улучшить механизм и добиться желаемого результата. По этой работе можно судить, что в мире паровых технологий и по сей день, есть куда стремиться и развиваться. И может именно эта технология станет самой экономичной, экологической и мощной в дальнейшем в мире.

Появление первых паровых машин на флоте

Если обратиться к истории создания паровых двигателей, то наверняка покажется, что пароходы сильно затянули со своим появлением на свет Божий.

Первым догадался использовать силу пара Архимед, создав паровую пушку — архитронито. Римские корабли испытали на себе мощь этого орудия еще в 215-212 гг. до н. э. — при осаде Сиракуз.

Применить же движущую силу пара для кораблей впервые попытались во Франции. Еще в 1707 г. изобретатель Папен установил паровую машину на лодку, ходившую по реке Везер. Семьдесят лет спустя в Лионе было построено 45-метровое судно «Пироскаф». На глазах очевидцев оно поднялось вверх по реке, сумев пройти значительный отрезок пути против течения. Следующую попытку предприняли американцы.

В 1787 г, изобретатель Джон Фитч построил паровую лодку под названием «Эксперимент». Она могла развивать скорость в 6,5 узла. В движение это судно приводила паровая машина, двигавшая тремя веслами, похожими на утиные лапы. Лодка совершала регулярные рейсы вверх и вниз по реке Делавэр, но пассажиры ее побаивались.

Паровая лодка «Эксперимент» Дж. Фитча

Первый пароход появился в Англии в 1788 г. У него было целых два корпуса, между которыми находилась пара гребных колес. Скорость его была сравнительно невелика — всего 5 узлов. Настоящий пароход с кормовым гребным колесом англичане построили только через четыре года. Его назвали «Шарлотта Дандас». Это судно длиной 17 м с мощной энергетической установкой в 12 лошадиных сил (л. с.) можно считать первым в истории судостроения буксиром. Своим официальным признанием паровое судоходство во многом обязано американцу Роберту Фултону — изобретателю и коммерсанту. Он первым понял, как обеспечить нормальное взаимодействие корпуса, машины и гребных колес.
В 1802 г. Фултон предложил императору Наполеону проект паровых судов, которые могли бы перебросить пассажиров на территорию Англии. Но Наполеон не оценил по достоинству предложение изобретателя.

Однако Фултон не пал духом и при финансовой поддержке друзей построил пароход «Клермонт». На нем он установил универсальную паровую машину Уатта. Правда, машина была маломощной, и скорость у корабля была всего 4,6 узла.

Пароход «Клермонт» — первый пароход от Роберта Фултона

В сентябре 1807 г. «Клермонт» отправился в свой первый коммерческий рейс по реке Гудзон, положив начало регулярно действовавшей пассажирской линии Нью-Йорк — Олбани. О пароходах как о судах, пригодных для морских плаваний, заговорили в 1809 г., когда паровое судно «Феникс» проделало путь от Нью-Йорка до Филадельфии.

Первым пароходом, которому удалось пересечь Атлантику, была «Саванна». В 1819 г. она совершила 24-дневный рейс из Нью-Йорка в Ливерпуль. Но окончательно освоить трансокеанские линии пароходам удалось лишь через 30 лет после круиза «Феникса», и только благодаря дальнейшему усовершенствованию паровой энергетической установки.

Не полагаясь полностью на паровую машину, некоторые корабелы оставляли на пароходах паруса. Прошло почти 50 лет, пока пароходам удалось потеснить парусные суда. Благодаря экономичной паровой машине они стали развивать хорошую скорость, кроме прочего им все реже приходилось заходить в порты, чтобы пополнить запасы угля. В 1881 г. пароход «Абердин» совершил переход из Англии в Австралию, затратив лишь 42 дня. Еще через пять лет общий тоннаж пароходов, ходивших на трансокеанских линиях, сравнялся с тоннажем торговых парусников.

В России, как и в других морских державах, к появлению паровых судов сначала отнеслись с недоверием. Многие научные открытия русских ученых, способные сделать переворот в судостроении, зачастую «клали на полку». Талантливый русский механик И. П. Кулибин еще в 1782 г. создал «водоходное» судно с гидравлическим двигателем. Академик Б. С. Якоби в 1834 г. изобрел электродвигатель, а через четыре года опробовал его для привода судна. Правительство не сделало ничего, чтобы внедрить оригинальную новинку в промышленность. То же произошло и со многими другими изобретениями. И все-таки в первой половине XIX в. паровые суда появились и в России.

«Водоходное» судно И. П. Кулибина

Первый рейс парохода из Санкт-Петербурга в Кронштадт состоялся 3 ноября 1815 г. Весь путь паровой бот проделал за 5 часов 22 минуты со средней скоростью 9,3 км/ч. Длина судна равнялась 18,29 м, ширина — 4,57 м, осадка — 0,61 м. Гребные колеса диаметром около 2,5 м имели шесть длинных лопастей, закрепленных на спицах. Создателем первого русского парохода был К. Берд, владелец механико-литейного завода на Галерном острове.

Первый паровой буксир «Скорый» спустили на воду в 1818 г. Через три года Николаевское адмиралтейство построило черноморский пароход «Везувий». Эти суда стали пробой сил для военного пароходостроения России.

В 1833 г. русский флот получил боевой корабль «Геркулес», перестроенный в 28-пушечный колесный пароходофрегат.

Во время работы паровой двигатель создавал сильную вибрацию, из-за которой деревянный корпус сильно расшатывался, появлялись течи и повреждения, сокращая и без того небольшой срок службы судна. Это привело к тому, что корпуса пароходов стали делать железными. В 1787 г. были построены первые железные баржи для перевозки угля. Они имели около 20 м в длину и поднимали до 20 т груза. Эти баржи курсировали в водных каналах Англии. Но со строительством железных пароходов явно не спешили. Первое такое судно под названием «Аарон Мэнби» было спущено на воду только в 1822 г. Оно на хорошей скорости в 8-9 узлов прошло путь из Лондона до Парижа.
В 1837 г. англичане, завершив постройку океанского железного парохода «Рейнбоу», открыли новую пассажирскую линию между Лондоном и Антверпеном. Последний пароход с деревянным корпусом «Адриатик» был построен в США в 1857 г. Длина его достигала 107 м, и он мог брать на борт 376 пассажиров и 800 т груза.

Черноморский пароход «Император Николай»

Но несмотря на то что новые технологии позволяли делать железный корпус достаточно прочным, потопить железный пароход по- прежнему не представляло труда. Достаточно было нескольких пушечных ядер или хорошей фугасной бомбы. Однако пароходы поставили на вооружение. Первый из них — «Немезис» был спущен на воду англичанами в 1839 г. А всего через год английские ВМС пополнились еще тремя железными канонерскими лодками. Соединенные Штаты, не желая отставать от владычицы морей Англии, построили собственные железные корабли: «Мичиган», «Уотер Уитч» и «Аллегени».
В середине XIX в. военные пароходы начали строить и в России. После проигранной Крымской войны Россия ускоряла темпы строительства судов с паровой машиной. В 1857 г. российское правительство утвердило новую судостроительную программу. После ее завершения Балтийский флот должен был получить более 150 паровых судов разных типов. За реализацию этой программы принялись столь ревностно, что уже в начале 1870-х годов законодательница мод Англия была вынуждена признать первенство российского судостроения.

Пароходы становились все больше и больше. Железный корпус, даже если он имел значительную длину, позволял не беспокоиться о прочности судна, так как края листов обшивки теперь соединялись вплотную при помощи заклепок. Среди паровых судов начали появляться исполины. Так, английский пароход «Грейт Истерн», сошедший со стапелей в 1858 г., имел 210,4 м в длину, а его водоизмещение достигало 33 000 т. Его строили в расчете на 4 тысячи пассажиров. Паровая машина этого судна мощностью 8000 л. с. приводила в действие кормовой винт и два больших гребных колеса с лопастями, установленных по бортам. Первый большой военный пароход построили итальянцы. Через 20 лет после выхода в море «Грент Истерна» они спустили на воду бронепалубный крейсер «Италия» водоизмещением 15 200 т. При скорости хода 18 узлов огромный крейсер считался очень быстрым для парового судна своего времени.

«Грейт Вестерн» — самый крупный колесный пароход своего времена

Постепенно корабелы вместо железа начинают применять сталь. Первые стальные корабли появились в Англии в начале 1860-х гг. Их строили из дорогой пудлинговой стали, способ получения которой был известен с XVII в. Одно из таких судов — колесный военный корабль «Банши», отправленный англичанами в Штаты, прошел испытание в Гражданской войне Севера и Юга.
Однако большинство судостроителей признало новый материал только после появления мягкой мартеновской стали. Получить ее удалось французам Пьеру и Эмилю Мартенам, переплавив чугун вместе с железным ломом в регенеративных пламенных печах. Прочность этой стали позволила уменьшить вес кораблей. Теперь можно было строить стальные корабли с большой грузоподъемностью. Но все-таки сталь была еще очень дорогой. Только к концу 1880-х гг. появилась возможность изготовлять прочные стальные конструкции, которые были тоньше и дешевле железных.

№ 109: Паровые машины высокого давления

Сила пара | History of Western Civilization II

Паровая или тепловая машина, выполняющая механическую работу с использованием пара, была впервые описана в I веке н. э. Однако именно конструкции двигателя Савери в 1698 году и двигателя Ньюкомена в 1712 году впервые были использованы в коммерческих целях и вдохновили дальнейшее развитие паровой техники.

Цель обучения

Перечислите ранние версии паровой машины

Ключевые моменты

• Паровая машина — это тепловой двигатель, выполняющий механическую работу с использованием пара. История паровой машины восходит к I веку нашей эры. Греческий математик Герой Александрийский описал первую зарегистрированную рудиментарную паровую машину, известную как эолипил. В последующие века несколько первых паровых двигателей, как и эолипилы, были экспериментальными устройствами, которые изобретатели использовали для демонстрации свойств пара.
• Первым коммерческим паровым устройством был водяной насос, разработанный в 1698 году Томасом Савери, который год спустя продемонстрировал его Королевскому обществу. В патенте нет ни иллюстраций, ни даже описания, но в 1702 году Савери описал эту машину в своей книге «Друг шахтера, или Машина для подъема воды с помощью огня» , в которой он утверждал, что она может выкачивать воду из шахт.

Двигатель

• Savery нашел применение в шахтах и ​​на насосных станциях, а также для подачи водяных колес, используемых в текстильном оборудовании. Привлекательной чертой двигателя Savery была его низкая стоимость. Bento de Moura Portugal представила оригинальное усовершенствование конструкции Savery, «чтобы сделать его способным работать самостоятельно», как описал Джон Смитон в 1751 году. Он продолжал производиться до конца 18 века.
• Первым коммерчески успешным двигателем, который мог генерировать энергию и передавать ее машине, был атмосферный двигатель, изобретенный Томасом Ньюкоменом около 1712 года. Это было усовершенствование парового насоса Савери, использующее поршень, предложенный Папеном. Ньюкомен заменил приемный сосуд (в котором конденсировался пар) цилиндром с поршнем по конструкции Папена. Вместо того, чтобы вакуум втягивал воду, он опускал поршень.
• Двигатель был относительно неэффективным и в большинстве случаев использовался для перекачивания воды. Он использовался для осушения горных выработок на ранее невозможных глубинах и для обеспечения многоразового водоснабжения для привода водяных колес на заводах, расположенных вдали от подходящей «головы». Вода, прошедшая через колесо, откачивалась обратно в резервуар для хранения над колесом.

Двигатель

• Newcomen продержался без существенных изменений около 75 лет, постепенно распространяясь на другие районы Великобритании и континентальной Европы. Опыт привел к улучшению конструкции и незначительным усовершенствованиям компоновки. Его механические детали были значительно улучшены Джоном Смитоном, который построил много больших двигателей этого типа в начале 1770-х годов; его улучшения были быстро приняты. К 1775 году было построено около 600 двигателей Ньюкомена.

Ключевые термины

атмосферный двигатель

Двигатель, изобретенный Томасом Ньюкоменом в 1712 году, часто называемый просто двигателем Ньюкомена. Двигатель работал за счет конденсации пара, всасываемого в цилиндр, тем самым создавая частичный вакуум и позволяя атмосферному давлению протолкнуть поршень в цилиндр. Это было первое практическое устройство, использующее пар для выполнения механической работы.

Паровой двигатель

Тепловая машина, выполняющая механическую работу с использованием пара в качестве рабочего тела.

эолипил

Простая безлопастная радиальная паровая турбина, также известная как двигатель Герона, которая вращается при нагреве центрального резервуара для воды. Крутящий момент создается паровыми струями, выходящими из турбины, как в реактивном или ракетном двигателе. В I веке н.э. Герой Александрийский описал это устройство, и многие источники отдают ему должное за его изобретение.

балочный двигатель

Тип паровой машины , в которой поворотная верхняя балка используется для приложения силы от вертикального поршня к вертикальному шатуну. Эта конфигурация с двигателем, непосредственно приводящим в действие насос, была впервые использована Томасом Ньюкоменом примерно в 1705 году для удаления воды из шахт в Корнуолле.

Паровой двигатель — это тепловой двигатель, выполняющий механическую работу с использованием пара. История паровой машины восходит к I веку нашей эры. Греческий математик Герой Александрийский описал первую зарегистрированную рудиментарную паровую машину, известную как эолипил. В последующие века несколько первых паровых двигателей, как и эолипилы, были экспериментальными устройствами, которые изобретатели использовали для демонстрации свойств пара. Элементарное устройство паровой турбины было описано Таки ад-Дином в 1551 году и Джованни Бранка в 1629 году.. Херонимо де Аянс-и-Бомонт получил патенты в 1606 году на 50 паровых изобретений, включая водяной насос для осушения затопленных шахт. Дени Папен, гугенотский беженец, усовершенствовал конструкцию парового варочного котла в 1679 году и впервые применил поршень для подъема грузов в 1690 году. год спустя продемонстрировал его Королевскому обществу. В патенте нет ни иллюстраций, ни даже описания, но в 1702 году Савери описал машину в своей книге 9. 0092 Друг шахтера, или Машина для подъема воды с помощью огня , в которой он утверждал, что может выкачивать воду из шахт. В двигателе Савери не было ни поршня, ни движущихся частей, кроме кранов. Он работал, сначала поднимая пар в котле, а затем пропуская его в один из первых рабочих сосудов, позволяя ему выдуваться через водосточную трубу в воду, которую нужно поднять. Когда система была горячей и, следовательно, заполненной паром, кран между котлом и рабочим сосудом закрывали и, при необходимости, охлаждали сосуд снаружи. Это заставляло пар внутри него конденсироваться, создавая частичный вакуум, и атмосферное давление выталкивало воду вверх по водосточной трубе, пока сосуд не наполнился. В этот момент кран под сосудом был закрыт, а кран между ним и верхней трубой открыт, и из котла поступило больше пара. По мере того, как давление пара возрастало, вода из сосуда поднималась по восходящей трубе к вершине шахты.

Двигатель Savery 1698, Институт термодинамики человека и IoT Publishing Ltd.

Первоначальный патент Savery от июля 1698 года давал защиту на 14 лет. В следующем году был принят парламентский акт, который продлил его защиту еще на 21 год. Этот закон стал известен как Закон о пожарной машине. Патент Савери распространялся на все двигатели, поднимающие воду с помощью огня, и, таким образом, сыграл важную роль в формировании раннего развития паровой техники на Британских островах.

 Согласно проекту Савери, небольшие двигатели были эффективны, но более крупные модели вызывали проблемы. Оказалось, что они имеют ограниченную высоту подъема и склонны к взрывам котлов. Двигатель получил некоторое применение в шахтах, насосных станциях и для подачи водяных колес, используемых для питания текстильных машин. Привлекательной чертой двигателя Savery была его низкая стоимость. Bento de Moura Portugal представила оригинальное усовершенствование конструкции Savery, «чтобы сделать его способным работать самостоятельно», как описал Джон Смитон в 1751 году. Он продолжал производиться до конца 18 века. Один двигатель все еще работал в 1820 г.

Первым коммерчески успешным двигателем, который мог генерировать энергию и передавать ее машине, был атмосферный двигатель, изобретенный Томасом Ньюкоменом около 1712 года. Это было усовершенствование парового насоса Савери, использующее поршень, предложенный Папеном. Ньюкомен заменил приемный сосуд (в котором конденсировался пар) цилиндром с поршнем по конструкции Папена. Вместо того, чтобы вакуум втягивал воду, он опускал поршень. Это использовалось для работы балочного двигателя, в котором большая деревянная балка качалась на центральной оси. С другой стороны балки была цепь, прикрепленная к насосу у основания шахты. По мере того, как паровой цилиндр заполнялся паром, готовя его к следующему рабочему такту, вода втягивалась в цилиндр насоса и выбрасывалась по трубе на поверхность под весом оборудования.

Ньюкомен и его партнер Джон Калли построили первый успешный двигатель этого типа на угольном заводе Conygree недалеко от Дадли в Уэст-Мидлендсе. Двигатель был относительно малоэффективен и в большинстве случаев использовался для откачки воды. Его применяли для осушения горных выработок на ранее невозможных глубинах, а также для обеспечения многоразового водоснабжения для привода водяных колес на заводах, расположенных вдали от подходящей «головы». Вода, прошедшая через колесо, откачивалась обратно в резервуар для хранения над колесом.

Схема паровой машины Ньюкомена, Генри Блэк Ньютон и Харви Натаниэль Дэвис, Практическая физика для средних школ. Фундаментальные принципы и приложения к повседневной жизни, Macmillan and Company, 1913, с. 219.

Двигатель Ньюкомена работал за счет конденсации пара, всасываемого в цилиндр, что создавало частичный вакуум и позволяло атмосферному давлению толкать поршень в цилиндр. Это было первое практическое устройство, использующее пар для выполнения механической работы 9.0014

Двигатель Ньюкомена продержался без существенных изменений около 75 лет, постепенно распространяясь на другие районы Великобритании и континентальной Европы. Сначала использовались латунные цилиндры, но они были дорогими и ограниченными по размеру. Новые методы литья чугуна, впервые примененные компанией Coalbrookdale Company в 1720-х годах, позволили использовать цилиндры большего размера, примерно до 6 футов (1,8 м) в диаметре к 1760-м годам. Опыт привел к улучшению конструкции и незначительным усовершенствованиям компоновки. Его механические детали были значительно улучшены Джоном Смитоном, который построил много больших двигателей этого типа в начале 1770-х годов, и его усовершенствования были быстро приняты. К 1775 году было построено около 600 двигателей Ньюкомена.

Атрибуция

• Ранние паровые двигатели

  • «Эолипил». https://en.wikipedia.org/wiki/Эолипил. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Балочный двигатель». https://en.wikipedia.org/wiki/Beam_engine. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Томас Савери». https://en.wikipedia.org/wiki/Томас_Савери. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Томас Ньюкомен». https://en.wikipedia.org/wiki/Томас_Ньюкомен. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Паровая энергия во время промышленной революции». https://en.wikipedia.org/wiki/Steam_power_during_the_Industrial_Revolution. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Атмосферный двигатель Ньюкомена». https://en.wikipedia.org/wiki/Newcomen_atmospheric_engine. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Паровая машина». https://en.wikipedia.org/wiki/Steam_engine. Википедия CC BY-SA 3.0.

  • «Savery-engine.jpg». https://commons.wikimedia.org/wiki/Файл:Savery-engine.jpg. Общественное достояние Викисклада.

  • «800px-Newcomen6325.png». https://en.wikipedia.org/wiki/Newcomen_atmospheric_engine#/media/File:Newcomen6325.png. Википедия Общественное достояние.

Что, если бы мир работал на Steam

Мир запущен в Steam?

Мир побежал в Steam?

Когда бывший продавец сельского магазина из сельской местности Нью-Йорка по имени Джордж Х. Корлисс изобрел революционно новый паровой двигатель в 1849 году.Энергия пара, наконец, обогнала энергию воды как превосходный источник энергии для американской промышленности.
Ни одно изобретение со времен [Джеймса] Уатта не повышало так эффективность паровой машины.
Доктор Аса Грей

Зрелище американских изобретений

Прохладным майским утром 1876 года, после терпеливого ожидания под пасмурным небом за пределами филадельфийского парка Фэрмаунт, когда откроются ворота, десятки тысяч людей устремились на ярмарочную площадь Centennial Exposition, чтобы увидеть последние экспонаты изобретательность со всего мира. Поскольку первая официальная Всемирная выставка проходила в Соединенных Штатах, мероприятие совпало со столетием принятия Декларации независимости. Неудивительно, что она была поставлена ​​так, чтобы показать особенно яркую демонстрацию американской уверенности и современности. Среди американских экспонентов, демонстрирующих свои последние изобретения и идеи: Александр Грэм Белл продемонстрировал свой недавно запатентованный телефон; Томас Эдисон продемонстрировал электрическую ручку; и Eliphalet Remington представили новую коммерческую пишущую машинку.

Детали

• Твитнуть

• Делиться

• Эл. адрес

• Встроить

• Скопировать короткий URL-адрес

Детали

В то время ничто так не свидетельствовало о технической сложности и промышленной мощи, как паровая энергия. Вот почему открытие двухцилиндрового парового двигателя с самым большим в мире маховиком диаметром 30 футов и весом 56 тонн считалось величайшим чудом на этом мероприятии. Человек, спроектировавший его, бывший продавец загородного магазина по имени Джордж Х. Корлисс, пользовался большей известностью, чем любой другой изобретатель, присутствовавший на мероприятии, включая даже Белла и Эдисона.

Анонс легендарного продукта

Как и многие постановочные мероприятия на выставке Centennial Exposition, призванные вызвать удивление и благоговение, включая хор из 1000 голосов и салют из 100 орудий на церемонии открытия, момент появления парового двигателя Corliss был тщательно продуман. запланировано. Корлисс, как и Стив Джобс более века спустя, был гением не только в разработке новых технологий, но и в организации мероприятия по связям с общественностью. Он позаботился о том, чтобы его паровая машина, на создание которой ушло 10 месяцев, была установлена ​​на пятифутовой платформе внутри одного из самых великолепных павильонов (Машинный зал занимал 558 000 квадратных футов или 14 акров, что более чем в четыре раза превышает площадь собора Святого Петра). в Риме). Двухэтажная паровая машина Корлисса возвышалась над остальными машинами вокруг себя.

В день открытия Корлисс пригласил самых известных гостей мероприятия — президента Улисса С. Гранта и любимого американцами иностранного дипломата, бразильского императора Дом Педро — потянуть за двойные рычаги, чтобы запустить двигатели. Корлисс разместил шумные котлы в соседнем здании, поэтому, когда запустилась паровая машина мощностью 1400 лошадиных сил, зрители были поражены. Все машины в огромном зале заработали, приводимые в движение двигателем Корлисса через валы общей длиной более мили. И все же, невероятно, гигантский двигатель работал бесшумно, как по волшебству.

Дисплей внушал почти мифическое почтение «Столетнему двигателю» Корлисса. Редактор Atlantic Monthly Уильям Дин Хауэллс похвалил двигатель Corliss как «спортсмена из стали и железа, в котором нет ни лишней унции металла». Уолт Уитмен был поражен увиденным. По словам другого писателя, путешествовавшего с Уитменом, Хокина Миллера, знаменитый поэт «сидел, глядя на этот колоссальный и могучий механизм в течение получаса в тишине… созерцая тяжелые движения величайшего механизма, созданного человеком».

Это были именно те фанфары, на которые надеялся Корлисс. «Он явно хотел доминировать на выставке», — говорит Марк Гройтер, главный куратор Генри Форда. «Но парадокс в том, что двигатель, который был развернут, чтобы вызвать почти божественное присутствие, на самом деле не был в авангарде собственных возможностей Корлисса».

Сила американской промышленной революции

Более чем за два десятилетия до того, как его впечатляющая машина стала предметом обсуждения на выставке Centennial Exposition, Джордж Корлисс прославился своим прорывом в конструкции паровых двигателей. В то время паровые двигатели существовали уже более века, начиная с открытия британским изобретателем Томасом Ньюкоменом того, как использовать давление пара внутри цилиндра для толкания поршня. Разработанный примерно в 1712 году, Ньюкомен был первой в мире паровой машиной, использовавшейся для откачки воды из шахты. Около 50 лет спустя шотландский изобретатель Джеймс Уатт усовершенствовал изобретение Ньюкомена, спроектировав отдельную камеру конденсации, которая предотвратила потерю пара и позволила двигателю работать непрерывно.

Потребовалось еще 80 лет, прежде чем Корлисс в конце 1840-х годов обнаружил, как улучшить конструкцию Уатта, создав паровой двигатель, обеспечивающий превосходный расход топлива и плавную скорость работы. Изобретатель, которому тогда было около 30 лет, разработал уникальную систему из четырех отдельных качающихся клапанов (два для впуска и два для выпуска), которая позволяла пару быстро создавать давление внутри цилиндра, толкать поршень и затем выбрасываться, прежде чем он охладится и сконденсируется. , сохраняя драгоценное тепло двигателя. Он также разработал автоматический регулируемый отсечной клапан, позволяющий определять скорость двигателя в зависимости от приложенной к нему нагрузки. Как отметил в своей книге историк Мори Кляйн,
The Power Makers , ««Автоматическая отсечка капель» контролировала количество пара, поступающего в цилиндр, намного эффективнее, чем любой другой тип. Клапанный механизм Corliss постепенно стал стандартом не только для американских, но и для британских производителей двигателей».

Клапанный механизм: шток клапана впуска пара вверху слева; амортизаторы для демпфирования закрытия клапана в центре

Более практичный, надежный и доступный паровой двигатель Corliss позволил большому количеству американских производителей приобрести паровой двигатель для своих заводов и фабрик, что освободило их от прежней зависимости от воды в качестве источника энергии. Это, в свою очередь, изменило то, как росла и процветала американская промышленность. Поскольку электроэнергия больше не была привязана к источникам воды, владельцы бизнеса могли размещать фабрики там, где они видели наибольшую возможность, будь то город без выхода к морю с большим количеством рабочей силы или сельская местность с богатыми природными ресурсами.

В частности, двигатель Корлисса породил гигантские текстильные центры, такие как Фолл-Ривер в Массачусетсе. Энергия, необходимая для привода огромного количества машин, используемых на текстильных фабриках, была значительной, но тонкость нитей и тканей, производимых текстильным оборудованием, требовала, чтобы источник энергии был очень отзывчивым. Запатентованный клапанный механизм Corliss позволял двигателю поддерживать точную скорость, необходимую для предотвращения поломки резьбы, одновременно реагируя на переменные нагрузки при включении или выключении различных машин.

Достижения Корлисса привели к успеху его собственного бизнеса, The Corliss Steam Engine Company, который он основал в 1856 году в Провиденсе, штат Род-Айленд, вместе со своим старшим братом. Они также принесли ему международное признание. На Парижской выставке 1867 года его паровая машина завоевала золотую медаль. Три года спустя Американская академия искусств и наук присудила ему премию Рамфорда — одну из старейших научных премий в США в знак признания достижений ученых в области тепла и света. Во время этой церемонии доктор Аса Грей, ведущий естествоиспытатель той эпохи, сделал свое знаменитое заявление о том, что «ни одно изобретение со времен Уатта не повышало эффективность паровой машины так сильно».

Ни одно изобретение со времен [Джеймса] Уатта не повышало так эффективность паровой машины.

Доктор Аса Грей

Ведущий естествоиспытатель эпохи

Награждение гения за изобретательность

Международные награды помогли поднять репутацию Corliss в Америке как одного из передовых производителей паровых двигателей в мире. Это была репутация, которая ближе к дому формировалась медленнее, отчасти потому, что он не получил традиционной академической подготовки. Родившийся в семье врача в Истоне, штат Нью-Йорк, Корлисс бросил школу в 14 лет, чтобы работать продавцом, а затем, ненадолго вернувшись в школу, в конце концов открыл свой собственный загородный универсальный магазин в 1838 году, когда ему был 21 год. Когда покупатели жаловались Насчет плохо сшитой обуви Корлисс решил сам решить эту проблему. Обладая лишь базовыми знаниями об инструментах, он разработал машину для сшивания кожи и получил патент на машину для шитья обуви в 1842 году, первый из многих патентов, которые в конечном итоге включали котлы, станки и паровые приборы.

Два года спустя, в возрасте 27 лет, Корлисс переехал в Провиденс, штат Род-Айленд, и начал работать чертежником в фирме по производству машин и двигателей, где он в конечном итоге внес существенные усовершенствования в паровой двигатель. Хотя он был преданным инженером, он утверждал, что никогда не читал технические журналы и не работал сверх установленного рабочего времени. Он был склонен к сутяжничеству, постоянно боролся за защиту своих патентов и препятствовал их нарушению, но все же был готов понести финансовые убытки, задержав поставку котла, когда обнаружилось, что малиновка свила гнездо в колесе единственного транспортного средства, достаточно большого, чтобы вместить его. сделать доставку — клиент должен был ждать, пока птичий выводок не покинет гнездо.

Двигатель Corliss 1859 года в Музее американских инноваций Генри Форда™, хотя и значительно меньше двигателя Centennial, производя всего 300 лошадиных сил, более 60 лет служил центральным источником энергии для нескольких десятков независимых мастерских в Провиденсе. Принадлежащий Вашингтонской компании по недвижимости и анонимно подаренный музею в 1926 году, он мощный и массивный, но включает в себя множество изящных и, по-видимому, тонких элементов. Это единственный уцелевший двигатель, построенный компанией Corliss Steam Engine Company при жизни Джорджа Корлисса.

Детали

• Твитнуть

• Делиться

• Эл. адрес

• Встроить

• Скопировать короткий URL-адрес

Детали

Эта машина 1859 года, как и многие паровые машины Корлисса, оставалась в эксплуатации намного дольше, чем его знаменитая Centennial Engine. В конце концов эта машина была продана американскому промышленнику Джорджу Пуллману, который, по данным Смитсоновского института, отправил ее в Чикаго в 35 крытых вагонах и использовал для питания машин, которые производили его спальные вагоны. Но всего через 30 лет эксплуатации историческая паровая машина «была продана как хлам по 8 долларов за тонну».

То, что такая машина была вскоре забыта, является напоминанием о том, что открытие на выставке Centennial Exposition ознаменовало недолгую вершину достижений в области стационарной паровой энергии. Промышленная революция шла полным ходом, в значительной степени подпитываемая паровыми двигателями Корлисса, изобретенными десятилетиями ранее. А в умах великих инженеров уже шевелилась новая прорывная технология — источник энергии, называемый двигателем внутреннего сгорания. Через десять лет после выставки Centennial Exposition немецкий изобретатель по имени Карл Фридрих Бенц зарегистрировал патент на автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания, отметив момент, когда эпоха пара уступила место эпохе автомобилей.

«Corliss — это полезное напоминание нам о том, что все, что является инновационным в любой момент времени, является результатом процесса, в результате которого эта инновация также устаревает», — говорит Гройтер. «Он был совершенно невероятен в своей области и продолжал совершенствоваться, но в конце концов его отбросили. Это увлекательный урок: инновации как процесс должны быть в центре нашего постоянного внимания. Инновации по отдельности имеют семена своей гибели, встроенные в то, чем они являются. Я постоянно напоминаю себе об этом. Самая современная вещь, о которой вы только можете подумать, в какой-то момент окажется самой древней вещью в чьих-то глазах».

Узнать больше

Узнать больше:

Что, если мы переосмыслим то, как мы строим дома и человечество?

1859 Паровой двигатель Corliss
Посмотрите паровой двигатель Corliss 1859 года в музее Генри Форда (даже посмотрите рабочую демонстрацию).

Посетите музей

Вопросы для обсуждения
Исследуйте идеи творчества и инноваций, поднятые этой историей.

Посмотреть вопросы

Цифровые загрузки
Найдите тысячи изображений в высоком разрешении и поддержите Генри Форда.

Просмотреть сейчас

Артефакты, связанные с этой историейСвязанные артефакты

Просмотр коллекций

Детали

• Твитнуть

• Делиться

• Эл. адрес

• Встроить

• Скопировать короткий URL-адрес

Детали

Детали

• Твитнуть

• Делиться

• Эл. адрес

• Встроить

• Скопировать короткий URL-адрес

Детали

Детали

• Твитнуть

• Делиться

• Эл. адрес

• Встроить

• Скопировать короткий URL-адрес

Детали

Детали

• Твитнуть

• Делиться

• Эл. адрес

• Встроить

• Скопировать короткий URL-адрес

Детали

Подробнее

• Твитнуть

• Делиться

• Эл. адрес

• Встроить

• Скопировать короткий URL-адрес

Детали

Детали

• Твитнуть

• Делиться

• Эл. адрес

• Встроить

• Скопировать короткий URL-адрес

Детали

Вопросы для обсуждения

• Что или кто побудил Джорджа Х. Корлисса к инновациям?
• Какие черты новатора продемонстрировал Джордж Х. Корлисс?
• Какая из этих черт, по вашему мнению, была наиболее важной для его успеха как изобретателя парового двигателя?
• Как вы думаете, вы можете быть новатором, как Джордж Х. Корлисс? Почему или почему нет?

Подпитка вашего энтузиазма

Школа Генри Форда стремится предоставить уникальный образовательный опыт, основанный на подлинных артефактах, историях и жизнях Америки, основанной на традициях изобретательности, находчивости и инноваций.

Руководство для начинающих новаторов Двигатель

Название этой статьи может сбить читателя с толку, так как это описание паровой машины. Но намерение Ericsson было ясно заявлено: этот двигатель безразлично работает с паром, водой или воздухом в качестве движущих сил.
Вот почему этот двигатель занимает свое место среди двигателей горячего воздуха и является вторым в длинном списке воздушных двигателей Ericsson.

Возможно, самая интересная проблема в механике состоит в том, как упростить паровую машину, чтобы ее объем и вес, которые в настоящее время несколько огромны, можно было уменьшить в более удобных пределах без соответствующей потери мощности.

По целому ряду причин, все из которых хорошо установлены длительной практикой, поршневой двигатель нельзя заставить работать с пользой при более чем умеренной скорости; поэтому становится необходимым подвергнуть поршень воздействию большой силы (поскольку эта сила, умноженная на скорость, составляет мощность), и, как неизбежное следствие, все части, которые должны сообщать эту большую силу, а также каркас, несущий эти различные движущиеся части, должен быть пропорционально прочным.

Отсюда следует общее правило, что объем и вес любой машины данной мощности, работающей на паре данной силы, должны зависеть от скорости поршня, т. е. от скорости той поверхности, которую пар сделан для движения. Эта истина лежит в основе конструкции весьма замечательной машины, на которую мы должны обратить внимание наших читателей.

В патенте, полученном г-ном Эрикссоном на это изобретение, он обозначает его как «улучшенный двигатель для передачи мощности для механических целей». и эта общность была, возможно, необходима, так как, хотя она обещает быть наиболее важной в связи с паром, она может быть приведена в действие любой другой силой газа или жидкости, такой как воздух, вода и т. д.

Спецификация описывает его более конкретно, как состоящий из «круглой камеры, в которой конус вращается на валу или оси с помощью лепестков или крыльев, попеременно подвергаемых давлению пара; эти крылья или листья заставляют работать через прорези или отверстия круглой плоскости, которая вращается наискось и, таким образом, остается в контакте со стороной конуса». Но когда читатель прочитает это описание двигателя, мы опасаемся, что он не станет намного мудрее; действительно, мы никогда раньше не встречали машину, о которой было бы так трудно передать словами ясное и отчетливое представление и которая в то же время была бы так несложна в своей конструкции.

Поэтому мы будем вынуждены больше, чем обычно, полагаться на помощь нашего гравера, чтобы сделать следующее описание понятным для наших читателей.

На рис. 1 представлен продольный разрез двигателя, при этом предполагается, что круглая камера пересекает осевую линию.
A A представляет собой круглую камеру, состоящую из двух частей, соединенных в точке a a и закрепленных на раме B B; эта рама также поддерживает ось или главный вал C, к которому прикреплен конус D.
EE представляют собой две створки или створки, прикрепленные к конусу; д — металлический сегмент, вставленный в канавку, выполненную в изогнутом крае створки, и прижатый к камере пружинами для предотвращения выхода пара.
F представляет собой круглую плоскость, вращающуюся на валу или шарнире G и поддерживаемую основным валом (как показано на рис. 4).

Наклонное положение этой круглой плоскости, как видно, отрегулировано таким образом, что ее поверхность должна быть параллельна стороне конуса и соприкасаться с ней.

H представляет собой металлическое кольцо, вставленное в канавку вокруг конуса и разделенное на сегменты, которые прижимаются к камере пружинами для обеспечения уплотнения.
I представляет собой металлическое кольцо для той же цели, установленное вокруг круглой плоскости K представляет собой цилиндрическую латунь для вращения оси G против e, регулируемую ключом k.
L представляет собой коническую латунную направляющую, удерживаемую на месте стопорным винтом l.
M — штифт для подачи масла на шкворень.
N N представляют собой конические1 латунные детали для главного вала, которые удерживаются на своих местах с помощью установочных винтов n n.
o o — болты для крепления рамы двигателя.
P представляет собой шестерню или маленькое колесо, предназначенное для передачи: мощности или двигателя на оборудование, для которого может потребоваться другая скорость.
V — одна из щелей или отверстий в наклонно вращающейся круглой плоскости, через которую работают створки; эта щель равна 1/4 створки и расширяется наружу от поверхности плоскости, чтобы приспособиться к изменению углового положения створки, которое происходит во время каждого оборота.
v v представляют собой металлические стержни, удерживаемые прямо на створке пружинами для предотвращения утечки пара.
WWW представляют собой тонкие плоские кронштейны для поддержки круглой плоскости.

На рис. 2 представлен план или вид сверху двигателя, показывающий внешний вид круглой камеры, рамы, главного вала, шестерни и т. д. (Здесь можно также указать, что одинаковые буквы используются для обозначения одинаковых частей на всех рисунках.)
Q — труба, по которой пар входит в двигатель, а R — труба, по которой он выходит.

Рис. 3 представляет собой вид сбоку или разрез двигателя, сделанный по пунктирной линии, отмеченной на рис. 2.

Пар проходит из трубы Q в круглую камеру через отверстие S, прорезанное в ее боку; это отверстие имеет треугольную форму и сделано таким же широким в верхней части, насколько круглая плоскость удалена от основания конуса, и постепенно сужается книзу. T — отверстие, через которое выходит пар, и во всех отношениях аналогичны по конструкции.
Пунктирная линия U показывает место соприкосновения конуса и круговой плоскости. ee — уже описанные металлические сегменты.

Рис. 4 представляет собой вид конуса в круглой плоскости в разрезе по их центрам. Нужно только заметить, что d — это хомут на главном валу, с помощью которого к нему крепится конус; что c — шаровой шарнир, работающий в гнезде f круглой плоскости; и что пунктирные линии EE показывают точную форму листьев или крыльев, прикрепленных к конусу.

Описав таким образом природу и конструкцию двигателя мистера Эрикссона, мы теперь приступим к объяснению того, как он работает. Пар, попадая в трубу Q (см. рис. 3), проходит через отверстие S в круглую камеру, не препятствуя там прохождению линии U, где конус и плоскость соприкасаются, давит на верхнюю створку, который вместе с конусом затем вращается в направлении пунктирной стрелки.

Теперь, как только упомянутая створка опустится ниже верхней части отверстия Т, действовавший пар выходит через это отверстие в трубу R, а оттуда в атмосферу или в конденсатор. Противоположная створка затем работает аналогичным образом, и так далее, пока впускается пар.

Сколько бы ни было двигателей, изобретенных для создания вращательного движения, мы не припомним ни одного, в котором этот результат был бы достигнут такой совершенной гармонией работы различных частей. Не только общее действие этого двигателя, но и действие каждой его части является вращательным.

Следствием этого является то, что он полностью свободен от тех серьезных недостатков, которые делают достижение очень быстрого движения с помощью возвратно-поступательного двигателя делом такой большой практической трудности. Достигается значительное увеличение мощности, в то время как объем и вес материала, используемого для этой цели, уменьшаются по сравнению со всеми предыдущими примерами. Мы постараемся сделать это более ясным с помощью нескольких вычислений.

Двигатель, представленный на чертежах (выполненных в масштабе 2½ дюйма), подвергается воздействию пара площадью 12 квадратных дюймов внутри листа и находится в вертикальном положении; но поскольку это максимальная открытая поверхность, необходимо принять среднее значение, которое с помощью флюксий окажется равным десяти квадратным дюймам с точностью до доли.

По шкале видно, что шаровая камера этого двигателя имеет диаметр 13 дюймов. Двигатель в три раза больше, то есть с каморой 39дюймов в диаметре, следовательно, подвергли бы воздействию пара 90 квадратных дюймов; и среднее расстояние, пройденное листом, будет 7,35 фута для каждого разрешения, и если двигатель будет совершать 180 оборотов в минуту, расстояние, пройденное за это время, составит 1323 фута.

Если теперь пар 45 фунтов. давления на квадратный дюйм, 4 050 фунтов будут постоянной силой при работе, что, умноженное на 1 323, показывает, что 5 358 150 фунтов. будет подниматься на 1 фут в минуту; и эта сумма, деленная на установленное число, 33 000, дает общий результат в 162 лошадиные силы. Теперь, если мы вычтем одну четверть на трение и т. д., что вполне достаточно, учитывая гармоничное действие двигателя, располагаемая мощность составит 120 лошадей!

То, что шарообразный сосуд диаметром всего 3 фута 3 дюйма производит такую ​​большую мощность, является результатом настолько экстраординарным, что внимание, естественно и с тревогой, приковано к любым вероятностям, с помощью которых он может быть побежден. Вероятность того, что утечка повлияет на действие, в первую очередь требует нашего рассмотрения.

В отношении этой головки достаточно заметить, что, поскольку ни одно из уплотнений не требует какого-либо другого зазора, кроме постепенного перемещения по соответствующим поверхностям по мере их износа, все, что требуется для обеспечения герметичности, — это хорошее качество изготовления. Следующее обстоятельство, которое напрашивается само собой, — это обычное обстоятельство склонности к расстройству.

На этот счет, однако, нечего опасаться, так как двигатель состоит из очень небольшого числа частей, а взаимное действие и реакция этих частей настолько просты и естественны, что, если только они случайно не повреждены или не заблокированы, он едва ли может пойти не так. Мы понимаем, что единственная реальная опасность, от которой нужно остерегаться, — это тепло, которое может выделяться трющимися частями, когда двигатель работает на полную мощность; между подшипниками и поршнями, в частности, так как они должны будут выдерживать большую силу.

В этом вопросе опыт может быть единственным руководством к правильному заключению; но мы склонны думать, что, поскольку на хлопчатобумажных фабриках нет никакого неудобства от того, что они дают валы большого размера и сообщают большую мощность со скоростью 180 оборотов в минуту, любой вывод, который можно сделать на этом основании из полезности двигатель будет но пустяковый. Что касается уплотнительных колец, то давление на них будет незначительным; действительно, их центробежной силы будет почти достаточно, чтобы придать им всегда внешнее смещение; поэтому опасность их нагревания должна быть крайне мала.

Не лишним будет заметить, что принцип работы двигателя таков, что пар может входить с обеих сторон с одинаковым эффектом. Таким образом, движение можно изменить на противоположное, просто поменяв местами входы и выходы пара с помощью обычного золотникового клапана или четырехходового крана — особенность этой машины, которая, не говоря уже о ее скорости, должна сделать ее особенно применимой. для всех локомотивных целей.

Тем не менее, отрасль паровой техники, в которой этот двигатель может быть принят с наибольшей выгодой, — это морская техника. В паровых судах легкость, компактность, простота — все это свойства первостепенной важности; и вдвойне, когда их можно получить, как в этом случае, без какой бы то ни было жертвы силой.

Когда для работы этого двигателя используется вода, работа будет точно такой же, как и в случае с паром; за тем исключением, что можно обойтись без уплотнительных колец. Исключение, однако, имеет характер, который показывает, что в качестве гидравлического двигателя он будет работать даже лучше, чем в качестве парового двигателя; об этом, однако, больше в дальнейшем. В настоящее время мы надеемся, что сказали достаточно, чтобы удовлетворить наших читателей тем, что большое место, которое мы посвятили этому последнему чуду механического мира, не было занято недостойно.

Что такое стационарная паровая машина? (с изображением)

Стационарная паровая машина использует силу пара для приведения в движение инструментов, отличных от самих себя. Обычно они использовались для питания мостов, шлагбаумов, приводных мельниц и заводского оборудования. Более поздние модели использовались для выработки электроэнергии. Такие двигатели работают с фиксированного положения и не используются в качестве транспортных средств, хотя некоторые из них использовались для привода колес на паровых кораблях.

Базовые паровые двигатели работают, когда в цилиндр подается пар высокого давления. Этот цилиндр имеет поршень, который пар толкает в одном направлении, выталкивая охлажденный выхлопной пар из вентиляционного отверстия и создавая движение через шток поршня. Это движение приводит в движение колеса паровоза, толкая двигатель вперед. Такие двигатели толкают поршень то в одну, то в другую сторону, чередуя, в какой конец цилиндра поступает пар.

Томас Савери изобрел первый стационарный паровой двигатель, а затем усовершенствовал его соотечественник Томас Ньюкомен и шотландец Джеймс Уатт. В 1698 году Савери изобрел паровой двигатель, который качал воду из угольной шахты Корнуолла. Его базовая конструкция была улучшена в 18 и 19 веках, но в 20 веке была заменена электричеством и двигателем внутреннего сгорания.

В 1705 году Ньюкомен изобрел первый лучевой двигатель. В этой стационарной паровой машине использовалась поворотная балка, соединенная с вертикальным поршневым цилиндром внизу. Уатт, среди прочего, улучшил двигатель, добавив компрессор. Лучевой двигатель использовался в основном для перекачки воды и вращения мельничных колес. Он также использовался на паровых кораблях.

Недолговечным вариантом неподвижного двигателя был настольный двигатель. Этот двигатель был похож на балочный двигатель, но располагался на основании стола и был соединен с маховиком через шатун и крейцкопф. Джеймс Сэдлер изобрел двигатель и использовал его на блочных заводах в Портсмуте. По сравнению с другими двигателями он был и медленным, и слабым.

Джордж Генри Корлисс, американец, добавил поворотные клапаны к основной идее стационарного парового двигателя, чтобы создать двигатель Корлисса. Впервые построенный в 1848 году, Corliss позволял изменять время работы своих клапанов. В основном он использовался для прокладки валов на заводах и для выработки электроэнергии с помощью динамо-машин, поскольку он был очень экономичным.

В 1828 году Джеймс Перкинс разработал двигатель Uniflow, который использовал полуцилиндр и позволял поршню двигаться только в одном направлении. Поскольку выхлопные газы и пар топлива всегда поступали в одни и те же концы цилиндра, это приводило к повышению тепловой эффективности. Uniflow был адаптирован для различных паровых двигателей, но в основном использовался для выработки электроэнергии.

Британский изобретатель Джеймс Хорнблауэр создал первую составную стационарную паровую машину в 1781 году. Он рассудил, что если энергия и действие могут быть получены из пара под давлением в одном цилиндре, то тот же самый пар можно переместить в другой цилиндр для получения большей мощности. Хорнблауэр строил двигатели, где было как минимум два цилиндра и каждый поршень после первого реагировал на понижение давления.

Water and Steam—Waste of Power

• Share on Facebook

• Share on Twitter

• Share on Reddit

• Share on LinkedIn

• Share via Email

• Print

Энергия пара для производственных целей быстро вытесняет воду во многих местах. Несколько лет назад с коммерческой точки зрения считалось бы безумием предлагать паровую машину для привода машин почти любой фабрики. Считалось, что ни хлопчатобумажную, ни шерстяную мануфактуру нельзя вести иначе, как на берегу какой-нибудь реки или ручья, где было много воды и хороший водопад, чтобы водить водяное колесо. По этой причине мы находим все большие старые фабрики в нашей стране, построенные в местах, обладающих большой силой воды. Некоторые из них также расположены в чрезвычайно удобных местах, поскольку это касается доставки к ним сырья и производимых из них продуктов. Самый крупный промышленный район в штате Нью-Йорк — это, пожалуй, долина Сакуаит, округ Онейда; ручей, носящий это имя, усеян фабриками, и его воды самые жесткие из всех в нашей стране. Эта долина находится в двухстах двадцати пяти милях от побережья и рынка — все сырье должно быть доставлено на это расстояние и обратно в Нью-Йорк, что связано с огромными затратами на перевозку. Фабрики в Массачусетсе и некоторых других штатах (по крайней мере, многие из них) также расположены далеко в глубине страны; таким образом, довольно много их расположено в гористой местности Беркшира, недалеко от Питтсфилда, и есть несколько за Зелеными горами, в Вермонте. Водные привилегии в свое время были предметом больших спекуляций, а сила воды, несомненно, является самой экономичной сама по себе, но паровая энергия сильно понизила оценку, в которой когда-то находились водные привилегии, поскольку во многих отношениях она превосходит другие. , следовательно, его владения распространяются повсюду, особенно вблизи крупных рынков американской торговли. Одна из крупнейших компаний по производству муки в Рочестере, штат Нью-Йорк, — месте, известном своей гидроэнергией и мельницами для помола, — вот-вот начнет * паровое производство муки в миле от Нью-Йорка. Предприятие должно вестись в широких масштабах, и если бы использование пара не было более экономичным, чем использование энергии воды, этот проект, безусловно, никогда бы не был осуществлен; проекторы, без сомнения, посчитали стоимость. Для них, несомненно, успех других паровых мельниц в этом городе дал практическую демонстрацию экономии энергии пара по сравнению с водой, когда сырье доставляется из тех самых районов, в которых мельницы Рочестера. учредил.
Делая эти замечания, мы не хотим, чтобы нас поняли как сторонников переноса производственных предприятий из сельских районов в крупные торговые центры и полной замены водяной энергии паром в приводных машинах; Мы могли бы привести множество доводов, чтобы показать превосходство сельских мануфактурных деревень, когда-либо сдерживавших мануфактурные города. Наша цель состоит в том, чтобы обратить внимание на то, что называется «экономными первичными двигателями». Энергия воды, несомненно, намного дешевле силы пара; колесо дешевле паровой машины: оно не потребляет угля и не требует постоянного присутствия инженера или кочегара, и тем не менее мы находим некоторые производственные компании, заменяющие свою энергию воды паром. Экономия топлива в последнее время вызвала огромное количество филантропических изысканий и волнений, чтобы найти дешевую замену паровой машине, и тем не менее мы видим, что проницательные бизнесмены используют паровую машину со всеми затратами на топливо на месте. первичный двигатель, который вообще не потребляет топлива. Для этого должна быть какая-то причина; и естественный вывод состоит в том, что экономичность паровой машины полностью утвердилась благодаря ее успеху во многих мануфактурах, конкурирующих с теми, которые используют силу воды. Но кто подсчитывал затраты на использование одного вида паровой машины вместо другого для экономии топлива? мы не слышали ни слова об экономии топлива, которую можно получить в самих паровых машинах. k jn город Нью-Йорк сотни тонн
уголь выдувают в воздух каждый день, и это с такой кажущейся легкой небрежностью, как бы сказать, «экономия топлива не единственное, о чем мы заботимся». Подавляющее большинство паровых двигателей в наших городах работают под высоким давлением и без конденсации. Такую же мощность можно было бы получить с одним остановом за счет топлива, если бы вместо небольших двигателей высокого давления применялись более крупные двигатели, питаемые паром, генерируемым под высоким давлением, широко использующим его и затем конденсирующим. Мы знаем, что мы скорее занижаем, чем преувеличиваем экономию топлива, которую можно было бы получить за счет такого изменения; тем не менее мы не могли ожидать, что такое изменение будет общепринятым, поскольку другие вопросы экономии охватываются этим ведущим вопросом. один. Таким образом, потребовалось бы больше места для машин и больше затрат на двигатель, а затем потребовались бы большие затраты на конденсацию воды. Таким образом, экономия топлива — не единственный расход, на который обращают внимание фабриканты или на который должно быть направлено их исключительное внимание: «должно быть принято во внимание все обстоятельства» и тщательно оценены прибыли и убытки каждого. В местах, близких к крупным коммерческим городам, каждая производственная компания, у которой есть четверть акра земли, прикрепленной к их заводу, никогда не должна использовать двигатель высокого давления без конденсации. Рядом с заводом можно легко соорудить пруд для хранения воды для котлов и горячего колодца — эту воду можно получить с крыши завода, и ее можно использовать снова и снова в течение пятидесяти лет.