Einführung
Bis in die zweite Hälfte des 18. Jahrhunderts nutzten die Menschen hauptsächlich Wassermaschinen für den Produktionsbedarf. Da die mechanische Bewegung vom Wasserrad auf die lange Strecken unmöglich, alle Fabriken mussten an den Ufern von Flüssen gebaut werden, was nicht immer bequem war. Zudem waren für den effizienten Betrieb eines solchen Motors oft aufwendige Vorarbeiten erforderlich (Bau von Teichen, Bau von Dämmen etc.). Die Wasserräder hatten auch andere Nachteile: Sie hatten eine geringe Leistung, ihre Arbeit war saisonabhängig und schwer einzustellen. Allmählich wurde die Notwendigkeit eines grundlegend neuen Motors spürbar: leistungsstark, billig, autonom und leicht steuerbar. Die Dampfmaschine ist für ein ganzes Jahrhundert zu einer solchen Maschine geworden.
Dampfgarer mashimna- Wärmekraftmaschine externe Verbrennung Umwandeln der Energie des erhitzten Dampfes in die mechanische Arbeit der Hin- und Herbewegung des Kolbens und dann in die Drehbewegung der Welle. Im weiteren Sinne ist eine Dampfmaschine jeder externe Verbrennungsmotor, der Dampfenergie in mechanische Arbeit umwandelt.
Die Geschichte der Entwicklung von Dampfmaschinen
Die Idee einer Dampfmaschine wurde von ihren Erfindern teilweise durch die bereits in der Antike bekannte Konstruktion einer Kolbenwasserpumpe angeregt.
Das Funktionsprinzip war sehr einfach: Beim Anheben des Kolbens wurde durch ein Ventil an seiner Unterseite Wasser in den Zylinder gesaugt. Das Seitenventil, das den Zylinder mit dem Steigrohr verbindet, war zu diesem Zeitpunkt geschlossen, da auch Wasser aus diesem Rohr in den Zylinder eindringen wollte und dadurch dieses Ventil schloss. Beim Absenken des Kolbens begann er auf das Wasser im Zylinder zu drücken, wodurch das untere Ventil geschlossen und das Seitenventil geöffnet wurde. Zu diesem Zeitpunkt wurde Wasser aus dem Zylinder das Steigrohr hinaufgeführt. Bei einer Kolbenpumpe wurde die von außen aufgenommene Arbeit dafür aufgewendet, die Flüssigkeit durch den Pumpenzylinder zu bewegen. Erfinder Dampfmaschine versucht, das gleiche Design zu verwenden, aber nur in umgekehrte Richtung... Der Kolbenzylinder ist das Herz von allem Dampf Kolbenmotoren... Die ersten Dampfmaschinen waren jedoch weniger Maschinen als Dampfpumpen, mit denen Wasser aus tiefen Minen gepumpt wurde. Das Funktionsprinzip beruhte darauf, dass der Dampf nach seiner Abkühlung und Kondensation zu Wasser 170-mal weniger Platz einnahm als im erhitzten Zustand. Wenn Sie mit erhitztem Dampf Luft aus dem Gefäß verdrängen, es schließen und dann den Dampf abkühlen, ist der Druck im Gefäß viel geringer als außerhalb. Der äußere atmosphärische Druck komprimiert ein solches Gefäß, und wenn ein Kolben darin platziert wird, bewegt er sich mit größerer Kraft nach innen, je größer seine Fläche ist.
Zum ersten Mal wurde 1690 von Papen ein Modell einer solchen Maschine vorgeschlagen. Denis Papen war Huygens' Assistent und ab 1688 Professor für Mathematik an der Universität Marburg. Er hatte die Idee, die Form eines Hohlzylinders für einen atmosphärischen Motor mit einem darin bewegten Kolben zu verwenden. Papen stand vor der Aufgabe, den Kolben durch die Kraft des atmosphärischen Drucks zur Arbeit zu bringen. Im Jahr 1690 wurde im Prinzip erstellt neues Projekt Dampfmaschine. Beim Erhitzen verwandelte sich das Wasser im Zylinder in Dampf und bewegte den Kolben nach oben. Durch ein spezielles Ventil drückte der Dampf die Luft, und als der Dampf kondensierte, entstand ein verdünnter Raum; äußerer Druck drückte den Kolben nach unten. Beim Abstieg zog der Kolben ein Seil mit einer Last hinter sich her. Papen stellte den Zylinder der Maschine senkrecht, da das Zylinderventil in keiner anderen Stellung seine Funktion erfüllen konnte. Papen-Motor nützliche Arbeit schlecht ausgeführt, weil er keine kontinuierliche Aktion ausführen konnte. Um den Kolben zu zwingen, das Gewicht anzuheben, war es notwendig, die Ventilstange und den Stopfen zu manipulieren, die Flammenquelle zu bewegen und den Zylinder mit Wasser zu kühlen.
Die Verbesserung der Dampfatmosphärenmaschinen wurde von Thomas Severi fortgeführt. 1698 erfand Thomas Severi die Dampfpumpe zum Pumpen von Wasser aus Bergwerken. Sein „Freund der Bergleute“ arbeitete ohne Kolben. Wasser wurde angesaugt, indem Dampf kondensiert wurde und ein verdünnter Raum über dem Wasserspiegel im Behälter geschaffen wurde. Severi trennte den Kessel vom Behälter, in dem die Kondensation stattfand. Diese Dampfmaschine hatte einen geringen Wirkungsgrad, fand aber dennoch weit verbreitete Verwendung.
Die am weitesten verbreitete Dampfmaschine in der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts war jedoch die 1711 gebaute Dampfmaschine von Newcomen. Der Dampfzylinder befand sich bei Newcomen über dem Dampfkessel. Die Kolbenstange (mit dem Kolben verbundene Stange) wurde elastisch mit dem Ende der Ausgleichsstange verbunden. Mit dem anderen Ende des Ausgleichers war eine Pumpenstange verbunden. Der Kolben wurde durch ein Gegengewicht, das am gegenüberliegenden Ende der Ausgleichsstange befestigt war, in die obere Position gehoben. Außerdem wurde die Aufwärtsbewegung des Kolbens durch Dampf unterstützt, der zu diesem Zeitpunkt in den Zylinder eingeleitet wurde. Wenn sich der Kolben in der äußersten oberen Position befand, wurde das Ventil geschlossen, wodurch Dampf aus dem Kessel in den Zylinder eingelassen wurde, und Wasser wurde in den Zylinder eingespritzt. Unter der Wirkung dieses Wassers wurde der Dampf im Zylinder schnell abgekühlt, kondensiert und der Druck im Zylinder fiel ab. Aufgrund der erzeugten Druckdifferenz innerhalb und außerhalb des Zylinders bewegte sich der Kolben durch den atmosphärischen Druck nach unten, während er nützliche Arbeit verrichtete - er setzte den Ausgleicher in Bewegung, der die Pumpenstange bewegte. Somit wurde nur dann nützliche Arbeit geleistet, wenn sich der Kolben nach unten bewegte. Dann wurde der Dampf wieder in den Zylinder geleitet. Der Kolben hob sich wieder, und der gesamte Zylinder war mit Dampf gefüllt. Beim erneuten Versprühen von Wasser kondensierte der Dampf wieder, woraufhin der Kolben eine neue nützliche Abwärtsbewegung machte und so weiter. Tatsächlich erledigte der atmosphärische Druck in Newcomens Maschine die Arbeit, und der Dampf diente nur dazu, einen verdünnten Raum zu schaffen.
Angesichts der Weiterentwicklung der Dampfmaschine wird der Hauptnachteil der Newcomen-Maschine deutlich, der Arbeitszylinder darin war gleichzeitig ein Kondensator. Aus diesem Grund war es notwendig, den Zylinder abwechselnd zu kühlen, dann zu heizen und der Kraftstoffverbrauch erwies sich als sehr hoch. Es gab Zeiten, da waren 50 Pferde mit dem Auto unterwegs, die kaum Zeit hatten, den nötigen Treibstoff zu liefern. Der Wirkungsgrad dieser Maschine überstieg kaum 1%. Mit anderen Worten, 99 % der gesamten Heizenergie wurden nutzlos verschwendet. Trotzdem verbreitete sich diese Maschine in England, vor allem in Bergwerken, in denen Kohle billig war. Nachfolgende Erfinder führten mehrere Verbesserungen an der Newcomen-Pumpe durch. Insbesondere erfand Beighton 1718 einen selbsttätigen Kontrollmechanismus, der automatisch Dampf ein- oder ausschaltete und Wasser einließ. Außerdem fügte er dem Dampfkessel ein Sicherheitsventil hinzu.
Aber das schematische Diagramm von Newcomens Maschine blieb 50 Jahre lang unverändert, bis der Mechaniker der Universität Glasgow, James Watt, ihre Verbesserung aufnahm. In den Jahren 1763-1764 musste er ein Muster der Newcomen-Maschine reparieren, die der Universität gehörte. Watt baute ein kleines Modell davon und begann, seine Wirkung zu studieren. Dabei konnte er einige der Geräte, die der Universität gehörten, und den Rat von Professoren nutzen. All dies ermöglichte es ihm, das Problem breiter zu betrachten als viele Mechaniker vor ihm, und er war in der Lage, eine viel perfektere Dampfmaschine zu bauen.
Bei der Arbeit mit dem Modell entdeckte Watt, dass, wenn Dampf in einen gekühlten Zylinder geleitet wurde, dieser in erheblichen Mengen an seinen Wänden kondensierte. Watt wurde sofort klar, dass für mehr wirtschaftliches Arbeiten Es ist ratsam, den Zylinder ständig beheizt zu halten. Aber wie kann man in diesem Fall den Dampf kondensieren? Wochenlang überlegte er, wie man dieses Problem lösen könnte, und erkannte schließlich, dass die Kühlung des Dampfes in einem separaten Zylinder erfolgen sollte, der mit dem kurzen Hauptrohr verbunden war. Watt selbst erinnerte sich, dass er einmal während eines Abendspaziergangs an einer Waschküche vorbeikam und dann, als er Dampfwolken aus dem Fenster entweichen sah, vermutete, dass der Dampf als elastischer Körper in einen verdünnten Raum strömen sollte. Da kam ihm der Gedanke, die Newcomen-Maschine mit einem separaten Gefäß zum Kondensieren von Dampf zu ergänzen. Eine einfache Pumpe, die von der Maschine selbst angetrieben wird, könnte Luft und Wasser aus dem Kondensator entfernen, so dass dort bei jedem Hub der Maschine ein Zwischenraum entsteht.
Im Anschluss daran nahm Watt einige weitere Verbesserungen vor, wodurch das Auto die folgende Form annahm. An beiden Seiten des Zylinders waren Rohre angeschlossen: Durch den Boden trat Dampf aus dem Dampfkessel ins Innere ein, durch den oberen Teil wurde er in den Kondensator abgeleitet. Der Kondensator bestand aus zwei senkrecht stehenden Zinnrohren, die oben durch ein kurzes waagerechtes Rohr mit einer Öffnung, die durch einen Hahn verschlossen war, miteinander verbunden waren. Der Boden dieser Rohre war mit einem dritten vertikalen Rohr verbunden, das als Luftumlenkpumpe diente. Die Röhrchen, aus denen der Kühlschrank und die Luftpumpe bestanden, wurden in einen kleinen Zylinder mit kaltem Wasser gefüllt. Ein Dampfrohr wurde mit einem Kessel verbunden, aus dem Dampf in einen Zylinder abgegeben wurde. Wenn der Zylinder mit Dampf gefüllt war, wurde das Dampfventil geschlossen und der Kolben der Kondensatorluftpumpe angehoben, was zu einem stark entladenen Raum in den Kondensatorrohren führte. Der Dampf strömte in die Rohre und kondensierte dort, und der Kolben stieg auf und nahm die Last mit (so wurde die Nutzarbeit des Kolbens gemessen). Dann wurde das Auslassventil geschlossen.
In den nächsten Jahren arbeitete Watt hart daran, seinen Motor zu verbessern. An der Maschine von 1776 wurden mehrere grundlegende Verbesserungen gegenüber der Konstruktion von 1765 vorgenommen. Der Kolben wurde innerhalb des Zylinders platziert, umgeben von einem Dampfmantel (Mantel). Dies hat den Wärmeverlust minimiert. Der Deckel war oben geschlossen, während der Zylinder geöffnet war. Dampf trat aus dem Kessel durch ein Seitenrohr in den Zylinder ein. Der Zylinder war über ein Rohr mit einem Dampfablassventil mit dem Kondensator verbunden. Etwas höher als dieses Ventil und näher am Zylinder wurde ein zweites Ausgleichsventil platziert. Wenn beide Ventile geöffnet waren, füllte Dampf aus dem Kessel den gesamten Raum über und unter dem Kolben und drückte Luft durch das Rohr in den Kondensator. Beim Schließen der Ventile blieb das gesamte System im Gleichgewicht. Dann öffneten sie die untere Auslassventil den Raum unter dem Kolben vom Kondensator trennen. Dampf aus diesem Raum wurde einem Kondensator zugeführt, dort abgekühlt und kondensiert. Gleichzeitig wurde unter dem Kolben ein verdünnter Raum geschaffen und der Druck fiel ab. Von oben übte der Dampf aus dem Kessel weiter Druck aus. Unter seiner Wirkung ging der Kolben nach unten und verrichtete nützliche Arbeit, die mit Hilfe eines Balancers auf die Pumpenstange übertragen wurde. Nachdem der Kolben in seine unterste Position abgesenkt war, wurde das obere Ausgleichsventil geöffnet. Wieder füllte Dampf den Raum oberhalb und unterhalb des Kolbens. Der Flaschendruck war ausgeglichen. Unter der Wirkung eines Gegengewichts am Ende des Balancers hob sich der Kolben frei (ohne eine nützliche Arbeit zu verrichten). Dann ging der ganze Vorgang in der gleichen Reihenfolge weiter.
Obwohl diese Maschine von Watt, wie die Maschine von Newcomen, einseitig blieb, hatte sie bereits einen wichtigen Unterschied - wenn der atmosphärische Druck für Newcomen die Arbeit verrichtete, dann der Dampf für Watt. Durch die Erhöhung des Dampfdrucks war es möglich, die Motorleistung zu steigern und damit Einfluss auf den Betrieb zu nehmen. Dies beseitigte jedoch nicht den Hauptnachteil dieser Art von Maschinen - sie führten nur eine Arbeitsbewegung aus, arbeiteten ruckartig und konnten daher nur als Pumpen verwendet werden. In den Jahren 1775-1785 wurden 66 dieser Dampfmaschinen gebaut.
Polzunov begann seine Arbeit fast zeitgleich mit Watt, jedoch mit einer anderen Herangehensweise an das Motorenproblem und unter völlig anderen wirtschaftlichen Bedingungen. Polzunov begann mit einer allgemeinen energetischen Stellungnahme zum Problem des vollständigen Ersatzes von Wasserkraftwerken in Abhängigkeit von den örtlichen Gegebenheiten durch eine universelle Wärmekraftmaschine, konnte aber seine kühnen Pläne im Leibeigenen Russland nicht verwirklichen.
1763 I. I. Polzunov entwickelte ein detailliertes Projekt einer Dampfmaschine mit einer Leistung von 1,8 PS und begann 1764 zusammen mit seinen Schülern mit der Entwicklung einer "Feuermaschine". Im Frühjahr 1766 war es fast fertig. Aufgrund des flüchtigen Konsums konnte der Erfinder selbst seine Idee nicht in Aktion sehen. Die Tests der Dampfmaschine begannen eine Woche nach dem Tod von Polzunov.
Die Polzunov-Maschine unterschied sich von den damals bekannten Dampfmaschinen vor allem dadurch, dass sie nicht nur zum Heben von Wasser, sondern auch zum Antrieb von Fabrikmaschinen - Blasebalg - bestimmt war. Es war ein Auto kontinuierliche Aktion, was durch den Einsatz von zwei statt einem Zylinder erreicht wurde: Die Kolben der Zylinder bewegten sich aufeinander zu und wirkten abwechselnd auf eine gemeinsame Welle. In seinem Projekt gab Polzunov alle Materialien an, aus denen die Maschine hergestellt werden sollte, und gab auch an technologische Prozesse die während des Baus benötigt werden (Löten, Gießen, Polieren). Das Memorandum, das das Projekt skizziert, zeichnete sich nach Expertenmeinung durch die außerordentliche Klarheit des Denkens und die filigrane Genauigkeit der Berechnungen aus.
Nach der Idee des Erfinders wurde einem der beiden Zylinder Dampf aus dem Kessel der Maschine zugeführt und der Kolben in die äußerste obere Position gehoben. Danach wurde gekühltes Wasser aus dem Reservoir in den Zylinder eingespritzt, was zur Kondensation von Dampf führte. Unter dem Druck der äußeren Atmosphäre senkte sich der Kolben, während im anderen Zylinder durch den Dampfdruck der Kolben stieg. Mit Hilfe einer speziellen Vorrichtung wurden zwei Vorgänge durchgeführt - automatische Dampfzufuhr aus dem Kessel in die Zylinder und automatische Zufuhr kaltes Wasser... Riemenscheibensystem ( Spezialräder) übertragen die Bewegung von den Kolben auf die Pumpen, die das Wasser in den Behälter gepumpt haben, und auf den Blasebalg.
Parallel zur Hauptmaschine entwickelte der Erfinder viele neue Teile, Vorrichtungen und Vorrichtungen, die den Produktionsprozess stark vereinfachten. Ein Beispiel ist der von ihm entworfene Regler direkte Aktion um einen konstanten Wasserstand im Kessel aufrechtzuerhalten. Bei den Tests wurde festgestellt Schwerwiegende Mängel Motor: ungenaue Oberflächenbehandlung der verwendeten Zylinder, Lockerheit des Gebläsebalgs, Vorhandensein von Schalen in den Metallteilen usw. Diese Mängel wurden damit erklärt, dass das Produktionsniveau im Maschinenbau im Werk Barnaul noch nicht hoch war genug. Und die wissenschaftlichen Fortschritte der damaligen Zeit machten es nicht möglich, die erforderliche Kühlwassermenge genau zu berechnen. Trotzdem wurden alle Mängel behoben und im Juni 1766 wurde die Installation mit Faltenbalg erfolgreich getestet, woraufhin mit dem Bau von Öfen begonnen wurde.
Die Anhäufung neuer praktischer Erkenntnisse im 16. – 17. Jahrhundert führte zu ungeahnten Aufbrüchen des menschlichen Denkens. Wasser- und Windräder drehen Maschinen, setzen Faltenbälge in Bewegung, helfen Metallurgen, Erz aus Minen zu heben, d. Die wichtigsten Errungenschaften der damaligen Technik sind weniger den Wissenschaftlern und der Wissenschaft zu verdanken, als vielmehr der akribischen Arbeit geschickter Erfinder. Besonders groß waren die Leistungen in der Bergbautechnik, bei der Gewinnung verschiedener Erze und Mineralien. Es war notwendig, das geförderte Erz oder die Kohle aus dem Bergwerk zu heben, das Grundwasser, das die Entwicklung überflutete, ständig abzupumpen, das Bergwerk ständig mit Luft zu versorgen, und viele weitere arbeitsintensive Arbeiten waren erforderlich, um den Bergbau nicht zu stoppen. So benötigte die sich entwickelnde Industrie gebieterisch immer mehr Energie, die damals hauptsächlich von Wasserrädern bereitgestellt werden konnte. Sie haben bereits gelernt, stark genug zu bauen. Im Zusammenhang mit der Leistungssteigerung der Räder wurde für Wellen und einige andere Teile immer mehr Metall verwendet. In Frankreich baute Meister R. Salem 1682 an der Seine unter der Leitung von A. de Ville die damals größte Anlage, bestehend aus 13 Rädern mit einem Durchmesser von 8 m, die zum Antrieb von mehr als 200 Pumpen dienten lieferte Wasser bis zu einer Höhe von über 160 m und versorgte die Brunnen von Versailles und Marly mit Wasser. Die ersten Baumwollspinnereien verwendeten einen Hydraulikmotor. Die Spinnmaschinen von Arkwright waren von Anfang an wasserbetrieben. Wasserräder könnten jedoch nur an einem Fluss installiert werden, am besten vollfließend und schnell. Und wenn am Flussufer noch eine Textil- oder Metallverarbeitungsfabrik gebaut werden konnte, mussten Erzvorkommen oder Kohleflöze nur an Vorkommen erschlossen werden. Und Energie wurde auch benötigt, um das unterirdische Wasser, das die Mine überschwemmte, abzupumpen und das geförderte Erz oder die Kohle an die Oberfläche zu heben. Daher war es in Bergwerken abseits von Flüssen notwendig, nur die Kraft der Tiere zu nutzen.
Der Besitzer einer englischen Mine musste 1702 500 Pferde halten, um die Pumpen zu betreiben, die Wasser aus der Mine pumpen, was sehr unrentabel war.
Die sich entwickelnde Industrie benötigt leistungsstarke Motoren ein neuer Typ, mit dem Sie überall produzieren können. Der erste Anstoß zur Entwicklung neuer Motoren, die überall arbeiten können, egal ob ein Fluss in der Nähe ist oder nicht, war gerade der Bedarf an Pumpen und Hebebühnen in der Metallurgie und im Bergbau.
Die Fähigkeit von Dampf, mechanische Arbeit zu leisten, ist dem Menschen seit langem bekannt. Die ersten Spuren der tatsächlichen intelligenten Verwendung von Dampf in der Mechanik werden 1545 in Spanien erwähnt, als ein Marinekapitän
Blasco de Garay konstruierte eine Maschine, mit der er die seitlichen Schaufelräder des Schiffes in Bewegung setzte und die im Auftrag von Karl V. erstmals im Hafen von Barcelona beim Transport von 4.000 Zentner Fracht auf einem Schiff über drei Seemeilen in . getestet wurde zwei Stunden. Der Erfinder wurde belohnt, aber die Maschine selbst blieb unbrauchbar und geriet in Vergessenheit.
Ende des 17. Jahrhunderts wurden in den Ländern mit der am weitesten entwickelten Fertigungsindustrie Elemente der neuen Maschinentechnik aus den Eigenschaften und der Kraft des Wasserdampfs geboren.
Frühe Schöpfungsversuche Wärmekraftmaschine waren mit der Notwendigkeit verbunden, Wasser aus den Minen zu pumpen, in denen der Brennstoff gefördert wurde. 1698 schlug der Engländer Thomas Severi, ein ehemaliger Bergmann und später Kapitän der Handelsmarine, erstmals vor, Wasser mit einem Dampfwasserlift zu pumpen. Severis Patent lautete: „Diese neue Erfindung, Wasser zu fördern und mit der Antriebskraft des Feuers für alle Arten von Produktionen in Bewegung zu setzen, ist von großer Bedeutung für die Trockenlegung von Minen, die Wasserversorgung von Städten und die Erzeugung von Antriebskraft für Fabriken aller Art, die keine Wasserkraft oder die Konstante nutzen können Arbeit des Windes." Der Severi Wasserlift funktionierte nach dem Prinzip des Ansaugens von Wasser durch atmosphärischen Druck in die Kammer, wo bei der Kondensation von Dampf mit kaltem Wasser ein Vakuum erzeugt wurde. Die Dampfmaschinen von Severi waren äußerst unwirtschaftlich und unbequem im Betrieb, sie konnten nicht an den Betrieb der Maschinen angepasst werden, sie verbrauchten viel heißes Wasser, ihr Wirkungsgrad betrug nicht mehr als 0,3%. Die Nachfrage nach dem Abpumpen von Wasser aus Bergwerken war jedoch so groß, dass sich auch diese sperrigen Dampfmaschinen wie eine Pumpe einigermaßen durchsetzten.
Thomas Newcomen (1663-1729) - englischer Erfinder, Schmied von Beruf. Zusammen mit dem Tüftler J. Cowley baute er eine Dampfpumpe, deren Verbesserungsversuche ca. 10 Jahre dauerten, bis sie richtig zu funktionieren begann. Die Dampfmaschine von Newcomen war keine Universalmaschine. Newcomens Verdienst ist, dass er als einer der ersten die Idee der Verwendung von Dampf zur Erzielung mechanischer Arbeit umgesetzt hat. Sein Name trägt die Society of Technological Historians of Great Britain. Im Jahr 1711 gründeten Newcomen, Cowley und Severi die „Gesellschaft der Rechteinhaber der Erfindung einer Anlage zum Heben von Wasser durch Feuer“. Während diese Erfinder ein Patent für die "Nutzung der Kraft des Feuers" hielten, wurden alle ihre Arbeiten zur Herstellung von Dampfmaschinen streng vertraulich durchgeführt. Der Schwede Trivald, der Newcomens Maschinen einstellte, schrieb: „... die Erfinder Newcomen und Cowley waren sehr misstrauisch und achteten darauf, das Geheimnis des Bauens und der Nutzung ihrer Erfindungen für sich und ihre Kinder zu bewahren. Der spanische Gesandte am englischen Hof, der mit einem großen Gefolge von Ausländern aus London angereist war, um sich die neue Erfindung anzuschauen, durfte nicht einmal den Raum betreten, in dem sich die Autos befanden. Aber in den 20er Jahren des 18. Jahrhunderts endete das Patent und viele Ingenieure begannen mit der Herstellung von Wasserhebeanlagen. Es ist Literatur erschienen, die diese Einstellungen beschreibt.
Die Verbreitung von Universaldampfmaschinen in England zu Beginn des 19. Jahrhunderts. bestätigt die enorme Bedeutung der neuen Erfindung. Wenn für das Jahrzehnt von 1775 bis 1785. 66 Autos wurden gebaut doppeltwirkend mit einer Gesamtleistung von 1288 PS, dann von 1785 bis 1795. 144 doppeltwirkende Maschinen mit einer Gesamtleistung von 2009 PS wurden bereits erstellt, und in den nächsten fünf Jahren - von 1795 bis 1800. - 79 Autos mit einer Gesamtleistung von 1296 PS
Tatsächlich begann die industrielle Nutzung der Dampfmaschine im Jahr 1710, als die englischen Arbeiter Newcomen und Cowley erstmals eine Dampfmaschine bauten, die eine in einer Mine installierte Pumpe antreibte, um Wasser daraus zu pumpen.
Allerdings war Newcomens Maschine keine Dampfmaschine im modernen Sinne des Wortes, da die treibende Kraft darin nach wie vor nicht Wasserdampf, sondern atmosphärischer Luftdruck war. Daher wurde dieses Auto "atmosphärisch" genannt. Obwohl bei der Maschine Wasserdampf wie bei der Severi-Maschine hauptsächlich dazu diente, einen Unterdruck im Zylinder zu erzeugen, wurde hier bereits ein beweglicher Kolben vorgeschlagen - der Hauptbestandteil einer modernen Dampfmaschine.
In Abb. 4.1 zeigt den Dampflift Newcomen-Cowley. Als die Saugstange 1 und die Last 2 abgesenkt wurden, hob sich der Kolben 4 und Dampf trat durch das offene Ventil 7 aus dem Kessel 8 in den Zylinder 5 ein, dessen Druck geringfügig über dem Atmosphärendruck lag. Der Dampf diente dazu, den Kolben in einem oben offenen Zylinder teilweise anzuheben, aber seine Hauptaufgabe bestand darin, darin ein Vakuum zu erzeugen. Zu diesem Zweck wurde, als der Kolben der Maschine seine obere Position erreichte, das Ventil 7 geschlossen und kaltes Wasser aus dem Behälter 3 durch das Ventil 6 in den Zylinder eingespritzt. Der Wasserdampf kondensierte schnell und atmosphärischer Druck brachte den Kolben zum Boden des Zylinders zurück, wodurch die Saugerstange angehoben wurde. Über ein Rohr wurde Kondensat aus dem Zylinder abgeleitet9, der Kolben wurde aufgrund der Dampfzufuhr wieder angehoben und der oben beschriebene Vorgang wiederholt. Die Newcomen-Maschine ist eine Batch-Engine.
Die Newcomen-Dampfmaschine war perfekter als die Severi-Maschine, einfacher zu bedienen, sparsamer und produktiver. Die Maschinen der ersten Versionen arbeiteten jedoch sehr unwirtschaftlich, um eine Leistung von einer PS pro Stunde zu erzeugen, wurden bis zu 25 kg Kohle verbrannt, dh der Wirkungsgrad lag bei etwa 0,5%. Die Einführung der automatischen Verteilung von Dampf- und Wasserströmen vereinfachte die Wartung der Maschine, die Kolbenhubzeit wurde auf 12-16 Minuten reduziert, was die Abmessungen der Maschine reduzierte und die Konstruktion billiger machte. Trotz Hoher Verbrauch Kraftstoff verbreitete sich dieser Maschinentyp schnell. Bereits in den zwanziger Jahren des 18. Jahrhunderts arbeiteten diese Maschinen nicht nur in England, sondern auch in vielen europäischen Ländern - in Österreich, Belgien, Frankreich, Ungarn, Schweden, wurden fast ein Jahrhundert lang in der Kohleindustrie und zur Wasserversorgung von Städte. In Russland wurde 1772 in Kronstadt die erste Dampf-Atmosphären-Maschine von Newcomen installiert, um Wasser aus dem Dock zu pumpen. Die Verbreitung der Newcomen-Maschinen wird durch die Tatsache belegt, dass die letzte Maschine dieses Typs in England erst 1934 demontiert wurde.
Ivan Ivanovich Polzunov (1728–1766) war ein talentierter russischer Erfinder, der in die Familie eines Soldaten hineingeboren wurde. Im Jahr 1742 brauchte Nikita Bakharev, ein Mechaniker des Jekaterinburger Werks, scharfsinnige Studenten. Die Wahl fiel auf die vierzehnjährigen I. Polzunov und S. Cheremisinov, die noch an der Rechenschule studierten. Die theoretische Ausbildung in der Schule wich der praktischen Vertrautheit mit der Arbeit der damals modernsten Maschinen und Anlagen des Werks Jekaterinburg in Russland. 1748 wurde Polzunov nach Barnaul versetzt, um in den Werken von Kolyvano-Woskresensk zu arbeiten. Nach einem unabhängigen Studium von Büchern über Metallurgie und Mineralogie schlug Polzunov im April 1763 das Projekt einer völlig originalen Dampfmaschine vor, die sich von allen damals bekannten Maschinen dadurch unterschied, dass sie zum Antrieb des Blasebalgs ausgelegt war und eine kontinuierliche Aktionseinheit. In seinem Memo über die "Feuerlöschmaschine" vom 26. April 1763 wollte Polzunov nach seinen eigenen Worten " ... durch das Zusammenklappen der Feuermaschine die Wasserwirtschaft zu unterdrücken und für diese Fälle vollständig zu zerstören, und statt Dämme für den beweglichen Sockel der Anlage diese so zu errichten, dass sie alle sich selbst auferlegten Belastungen, die normalerweise notwendig sind für ein Feuer anfachen, zu tragen und nach Belieben, was erforderlich ist, zu korrigieren." Und dann schrieb er: "Um diese Herrlichkeit (wenn es die Kräfte erlauben) des Vaterlandes zu erreichen und damit es dem ganzen Volke zugute kommt, wegen des großen Wissens über den Gebrauch von Dingen, die diesem nicht sehr vertraut sind." Tag (wie andere Wissenschaften) in den Brauch." In Zukunft träumte der Erfinder davon, das Auto an andere Bedürfnisse anzupassen. Projekt I.I. Polzunova wurde der zaristischen Kanzlei in St. Petersburg vorgestellt. Die Entscheidung von Katharina II. war wie folgt: "Ihre kaiserliche Majestät freut sich nicht nur über ihn, Polzunov, sehr gnädig zu sein, sondern sie würdigte große Ermutigung: Willkommen Evo, Polzunov, bei den Mechanikern mit Rang und Gehalt des Hauptmanns - Leutnant, und gib ihm 400 Rubel als Belohnung" ...
Die Maschinen von Newcomen, die perfekt als Wasserhebegeräte funktionierten, konnten den dringenden Bedarf an Universalmotor... Sie ebneten nur den Weg für die Schaffung universeller kontinuierlicher Dampfmaschinen.
In der Anfangsphase der Entwicklung von Dampfmaschinen muss hervorgehoben werden „ Feuermaschine"Russischer Bergbaumeister Polzunov. Der Motor sollte die Mechanismen eines der Schmelzöfen des Werks Barnaul antreiben.
Nach Polzunovs Projekt (Abb. 4.2) wurde Dampf aus dem Kessel (1) beispielsweise in den linken Zylinder (2) geleitet, wo er den Kolben (3) in die äußerste obere Position anhob. Dann wurde ein Strom von kaltem Wasser (4) aus dem Vorratsbehälter in den Zylinder eingespritzt, was zur Kondensation von Dampf führte. Durch atmosphärischen Druck auf den Kolben senkte er sich, während im rechten Zylinder durch Dampfdruck der Kolben anstieg. Die Wasserdampfverteilung in der Polzunov-Maschine wurde von einem speziellen automatisches Gerät(5). Die kontinuierliche Arbeitskraft der Kolben der Maschine wurde auf eine auf einer Welle montierte Riemenscheibe (6) übertragen, von der die Bewegung auf eine Wasser-Dampf-Verteilungsvorrichtung, eine Speisepumpe sowie eine Arbeitswelle übertragen wurde, von der die Blasebalg angetrieben wurden.
Der Polzunov-Motor gehörte zum "atmosphärischen" Typ, aber darin führte der Erfinder zum ersten Mal die Summation der Arbeit von zwei Zylindern mit Kolben auf einer gemeinsamen Welle ein, die einen gleichmäßigeren Motorhub gewährleistete. Wenn einer der Zylinder im Leerlauf war, hatte der andere einen Arbeitshub. Die Lokomotive hatte eine automatische Dampfverteilung und war erstmals nicht direkt mit Arbeitsmaschine... I.I. Polzunov hat sein Auto unter extrem schwierigen Bedingungen mit eigenen Händen gebaut, ohne notwendige Mittel und Sondermaschinen. Er verfügte über keine geschickten Handwerker: Die Betriebsleitung ordnete Polzunov vier Studenten und zwei pensionierte Arbeiter zu. Die Axt und andere einfache Werkzeuge, die bei der Herstellung damals konventioneller Maschinen verwendet wurden, waren hier von geringem Nutzen. Polzunov musste für seine Erfindung eigenständig neue Geräte entwerfen und bauen. Der Bau einer großen Maschine, etwa 11 Meter hoch, direkt aus dem Blech, nicht einmal an einem Modell getestet, ohne Spezialisten, erforderte einen enormen Aufwand. Das Auto wurde gebaut, aber am 27. Mai 1766 I.I. Polzunov starb an flüchtigem Konsum, nachdem er keine Woche vor den Tests der "großen Maschine" gelebt hatte. Die von Polzunovs Studenten getestete Maschine selbst hat sich nicht nur bezahlt gemacht, sondern auch einen Gewinn erzielt, 2 Monate lang gearbeitet, keine weitere Verbesserung erfahren und nach einer Panne aufgegeben und vergessen. Nach der Polzunov-Maschine verging ein halbes Jahrhundert, bis Dampfmaschinen in Russland eingesetzt wurden.
Die Maschine von Newcomen wurde im Laufe des Jahrhunderts ihres Bestehens stark verbessert, blieb jedoch "atmosphärisch" und entsprach nicht den Anforderungen der schnell wachsenden Fertigungstechnologie, die die Organisation von Rotationsbewegungen mit hoher Geschwindigkeit erforderte.
Die Recherchen vieler Erfinder zielten darauf ab, dieses Ziel zu erreichen. Allein in England wurden im letzten Viertel des 18. Jahrhunderts mehr als ein Dutzend Patente für Universalmotoren verschiedener Systeme erteilt. Allerdings konnte nur James Watt der Industrie eine universelle Dampfmaschine anbieten.
Watt begann seine Arbeit an der Dampfmaschine fast gleichzeitig mit Polzunov, jedoch unter anderen Bedingungen. In England entwickelte sich zu dieser Zeit die Industrie rasant. Watt wurde tatkräftig von Bolton unterstützt, dem Besitzer mehrerer Fabriken in England, der später sein Weggefährte, das Parlament, hatte die Möglichkeit, hochqualifiziertes Ingenieurpersonal einzusetzen. Im Jahr 1769 patentierte Watt eine Dampfmaschine mit separatem Kondensator und dann die Verwendung von Dampfüberdruck in der Maschine, was den Kraftstoffverbrauch erheblich reduzierte. Watt war zu Recht der Schöpfer der Dampfkolbenmaschine.
In Abb. 4.3, ist ein Diagramm einer der ersten Dampfmaschinen von Watt. Ein Dampfkessel 1 mit einem Kolbenzylinder 3 ist durch eine Dampfleitung 2 verbunden, durch die periodisch Dampf in den oberen Hohlraum über dem Kolben 4 und in den unteren Hohlraum des Zylinders unter dem Kolben eingelassen wird. Diese Hohlräume sind über ein Rohr 5 mit dem Kondensator verbunden, in dem der Abdampf mit kaltem Wasser kondensiert und ein Vakuum erzeugt wird. Die Maschine hat eine Ausgleichsstange 6, die den Kolben mit einer Kurbelwelle mit einer Pleuelstange 7 verbindet, an deren Ende ein Schwungrad 8 angebracht ist.
Die Maschine nutzt erstmals das Prinzip der doppelten Dampfwirkung, das darin besteht, dass Frischdampf in den Zylinder der Maschine abwechselnd in die Kammern auf beiden Seiten des Kolbens eingespritzt wird. Watts Einführung des Prinzips der Dampfexpansion bestand darin, dass nur für einen Teil des Kolbenhubs Frischdampf in den Zylinder eingelassen, dann der Dampf abgeschnitten und die weitere Bewegung des Kolbens aufgrund der Expansion des Dampfes und Druckabfall.
So war bei Watts Maschine nicht der Atmosphärendruck die entscheidende Antriebskraft, sondern die Elastizität des Hochdruckdampfes, der den Kolben antreibt. Das neue Prinzip des Dampfbetriebes erforderte eine komplette Änderung des Maschinendesigns, insbesondere des Zylinders und der Dampfverteilung. Um die Dampfkondensation im Zylinder zu beseitigen, führte Watt zunächst den Dampfmantel des Zylinders ein, mit dem er begann, seine Arbeitswände mit Dampf zu beheizen, und isolierte die Außenseite des Dampfmantels. Da Watt nicht nutzen konnte Kurbelmechanismus(für eine solche Übertragung erhielt der französische Erfinder Picard ein Schutzpatent), dann ließ er sich 1781 fünf Methoden zur Umwandlung einer Schwingbewegung in eine kontinuierliche Rotation patentieren. Anfangs benutzte er dazu ein Planeten- oder Sonnenrad. Schließlich führte Watt einen Zentrifugaldrehzahlregler ein, um die dem Zylinder der Maschine zugeführte Dampfmenge bei sich ändernder Drehzahl zu ändern. So legte Watt in seiner Dampfmaschine die Grundprinzipien des Aufbaus und der Funktionsweise der modernen Dampfmaschine fest.
Watts Dampfmaschinen arbeiteten mit gesättigtem Niederdruckdampf von 0,2–0,3 MPa bei niedrigen Drehzahlen. Auf diese Weise modifizierte Dampfmaschinen gaben hervorragende Ergebnisse durch eine mehrfache Senkung des Kohleverbrauchs pro PS/h (PS pro Stunde) im Vergleich zu Newcomens Maschinen, und verdrängte das Wasserrad aus dem Bergbau. Mitte der 80er Jahre des 18. Jahrhunderts. schließlich wurde die Konstruktion der Dampfmaschine entwickelt, und die doppeltwirkende Dampfmaschine wurde zu einer universellen Wärmemaschine, die in fast allen Wirtschaftsbereichen vieler Länder breite Anwendung gefunden hat. Im 19. Jahrhundert verbreiteten sich Grubenhebedampfkraftwerke, Dampfkraftgebläse, Walzdampfkraftwerke, Dampfhämmer, Dampfpumpen usw.
Weitere Effizienzsteigerung Das Dampfkraftwerk wurde von Watts Zeitgenosse Arthur Wolff in England realisiert, indem er mehrere Dampfexpansionen nacheinander in 2, 3 und sogar in 4 Schritten einführte, während der Dampf von einem Zylinder der Maschine zum anderen überging.
Der Verzicht auf den Balancer und der Einsatz von mehrfacher Dampfexpansion führten zur Entstehung neuer konstruktiver Maschinenformen. Doppelexpansionsmotoren begannen die Form von zwei Zylindern anzunehmen - einem Hochdruckzylinder (HPC) und einem Niederdruckzylinder (LPC), die den Abdampf nach dem HPC erhielten. Die Zylinder befanden sich entweder horizontal (Verbundmaschine, Abb. 4.4, a) oder in Reihe, wenn beide Kolben auf einer gemeinsamen Stange sitzen (Tandemmaschine, Abb. 4.4, b).
Großer Wert für die Verbesserung der Effizienz. Mitte des 19. Jahrhunderts begannen Dampfmaschinen mit Heißdampf mit einer Temperatur von bis zu 350 ° C, wodurch der Kraftstoffverbrauch auf 4,5 kg pro PS / h gesenkt werden konnte. Die Verwendung von überhitztem Dampf wurde erstmals von dem französischen Wissenschaftler G.A. Mädchen.
George Stephenson (1781–1848) wurde in eine Arbeiterfamilie hineingeboren und arbeitete in den Kohleminen von Newcastle, wo auch sein Vater und Großvater arbeiteten. Er machte viel Autodidaktik, studierte Physik, Mechanik und andere Wissenschaften, interessierte sich für erfinderische Tätigkeit. Stephensons herausragende Fähigkeiten führten ihn in die Position des Mechanikers, und 1823 wurde er zum Chefingenieur des Unternehmens für den Bau der ersten Eisenbahn berufen. allgemeiner Gebrauch Stockton-Darlington; dies eröffnete ihm große möglichkeiten für gestalterisches und erfinderisches arbeiten.
In Russland wurden die ersten Dampflokomotiven von den russischen Mechanikern und Erfindern Cherepanov gebaut - Efim Alekseevich (Vater, 1774-1842) und Miron Efimovich (Sohn, 1803-1849), die in den Nizhniy Tagil-Fabriken und ehemaligen Leibeigenen der Demidov-Züchter arbeiteten . Durch Autodidakt wurden die Tscherepanows zu gebildeten Menschen, sie besuchten Fabriken in St. Petersburg und Moskau, England und Schweden. Für erfinderische Tätigkeit erhielten Miron Cherepanov und seine Frau 1833 freie Freiheit. Efim Cherepanov und seine Frau wurden 1836 freigelassen. Die Cherepanovs schufen etwa 20 verschiedene Dampfmaschinen, die in den Fabriken von Nischni Tagil arbeiteten.
Hoher Dampfdruck für Dampfmaschinen wurde erstmals von Oliver Evans in Amerika angewendet. Dies führte zu einer weiteren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von bis zu 3 kg pro PS/h. Später begannen die Konstrukteure von Dampflokomotiven, Mehrzylinder-Dampfmaschinen, Überdruckdampf und eine Umkehrvorrichtung zu verwenden.
Im 18. Jahrhundert. es gab einen durchaus verständlichen Wunsch, die Dampfmaschine im Land- und Wassertransport einzusetzen. Bei der Entwicklung von Dampfmaschinen wurde eine eigenständige Richtung von Lokomotiven - mobilen Dampfkraftwerken - eingeschlagen. Die erste Anlage dieser Art wurde vom englischen Baumeister John Smith entwickelt. Tatsächlich begann die Entwicklung des Dampftransports mit dem Einbau von Rauchrohren in Flammrohrkessel, die deren Dampfproduktion erheblich steigerten.
Es wurden viele Versuche unternommen, Dampflokomotiven zu entwickeln - Dampflokomotiven, Arbeitsmodelle wurden gebaut (Abb. 4.5, 4.6). Davon sticht die 1825 gebaute Dampflokomotive „Raketa“ des talentierten englischen Erfinders George Stephenson (1781-1848) hervor (siehe Abb. 4.6, a, b).
Die Rocket war nicht die erste von Stephenson entworfene und gebaute Dampflokomotive, aber diese übertraf andere in vielerlei Hinsicht und wurde auf einer Sonderausstellung in Reyhill als beste Lokomotive ausgezeichnet und für die neue Liverpool-Manchester-Eisenbahn empfohlen, die damals zu ein vorbildliches. 1823 organisierte Stephenson das erste Dampflokomotivwerk in Newcastle. 1829 wurde in England ein Wettbewerb für die beste Dampflokomotive veranstaltet, dessen Sieger die J. Stephenson-Maschine wurde. Seine auf Basis eines Rauchrohrkessels entwickelte Dampflokomotive Raketa mit einer Zugmasse von 17 Tonnen erreichte eine Geschwindigkeit von 21 km/h. Später wurde die Geschwindigkeit der „Rakete“ auf 45 km/h erhöht.
Eisenbahnen begannen im 18. Jahrhundert zu spielen. eine große Rolle. Die erste Personeneisenbahn in Russland mit einer Länge von 27 km wurde 1837 von ausländischen Unternehmern zwischen St. Petersburg und Pawlowsk auf Beschluss der zaristischen Regierung gebaut. Die zweigleisige Eisenbahnstrecke St. Petersburg-Moskau wurde 1851 in Betrieb genommen.
1834 bauten Vater und Sohn der Cherepanovs die erste russische Dampflokomotive (siehe Abb. 4.6, c, d), die eine Last von 3,5 Tonnen mit einer Geschwindigkeit von 15 km / h transportierte. Nachfolgende Dampflokomotiven transportierten Fracht mit einem Gewicht von 17 Tonnen.
Versuche, die Dampfmaschine im Wassertransport einzusetzen, wurden seit Anfang des 18. Jahrhunderts unternommen. So ist beispielsweise bekannt, dass der französische Physiker D. Papin (1647–1714) ein von einer Dampfmaschine angetriebenes Boot baute. Es stimmt, Papen hatte in dieser Angelegenheit keinen Erfolg.
Das Problem wurde gelöst Amerikanischer Erfinder Robert Fulton (1765–1815) wurde in Little Briton (heute Fulton), Pennsylvania geboren. Es ist merkwürdig, dass die ersten großen Erfolge bei der Herstellung von Dampfmaschinen für die Industrie, die Eisenbahn und den Wasserverkehr zu verzeichnen waren talentierte Menschen die Wissen durch Selbstbildung erworben haben. Fulton war in dieser Hinsicht keine Ausnahme. Später Maschinenbauingenieur, Fulton, der aus einer armen Familie stammte, war zunächst viel Autodidakt. Fulton lebte in England, wo er sich mit dem Bau von Wasserbauwerken und der Lösung einer Reihe anderer technischer Probleme beschäftigte. In Frankreich (in Paris) baute er das U-Boot "Nautilus" und ein Dampfschiff, das auf der Seine getestet wurde. Aber das war alles erst der Anfang.
Ein richtiger Erfolg gelang Fulton 1807: Als er nach Amerika zurückkehrte, baute er den 15-Tonnen-Raddampfer Claremont, der von einer 20-Liter-Dampfmaschine angetrieben wurde. mit., die im August 1807 den ersten Flug von New York nach Albany mit einer Länge von etwa 280 km unternahm.
Die Weiterentwicklung der Reederei, sowohl auf dem Fluss als auch auf dem Meer, ging ziemlich schnell. Dies wurde durch den Übergang von Holz- zu Stahlkonstruktionen von Schiffen, eine Erhöhung der Leistung und Geschwindigkeit von Dampfmaschinen, die Einführung eines Propellers und eine Reihe anderer Faktoren erleichtert.
Mit der Erfindung der Dampfmaschine lernte der Mensch, im Brennstoff konzentrierte Energie in Bewegung, in Arbeit umzuwandeln.
Die Dampfmaschine ist eine der ganz wenigen Erfindungen in der Geschichte, die das Weltbild dramatisch verändert, die Industrie, den Verkehr revolutioniert und den Anstoß zu einem neuen wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn gegeben hat. Während des 19. Jahrhunderts war er ein vielseitiger Motor für Industrie und Verkehr, doch seine Leistungsfähigkeit entsprach nicht mehr den Anforderungen an die Motoren, die im Zusammenhang mit dem Kraftwerksbau und dem Einsatz von Mechanismen mit hohen Drehzahlen Ende des 19. Jahrhunderts auftraten.
Anstelle einer langsam laufenden Dampfmaschine tritt als neue Wärmekraftmaschine eine schnelllaufende Turbine mit höherem Wirkungsgrad in die technische Arena ein.
Watt, James (1736-1819), schottischer Ingenieur und Erfinder. Geboren am 19. Januar 1736 in Greenock bei Glasgow (Schottland) in eine Kaufmannsfamilie. Watt hat aus gesundheitlichen Gründen nicht viel studiert, aber viel selbst gelernt. Als Teenager liebte er Astronomie, chemische Experimente, lernte alles mit eigenen Händen und verdiente sich sogar den Titel „Alleskönner“ von seinen Mitmenschen.
Die meisten Leute halten ihn für den Erfinder der Dampfmaschine, aber das stimmt nicht ganz.
Dampfmaschinen von D. Papen, T. Severi, I. Polzunov, T. Newcomen begannen lange vor D. Watt in Minen zu arbeiten. Sie unterschieden sich strukturell, aber die Hauptsache war, dass die Bewegung des Kolbens durch abwechselndes Erwärmen und Abkühlen des Arbeitszylinders verursacht wurde. Aus diesem Grund waren sie langsam und verbrauchten viel Kraftstoff.
Am 19. Januar 1736 wurde James Watt geboren (James Watt, 1736-1819), ein herausragender schottischer Ingenieur und Erfinder, der vor allem als Schöpfer einer verbesserten Dampfmaschine bekannt war. In der Geschichte der Intensivmedizin hinterließ er jedoch mit seiner Zusammenarbeit mit dem „Pneumatic Medical Institute“ Thomas Beddo (Beddoes, Thomas, 1760-1808) leuchtende Spuren. James Watt versorgte die Labore des Instituts mit der notwendigen Ausrüstung. Dank seiner Beteiligung wurden am Pneumatischen Institut die ersten Inhalatoren, Spirometer, Gaszähler etc. entwickelt und getestet.
James Watt selbst sowie seine Frau und einer seiner Söhne haben wiederholt an wissenschaftlichen Experimenten teilgenommen. "Pneumatisches Institut" ist zu einem echten geworden wissenschaftliches Zentrum, in dem die Eigenschaften verschiedener Gase und deren Wirkung auf den menschlichen Körper untersucht wurden. Man kann sagen, dass Thomas Beddo und seine Mitarbeiter die Pioniere und Wegbereiter der modernen Atemtherapie waren. Leider glaubte Thomas Beddoe fälschlicherweise, dass Tuberkulose durch überschüssigen Sauerstoff verursacht wird.
Deshalb unterzog sich James Watts Sohn Gregory im Pneumatischen Institut einer völlig nutzlosen Behandlung mit eingeatmetem Kohlendioxid. Am Pneumatischen Institut wurde Sauerstoff jedoch erstmals zu therapeutischen Zwecken eingesetzt; die Grundlagen der Aerosoltherapie wurden entwickelt; erstmals wurde die gesamte Lungenkapazität nach der Methode der Wasserstoffverdünnung (G. Davy) usw. gemessen. Der Höhepunkt der Zusammenarbeit zwischen Watt und Beddo zur therapeutischen Verwendung verschiedener Gase war ihr gemeinsames Buch Materials on the Medical Use of Artificial Varieties of Air, das in zwei Auflagen (1794, 1795) veröffentlicht wurde und das erste spezielle Lehrbuch über Sauerstoff Therapie.
Im Jahr 1755 ging Watt nach London, um Mechanik und Hersteller von mathematischen und astronomischen Instrumenten zu studieren. Nachdem er ein siebenjähriges Studium in einem Jahr absolviert hatte, kehrte Watt nach Schottland zurück und bekam eine Stelle als Mechaniker an der University of Glasgow. Gleichzeitig eröffnete er seine eigene Reparaturwerkstatt.
An der Universität traf Watt den großen schottischen Chemiker Joseph Black (1728-1799), der 1754 Kohlendioxid entdeckte. Dieses Treffen trug zur Entwicklung einer Reihe neuer chemischer Geräte bei, die für Blacks weitere Forschungen benötigt werden, wie zum Beispiel das Eiskalorimeter. Zu dieser Zeit beschäftigte sich Joseph Black mit dem Problem der Bestimmung der Verdampfungswärme, und Watt war an der Bereitstellung beteiligt technische Seite Experimente.
1763 wurde er als Universitätsmechaniker beauftragt, das Universitätsmodell der Dampfmaschine von T. Newcomen zu reparieren.
Ein kleiner Exkurs in die Entstehungsgeschichte von Dampfmaschinen soll hier gemacht werden. Einst wurde uns in der Schule beigebracht, "Großmachtchauvinismus" zu vermitteln, dass die Dampfmaschine von dem russischen Leibeigenenmechaniker Ivan Polzunov erfunden wurde und nicht von irgendeinem James Watt, dessen Rolle bei der Herstellung von Dampfmaschinen manchmal in der " falsch" mit patriotischer Sicht der Bücher. Tatsächlich aber ist der Erfinder der Dampfmaschine nicht Ivan Polzunov oder James Watt, sondern der englische Ingenieur Thomas Newcomen (1663-1729).
Der erste Versuch, Dampf in den Dienst des Menschen zu stellen, wurde in England bereits 1698 von dem Militäringenieur Thomas Savery (1650?-1715) unternommen. Er schuf einen Dampflift zum Entleeren von Minen und zum Pumpen von Wasser und wurde zum Prototyp einer Dampfmaschine.
Saverys Maschine funktionierte wie folgt: Zuerst wurde ein geschlossener Tank mit Dampf gefüllt, dann wurde die Außenfläche des Tanks mit kaltem Wasser gekühlt, wodurch der Dampf kondensiert wurde, und im Tank wurde ein Unterdruck erzeugt. Danach wurde Wasser, zum Beispiel aus dem Grubenboden, durch das Ansaugrohr in den Tank gesaugt und nach dem Einblasen der nächsten Dampfmenge durch das Abgasrohr ausgestoßen. Dann wurde der Zyklus wiederholt, aber das Wasser konnte nur aus einer Tiefe von weniger als 10,36 m angehoben werden, da es in Wirklichkeit durch den atmosphärischen Druck herausgedrückt wurde.
Diese Maschine war nicht sehr erfolgreich, aber sie führte Papen auf die zündende Idee, Schießpulver durch Wasser zu ersetzen. Und 1698 baute er eine Dampfmaschine (im selben Jahr baute auch der Engländer Savery seine „Feuerwehr“). Das Wasser wurde in einem vertikalen Zylinder mit einem Kolben darin erhitzt und der entstehende Dampf drückte den Kolben nach oben. Beim Abkühlen und Kondensieren des Dampfes wurde der Kolben durch atmosphärischen Druck nach unten gedrückt. Somit könnte die Papen-Maschine durch ein System von Blöcken verschiedene Mechanismen, beispielsweise Pumpen, antreiben.
Der englische Erfinder Thomas Newcomen (1663 - 1729), der oft die Minen in West Country besuchte, wo er als Schmied arbeitete, kannte die Dampfmaschinen von Savery und Papen und verstand daher gut, wie zuverlässige Pumpen erforderlich sind, um Überschwemmungen zu verhindern von Minen. Er tat sich mit dem Klempner und Glaser John Callie zusammen, um ein besseres Modell zu bauen. Ihre erste Dampfmaschine wurde 1712 in einem Kohlebergwerk in Staffordshire installiert.
Wie bei der Papen-Maschine bewegte sich der Kolben in einem vertikalen Zylinder, aber im Großen und Ganzen war die Maschine von Newcomen viel ausgefeilter. Um den Spalt zwischen Zylinder und Kolben zu beseitigen, befestigte Newcomen am Ende des Kolbens eine flexible Lederscheibe und goss etwas Wasser darauf.
Dampf aus dem Kessel trat in den Boden des Zylinders ein und hob den Kolben an. Beim Einspritzen von kaltem Wasser in den Zylinder kondensierte der Dampf, es bildete sich im Zylinder ein Vakuum und der Kolben sank unter dem Einfluss des Atmosphärendrucks ab. Dieser Rückhub entfernte das Wasser aus dem Zylinder und hob über eine Kette, die mit einer Schwinge verbunden war, die sich wie eine Schaukel bewegte, die Pumpenstange nach oben. Als der Kolben am unteren Ende seines Hubs war, trat wieder Dampf in den Zylinder ein und mit Hilfe eines an der Pumpenstange oder an der Wippe befestigten Gegengewichts wurde der Kolben in seine ursprüngliche Position gehoben. Danach wurde der Zyklus wiederholt.
Das Auto von Newcomen erwies sich für die damalige Zeit als äußerst erfolgreich und wurde über 50 Jahre in ganz Europa eingesetzt. Es wurde verwendet, um Wasser aus zahlreichen Minen in Großbritannien zu pumpen. Es war das erste Großprodukt der Technikgeschichte (mehrere tausend Stück wurden produziert).
Im Jahr 1740 verrichtete eine Maschine mit einem Zylinder von 2,74 m Länge und 76 cm Durchmesser an einem Tag die Arbeit, die Teams von 25 Personen und 10 Pferden im Schichtbetrieb in einer Woche verrichteten.
1775 noch mehr großes Auto, gebaut von John Smeaton (Schöpfer des Eddystone Lighthouse), hat in zwei Wochen ein Dock in Kronstadt (Russland) trockengelegt. Früher dauerte es mit dem Einsatz von hohen Windmühlen ein ganzes Jahr.
Und doch war Newcomens Auto alles andere als perfekt. Sie wandelte nur ca. 1 % der Wärmeenergie in mechanische Energie um und verbrauchte dadurch enorm viel Brennstoff, was aber beim Einsatz der Maschine in Kohlebergwerken keine Rolle spielte.
Im Allgemeinen spielten die Maschinen von Newcomen eine große Rolle beim Erhalt der Kohleindustrie. Mit ihrer Hilfe konnte in vielen überfluteten Bergwerken der Kohleabbau wieder aufgenommen werden.
Über Newcomens Erfindung können wir sagen, dass es sich tatsächlich um eine Dampfmaschine handelte, oder besser gesagt um eine Dampf-Atmosphären-Maschine. Es unterschied sich von früheren Prototypen von Dampfmaschinen durch Folgendes:
* die treibende Kraft darin war der atmosphärische Druck, und die Verdünnung wurde während der Kondensation von Dampf erreicht;
* im Zylinder befand sich ein Kolben, der unter Dampfeinwirkung einen Arbeitshub ausführte;
* Vakuum wurde durch Dampfkondensation beim Einspritzen von kaltem Wasser in den Zylinder erreicht.
Der Erfinder der Dampfmaschine ist daher mit Recht der Engländer Thomas Newcomen, der 1712 (ein halbes Jahrhundert vor Watt) seine atmosphärische Dampfmaschine entwickelte.
Bei einem kurzen Ausflug in die Geschichte der Herstellung von Dampfmaschinen kann man die Persönlichkeit unseres hervorragenden Landsmanns Ivan Ivanovich Polzunov (1729-1766) nicht ignorieren, der früher als James Watt eine Dampf-Atmosphärenmaschine baute. Als Mechaniker in den Bergbaubetrieben Kolyvano-Voskresensk im Altai schlug er am 25. April 1763 ein Projekt und eine Beschreibung einer "Feuermaschine" vor. Das Projekt landete auf dem Tisch des Werksleiters, der es genehmigte und nach St. Petersburg schickte, von wo aus bald die Antwort kam: "... Diese Erfindung von ihm für eine neue Erfindung soll gewürdigt werden."
Polzunov schlug vor, am Anfang zu bauen kleines Auto, auf der alle Nachteile, die bei einer neuen Erfindung unvermeidlich sind, erkannt und beseitigt werden könnten. Die Fabrikchefs waren damit nicht einverstanden und beschlossen, sofort eine riesige Maschine für ein leistungsstarkes Gebläse zu bauen. Im April 1764 begann Polzunov mit dem Bau einer Maschine, die 15 Mal stärker war als das Projekt von 1763.
Die Idee einer atmosphärischen Dampfmaschine entnahm er dem Buch von I. Schlatter "Eine ausführliche Anleitung zum Erzgeschäft ..." (St. Petersburg, 1760).
Aber der Polzunov-Motor unterschied sich grundlegend von den englischen Autos von Svery und Newcomen. Diese waren Einzylinder und nur zum Pumpen von Wasser aus Minen geeignet. Der Zweizylinder-Durchgangsmotor von Polzunov könnte den Ofen mit Wind versorgen und Wasser abpumpen. In Zukunft hoffte der Erfinder, es für andere Bedürfnisse anpassen zu können.
Der Bau der Maschine wurde Polzunov anvertraut, der von "denen, die es nicht wissen, aber nur eine Neigung dazu haben, die zwei lokale Handwerker haben", und sogar mehreren Hilfskräften unterstützt wurde. Mit diesem "Personal" begann Polzunov, sein eigenes Auto zu bauen. Der Bau dauerte ein Jahr und neun Monate. Als die Maschine bereits die erste Prüfung bestanden hatte, erkrankte der Erfinder an vorübergehendem Schwinden und starb am 16. (28) Mai 1766, wenige Tage vor den letzten Prüfungen.
Am 23. Mai 1766 begannen allein Polzunows Schüler Levzin und Chernitsyn zu letzte Tests Dampfmaschine. In der "Tagesnotiz" vom 4. Juli wurde vermerkt, dass "der Maschinenbetrieb in Ordnung war", und am 7. August 1766 wurde die gesamte Anlage, eine Dampfmaschine und ein leistungsstarkes Gebläse, in Betrieb genommen. In nur drei Monaten des Betriebs rechtfertigte das Auto von Polzunov nicht nur alle Baukosten in Höhe von 7233 Rubel 55 Kopeken, sondern erzielte auch einen Nettogewinn von 12.640 Rubel 28 Kopeken. Am 10. November 1766 stand die Maschine jedoch nach dem Ausbrennen des Kessels 15 Jahre, 5 Monate und 10 Tage im Leerlauf. 1782 wurde das Auto demontiert. (Encyclopedia of Altai Territory. Barnaul. 1996. T. 2. S. 281-282; Barnaul. Chronik der Stadt. Barnaul. 1994. h. 1.S.30).
Zur gleichen Zeit arbeitete James Watt auch in England an der Entwicklung einer Dampfmaschine. 1763 wurde er als Universitätsmechaniker beauftragt, das Universitätsmodell der Dampfmaschine von T. Newcomen zu reparieren.
Beim Debuggen des Universitätsmodells der Dampfatmosphärenmaschine von T. Newcomen war Watt von der geringen Effizienz solcher Maschinen überzeugt. Er hatte die Idee, die Parameter der Dampfmaschine zu verbessern. Für ihn war klar, dass der Hauptnachteil der Newcomen-Maschine die abwechselnde Erwärmung und Kühlung des Zylinders war. Wie können wir das vermeiden? Die Antwort kam Watt an einem Frühlingssonntagnachmittag im Jahr 1765. Er erkannte, dass ein Zylinder die ganze Zeit heiß bleiben konnte, wenn der Dampf vor der Kondensation durch eine Ventilleitung in einen separaten Tank abgelassen wurde. In diesem Fall soll die Verlagerung des Dampfkondensationsprozesses außerhalb des Zylinders helfen, den Dampfverbrauch zu reduzieren. Außerdem kann der Speicher heiß und der Verflüssiger kalt bleiben, wenn die Außenseite mit Wärmedämmmaterial abgedeckt wird.
Die von Watt vorgenommenen Verbesserungen an der Dampfmaschine (Fliehkraftregler, separater Dampfkondensator, Dichtungen usw.) steigerten nicht nur die Effizienz der Maschine, sondern machten aus der Dampf-Atmosphärenmaschine schließlich eine Dampfmaschine und vor allem die Maschine wurde leicht steuerbar.
1768 meldete er seine Erfindung zum Patent an. 1769 erhielt er ein Patent, aber es dauerte lange, bis er eine Dampfmaschine baute. Und erst 1776 wurde Watts Dampfmaschine mit finanzieller Unterstützung von Dr. Rebeck, dem Gründer des ersten Hüttenwerks Schottlands, endlich gebaut und erfolgreich getestet.
Es stellte sich heraus, dass Watts erstes Auto verdoppelt wurde effizienter als eine Maschine Neuling. Interessanterweise basierte die Entwicklung, die Newcomens ursprünglicher Erfindung folgte, auf dem Konzept der "Leistung" des Motors, was die Anzahl der Pfunde Wasser bedeutete, die pro Scheffel Kohle gepumpt wurden. Wem die Idee dieser Einheit gehörte, ist heute unbekannt. Diese Person ging nicht in die Geschichte der Wissenschaft ein, aber wahrscheinlich war es ein hartgesottener Minenbesitzer, der bemerkte, dass einige Motoren effizienter arbeiteten als andere und eine hohe Produktionsrate in einer nahegelegenen Mine nicht zulassen konnten.
Und obwohl die Tests der Maschine erfolgreich waren, während ihrer weitere Ausbeutung Es stellte sich heraus, dass Watts erstes Modell nicht ganz erfolgreich war, und die Zusammenarbeit mit Rebecque wurde unterbrochen. Trotz Geldmangels arbeitete Watt weiter an der Verbesserung der Dampfmaschine. Seine Arbeit interessierte Matthew Boulton, einen Ingenieur und wohlhabenden Fabrikanten, der eine Metallverarbeitungsfabrik in Soho in der Nähe von Birmingham besaß. 1775 schlossen Watt und Boulton einen Partnerschaftsvertrag.
1781 erhielt James Watt ein Patent für die Erfindung des zweiten Modells seiner Maschine. Zu den Neuerungen, die darin und in nachfolgenden Modellen eingeführt wurden, gehörten:
* ein doppeltwirkender Zylinder, bei dem abwechselnd Dampf auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens zugeführt wurde, während der verbrauchte Dampf in den Kondensator eintrat;
* einen Flammenmantel, der den Arbeitszylinder umgibt, um Wärmeverluste zu reduzieren, und eine Spule;
* Umwandlung der Hubbewegung des Kolbens in die Drehbewegung der Welle, zuerst mittels Pleuel-Kurbel-Mechanismus, dann mittels Zahnradgetriebe, welches der Prototyp war Planetengetriebe;
* ein Fliehkraftregler zur Aufrechterhaltung einer konstanten Drehzahl der Welle und ein Schwungrad zur Reduzierung der ungleichmäßigen Drehung.
1782 wurde diese bemerkenswerte Maschine gebaut, die erste universelle "doppeltwirkende" Dampfmaschine. Watt stattete den Zylinderkopf mit einer kurz zuvor erfundenen Öldichtung aus, die für eine freie Bewegung der Kolbenstange sorgte, aber das Entweichen von Dampf aus dem Zylinder verhinderte. Dampf trat abwechselnd von einer Seite des Kolbens und dann von der anderen in den Zylinder ein und erzeugte ein Vakuum mit gegenüberliegende Seite Zylinder. Daher machte der Kolben mit Hilfe von Dampf sowohl Arbeits- als auch Rückwärtshübe, der nicht in alte Autos.
Darüber hinaus führte James Watt 1782 das Expansionsprinzip ein, bei dem der Dampfstrom zu Beginn seines Durchflusses in einem Zylinder aufgeteilt wurde, sodass er den Rest des Kreislaufs unter seinem eigenen Druck expandierte. Expansionsmaßnahmen bedeuten einen gewissen Leistungsverlust, aber einen Gewinn an "Produktivität". Von all diesen Ideen von Watt war die Idee der expansiven Aktion die nützlichste. Bei der weiteren praktischen Umsetzung hat es sehr geholfen Indikatordiagramm, geschaffen um 1790 von Watts Assistenten James Southern.
Das Messgerät war ein Schreiber, der am Motor angebracht werden konnte, um den Druck im Zylinder als Funktion der bei einem bestimmten Hub zugeführten Dampfmenge zu notieren. Die Fläche unter einer solchen Kurve war ein Maß für die in einem gegebenen Taktzyklus geleistete Arbeit. Der Indikator wurde verwendet, um den Motor so effizient wie möglich abzustimmen. Genau dieses Diagramm wurde später Teil des berühmten Carnot-Zyklus (Sadi Carnot, 1796-1832) in der theoretischen Thermodynamik.
Da bei einer doppeltwirkenden Dampfmaschine die Kolbenstange zog und drückte, musste der alte Ketten-Wipp-Antrieb, der nur auf Zug reagierte, neu konstruiert werden. Watt entwickelte ein gekoppeltes Gestängesystem und setzte einen Planetenmechanismus ein, um die Hin- und Herbewegung der Kolbenstange in eine Drehbewegung umzuwandeln, wobei ein schweres Schwungrad, ein Fliehkraftregler, ein Tellerventil und ein Manometer zur Messung des Dampfdrucks verwendet wurden.
Die universelle, doppeltwirkende Dampfmaschine mit kontinuierlicher Rotation (Watt Steam Engine) fand breite Anwendung und spielte eine bedeutende Rolle bei der Umstellung auf Maschinenfertigung.
Die von James Watt patentierte "Rotationsdampfmaschine" wurde zunächst zum Antrieb von Maschinen und Drehmaschinen in Spinnereien und Webereien, später auch in anderen Industriebetrieben eingesetzt. Dies führte zu einem starken Anstieg der Arbeitsproduktivität. Von diesem Moment an begannen die Briten, den Beginn der großen industriellen Revolution zu zählen, die England an eine führende Position in der Welt brachte.
Der Motor von James Watt war für jede Maschine geeignet, und die Erfinder der selbstfahrenden Mechanismen nutzten dies schnell aus. So kam die Dampfmaschine zum Transport (Fultons Dampfer, 1807; Stephensons Dampflokomotive, 1815). Dank des Transportmittelvorsprungs wurde England zur führenden Macht der Welt.
1785 patentierte Watt die Erfindung eines neuen Kesselofens, und im selben Jahr wurde eine von Watts Maschinen in London in der Samuel Whitbread Brauerei installiert, um Malz zu mahlen. Die Maschine verrichtete Arbeit anstelle von 24 Pferden. Sein Zylinderdurchmesser betrug 63 cm, der Kolbenhub 1,83 m und der Schwungraddurchmesser 4,27 m Das Auto hat sich bis heute erhalten und ist heute im Powerhouse Museum in Sydney in Aktion zu sehen.
Boulton & Watt, gegründet 1775, hat alle Wechselfälle des Lebens erlebt, von der sinkenden Nachfrage nach seinen Produkten bis hin zur Verteidigung des Erfindungsrechts vor Gericht. Doch seit 1783 ging das Geschäft dieser Firma, die die Produktion von Dampfmaschinen monopolisiert hatte, steil bergauf. So wurde James Watt ein sehr wohlhabender Mann, und die Hilfeleistung für das "Pneumatic Medical Institute" Thomas Beddo (Beddoes, Thomas, 1760-1808), mit dem er zu dieser Zeit zu kooperieren begann, leistete Watt sehr, sehr bedeutsam.
Trotz seiner intensiven Tätigkeit in der Entwicklung von Dampfmaschinen trat Watt erst 1800 von seiner Position an der Universität Glasgow zurück. Acht Jahre nach seiner Pensionierung richtete er den "Watt-Preis" für die besten Studenten und Lehrer der Universität ein. Das technische Labor der Universität, in dem er seine Karriere begann, trug seinen Namen. Der Name James Watt ist auch ein College in Greenock (Schottland), der Heimatstadt des Erfinders.
Die Entwicklung der Dampfmaschine von J. Watt
1774 Dampf
Sumpfpumpe 1781 Dampfmaschine
mit einem Drehmoment auf der Welle 1784 Dampfmaschine
Doppelwirkung mit KShM
Es ist interessant, dass Watt einmal eine solche Einheit als "PS" als Leistungseinheit vorgeschlagen hat. Diese Maßeinheit hat sich bis heute erhalten. Aber in England, wo Watt als Pionier der Industriellen Revolution verehrt wird, hat man sich anders entschieden. Im Jahr 1882 beschloss die British Association of Engineers, es eine Einheit der Macht zu nennen. Jetzt ist der Name von James Watt auf jeder Glühbirne zu lesen. Dies war der erste Fall in der Technikgeschichte, in dem einer Maßeinheit ein Eigenname zugewiesen wurde. Von diesem Fall aus begann die Tradition, Maßeinheiten Eigennamen zuzuordnen.
Watt lebte langes Leben und starb am 19. August 1819 in Heathfield bei Birmingham. Auf dem Denkmal für James Watt steht: "Erhöhte Macht des Menschen über die Natur." So bewerteten Zeitgenossen die Aktivitäten des berühmten Englischer Erfinder.
Dampfmaschine
Dampfmaschine- eine Wärmekraftmaschine mit externer Verbrennung, die die Energie des Wasserdampfs in mechanische Arbeit der Hin- und Herbewegung des Kolbens und dann in die Drehbewegung der Welle umwandelt. Im weiteren Sinne ist eine Dampfmaschine jeder externe Verbrennungsmotor, der Dampfenergie in mechanische Arbeit umwandelt.
Die erste Dampfmaschine wurde im 17. Jahrhundert gebaut. Papen im Jahr 1690 und stellte einen Zylinder mit einem Kolben dar, der durch die Einwirkung von Dampf angehoben und durch den atmosphärischen Druck gesenkt wurde, nachdem der Abdampf kondensiert wurde. Nach dem gleichen Prinzip wurden 1705 die Dampfmaschinen von Severi und Newcomen gebaut, um Wasser aus den Minen zu pumpen. Die letzten Verbesserungen an der Dampfmaschine wurden 1769 von James Watt vorgenommen.
Erfindung und Entwicklung
Motor Dampfwatt Manufaktur
Das erste bekannte Gerät, das mit Dampf betrieben wurde, wurde im ersten Jahrhundert von Heron von Alexandria beschrieben. Aus den an der Kugel befestigten Düsen tangential austretender Dampf ließ diese rotieren. Real Dampfturbine wurde viel später, im mittelalterlichen Ägypten, vom türkischen Astronomen, Physiker und Ingenieur des 16. Jahrhunderts Takyuddin ash-Shami erfunden. Er schlug eine Methode vor, den Spieß mit Hilfe eines Dampfstrahls zu drehen, der auf die entlang des Radkranzes befestigten Schaufeln gerichtet ist. Eine ähnliche Maschine wurde 1629 vom italienischen Ingenieur Giovanni Branca vorgeschlagen, um eine zylindrische Ankervorrichtung zu drehen, die wiederum ein Paar Stößel in Mörsern anhob und freigab. Der Dampfstrom in diesen frühen Dampfturbinen war nicht konzentriert und der größte Teil seiner Energie wurde in alle Richtungen abgeführt, was zu erheblichen Energieverlusten führte.
Die Weiterentwicklung der Dampfmaschine erforderte jedoch ein wirtschaftliches Umfeld, in dem die Motorenkonstrukteure von ihren Ergebnissen profitieren konnten. Solche Bedingungen gab es weder in der Antike noch im Mittelalter oder in der Renaissance. Die erste Maschine wurde vom spanischen Erfinder Jeronimo Ayans de Beaumont geschaffen, dessen Erfindungen das Patent von T. Severi beeinflussten. Das Funktionsprinzip und die Verwendung von Dampfmaschinen wurde auch 1655 von dem Engländer Edward Somerset beschrieben. 1663 veröffentlichte er ein Projekt und installierte ein dampfbetriebenes Gerät, um Wasser auf die Mauer des Großen Turms von Raglan Castle zu heben (die Vertiefungen in der Mauer, in der die Maschine installiert war, waren noch im 19. Jahrhundert sichtbar). Für dieses revolutionäre neue Konzept wollte jedoch niemand Geld riskieren, und die Dampfmaschine blieb unentwickelt. Eines der Experimente des französischen Physikers und Erfinders Denis Papin bestand darin, in einem geschlossenen Zylinder ein Vakuum zu erzeugen. Mitte der 1670er Jahre arbeitete er in Paris in Zusammenarbeit mit dem niederländischen Physiker Huygens an einer Maschine, die Luft aus einem Zylinder presste, indem er darin Schießpulver explodierte. Angesichts der Unvollständigkeit des dadurch entstandenen Vakuums schuf Papen nach seiner Ankunft in England 1680 eine Version des gleichen Zylinders, bei der er mit Hilfe von kochendem Wasser, das im Zylinder kondensierte, ein vollständigeres Vakuum erhielt. So konnte er das am Kolben befestigte Gewicht mit einem über die Umlenkrolle geworfenen Seil heben. Das System funktionierte nur als Vorführmodell: Um den Vorgang zu wiederholen, musste die gesamte Apparatur zerlegt und wieder zusammengebaut werden. Papen erkannte schnell, dass zur Automatisierung des Kreislaufs Dampf separat in einem Kessel erzeugt werden muss. Papen gilt daher als Erfinder des Dampfkessels und ebnet damit den Weg für die Newcomen-Dampfmaschine. Er bot jedoch nicht die Konstruktion einer funktionierenden Dampfmaschine an. Papen entwarf auch ein Boot, das von einem reaktiven Rad angetrieben wurde, in einer Kombination der Konzepte von Taqi ad-Din und Severi; ihm wird auch zugeschrieben, dass er viele erfunden hat wichtige Geräte wie ein Sicherheitsventil.
Keine der beschriebenen Vorrichtungen wurde tatsächlich als Mittel zur Lösung nützlicher Probleme verwendet. Die erste in der Produktion verwendete Dampfmaschine war eine "Feuerwehrmaschine", die 1698 vom englischen Militäringenieur Thomas Severi entworfen wurde. Severi erhielt 1698 ein Patent für sein Gerät. Es war eine Kolbendampfpumpe, und offensichtlich nicht sehr effizient, da die Wärme des Dampfes bei jedem Abkühlen des Behälters verloren ging, und im Betrieb ziemlich gefährlich, da aufgrund des hohen Dampfdrucks die Behälter und Rohrleitungen der Maschine manchmal explodiert. Da dieses Gerät sowohl zum Drehen der Räder einer Wassermühle als auch zum Pumpen von Wasser aus Bergwerken verwendet werden konnte, nannte ihn der Erfinder "den Bergmannsfreund".
Dann demonstrierte der englische Schmied Thomas Newcomen 1712 seinen "atmospheric engine". Es war eine verbesserte Severi-Dampfmaschine, bei der Newcomen deutlich reduzierte Betriebsdruck Paar. Die erste Anwendung des Newcomen-Motors bestand darin, Wasser aus einem tiefen Schacht zu pumpen. Bei der Minenpumpe war der Kipphebel mit einem Schub verbunden, der in die Mine bis zur Pumpenkammer ging. Hin- und hergehende Schubbewegungen wurden auf den Pumpenkolben übertragen, der nach oben Wasser lieferte. Es war die Newcomen-Pumpe, die die erste Dampfmaschine war, die in der Praxis weit verbreitet war.
Im Jahr 1781 patentierte James Watt eine Dampfmaschine, die eine kontinuierliche Drehbewegung einer Welle erzeugte (im Gegensatz zu Newcomens Dampfpumpe). Der Zehn-PS-Watt-Motor wurde mit Kohle und Wasser ermöglicht, überall installiert und für jeden Zweck verwendet zu werden. Es ist üblich, den Beginn der industriellen Revolution in England mit dem Watt-Motor in Verbindung zu bringen.
Die erste in Russland zweizylindrige Vakuum-Dampfmaschine wurde von dem Mechaniker I.I. Polzunov im Jahr 1763 und 1764 gebaut, um die Bälge in den Werken Barnaul Kolyvano-Voskresensk zu betreiben.
Eine weitere Effizienzsteigerung war der Einsatz von Hochdruckdampf (Amerikaner Oliver Evans und Engländer Richard Trevithick). Trevithick hat erfolgreich die Hochdruck-Industrie-Eintaktmotoren gebaut, die als "Cornish-Motoren" bekannt sind. Sie arbeiteten bei 50 psi oder 345 kPa (3,405 Atmosphären). Mit steigendem Druck bestand jedoch auch eine große Explosionsgefahr an Maschinen und Kesseln, die zunächst zu zahlreichen Unfällen führte. Aus dieser Sicht die meisten wichtiges Element Hochdruckmaschinen hatten ein Sicherheitsventil, das Überdruck abließ. Ein zuverlässiger und sicherer Betrieb begann erst mit dem Sammeln von Erfahrungen und der Standardisierung von Verfahren für den Bau, den Betrieb und die Wartung von Geräten.
Der französische Erfinder Nicolas-Joseph Cugno demonstrierte 1769 das erste aktive selbstfahrende Dampffahrzeug: den "fardier a vapeur" (Dampfwagen). Vielleicht kann seine Erfindung als das erste Auto angesehen werden. Der selbstfahrende Dampftraktor erwies sich als sehr nützlich als mobile mechanische Energiequelle, die andere landwirtschaftliche Maschinen in Bewegung setzte: Dreschmaschinen, Pressen usw. Bereits 1788 leistete ein von John Fitch gebautes Dampfschiff einen regelmäßigen Dienst auf den Delaware River zwischen Philadelphia (Pennsylvania) und Burlington (Bundesstaat New York). Er hob 30 Passagiere an Bord und ging mit einer Geschwindigkeit von 7-8 Knoten. Am 21. Februar 1804 wurde die erste selbstfahrende Eisenbahn-Dampflokomotive, gebaut von Richard Trevithick, in den Penidarren Steel Works in Merthyr Tydville, Südwales, ausgestellt.
Der Erfindungsprozess der Dampfmaschine, wie es in der Technik oft der Fall ist, erstreckte sich über fast ein Jahrhundert, daher ist die Wahl des Datums für dieses Ereignis eher willkürlich. Niemand bestreitet jedoch, dass der Durchbruch, der zur technologischen Revolution führte, dem Schotten James Watt gelang.
Schon in der Antike dachte man daran, Dampf als Arbeitskörper zu verwenden. Allerdings erst an der Wende des XVII-XVIII Jahrhunderts. hat es geschafft, einen Weg zu finden, nützliche Arbeit mit Dampf zu erledigen. Einer der ersten Versuche, Dampf in den Dienst des Menschen zu stellen, wurde 1698 in England unternommen: Die Maschine des Erfinders Savery sollte Minen entwässern und Wasser pumpen. Ein Motor im eigentlichen Sinne war die Erfindung von Savery zwar noch nicht, denn außer mehreren Ventilen, die von Hand geöffnet und geschlossen wurden, befanden sich darin keine beweglichen Teile. Saverys Maschine funktionierte wie folgt: Zuerst wurde ein geschlossener Tank mit Dampf gefüllt, dann wurde die Außenfläche des Tanks mit kaltem Wasser gekühlt, wodurch der Dampf kondensiert wurde, und im Tank wurde ein Unterdruck erzeugt. Danach wurde Wasser - zum Beispiel aus dem Grubenboden - durch das Ansaugrohr in den Tank gesaugt und nach dem Einblasen der nächsten Dampfportion wieder herausgeschleudert.
Die erste Dampfmaschine mit Kolben wurde 1698 von dem Franzosen Denis Papin gebaut. In einem vertikalen Zylinder mit Kolben wurde Wasser erhitzt und der entstehende Dampf drückte den Kolben nach oben. Beim Abkühlen und Kondensieren des Dampfes wurde der Kolben durch atmosphärischen Druck nach unten gedrückt. Durch ein System von Blöcken konnte Papens Dampfmaschine verschiedene Mechanismen wie Pumpen antreiben.
Eine perfektere Maschine wurde 1712 vom englischen Schmied Thomas Newcomen gebaut. Wie bei der Papen-Maschine bewegte sich der Kolben in einem vertikalen Zylinder. Dampf aus dem Kessel trat in den Boden des Zylinders ein und hob den Kolben an. Beim Einspritzen von kaltem Wasser in den Zylinder kondensierte der Dampf, es bildete sich im Zylinder ein Vakuum und der Kolben sank unter dem Einfluss des Atmosphärendrucks ab. Dieser Rückhub entfernte das Wasser aus dem Zylinder und hob über eine Kette, die mit einer Schwinge verbunden war, die sich wie eine Schaukel bewegte, die Pumpenstange nach oben. Als der Kolben am unteren Ende seines Hubs war, trat wieder Dampf in den Zylinder ein und mit Hilfe eines an der Pumpenstange oder an der Wippe befestigten Gegengewichts wurde der Kolben in seine ursprüngliche Position gehoben. Danach wurde der Zyklus wiederholt.
Die Newcomen-Maschine ist in Europa seit über 50 Jahren weit verbreitet. In den 1740er Jahren erledigte eine Maschine mit einem Zylinder von 2,74 m Länge und 76 cm Durchmesser die Arbeit an einem Tag, was ein Team von 25 Personen und 10 Pferden im Schichtbetrieb in einer Woche erledigte. Und doch war seine Effizienz extrem gering.
Am deutlichsten manifestierte sich die industrielle Revolution in England, vor allem in der Textilindustrie. Das Missverhältnis zwischen dem Angebot an Stoffen und der schnell steigenden Nachfrage hat die besten Design-Köpfe zur Entwicklung von Spinn- und Webmaschinen angezogen. Die Namen Cartwright, Kay, Crompton, Hargreaves sind für immer in die Geschichte der englischen Technologie eingegangen. Aber die von ihnen geschaffenen Spinn- und Webmaschinen benötigten einen qualitativ neuen, universellen Motor, der die Maschinen kontinuierlich und gleichmäßig (was ein Wasserrad nicht leisten konnte) in eine unidirektionale Drehbewegung versetzte. Hier zeigte sich das Talent des berühmten Ingenieurs, des "Zauberers von Greenock" James Watt, in seiner ganzen Brillanz.
Watt wurde im schottischen Greenock in der Familie eines Schiffbauers geboren. Als Lehrling in Werkstätten in Glasgow erwarb James in den ersten beiden Jahren die Qualifikationen eines Graveurs, eines Meisters in der Herstellung von mathematischen, geodätischen, optischen Instrumenten und verschiedenen Navigationsinstrumenten. Auf Anraten seines Onkels, des Professors, trat James als Mechaniker in die örtliche Universität ein. Hier begann Watt mit der Arbeit an Dampfmaschinen.
James Watt versuchte, Newcomens atmosphärische Dampfmaschine zu verbessern, die im Allgemeinen nur zum Pumpen von Wasser geeignet war. Für ihn war klar, dass der Hauptnachteil der Newcomen-Maschine die abwechselnde Erwärmung und Kühlung des Zylinders war. 1765 kam Watt auf die Idee, dass der Zylinder dauerhaft heiß sein könnte, wenn der Dampf vor der Kondensation über eine Rohrleitung mit Ventil in einen separaten Tank geleitet würde. Darüber hinaus führte Watt noch einige weitere Verbesserungen durch, die schließlich die Dampf-Atmosphären-Maschine in eine Dampfmaschine verwandelten. Zum Beispiel erfand er einen Scharniermechanismus - "Watt-Parallelogramm" (so genannt, weil einige der Glieder - Hebel, aus denen er besteht, ein Parallelogramm bilden), der die Hin- und Herbewegung des Kolbens in die Drehbewegung der Hauptwelle umwandelte. Jetzt konnten die Webstühle ununterbrochen laufen.
1776 wurde Watts Auto getestet. Es stellte sich heraus, dass seine Effizienz doppelt so hoch war wie die der Newcomen-Maschine. 1782 baute Watt die erste universelle doppeltwirkende Dampfmaschine. Dampf trat abwechselnd von einer Seite des Kolbens und dann von der anderen in den Zylinder ein. Daher machte der Kolben sowohl den Arbeits- als auch den Rückwärtshub mit Hilfe von Dampf, was bei den vorherigen Maschinen nicht der Fall war. Da bei einer doppeltwirkenden Dampfmaschine die Kolbenstange zog und drückte, musste der alte Ketten-Wipp-Antrieb, der nur auf Zug reagierte, neu konstruiert werden. Watt entwickelte ein gekoppeltes Gestängesystem und verwendete einen Planetenmechanismus, um die Hin- und Herbewegung der Kolbenstange in eine Drehbewegung umzuwandeln, wobei ein schweres Schwungrad, ein Fliehkraftregler, ein Tellerventil und ein Manometer zur Messung des Dampfdrucks verwendet wurden. Watts patentierte "Rotationsdampfmaschine" wurde zunächst in Spinnereien und Webereien, später auch in anderen Industriebetrieben weit verbreitet. Watts Motor war für jede Maschine geeignet, und die Erfinder der selbstfahrenden Mechanismen machten sich dies schnell zunutze.
Watts Dampfmaschine war wirklich die Erfindung des Jahrhunderts und der Beginn der industriellen Revolution. Aber der Erfinder hörte hier nicht auf. Die Nachbarn sahen mehr als einmal staunend zu, wie Watt Pferde durch die Wiese jagte und dabei speziell ausgewählte Gewichte zog. So entstand die Leistungseinheit - PS, die später universell anerkannt wurde.
Leider zwangen finanzielle Schwierigkeiten Watt, bereits im Erwachsenenalter, geodätische Vermessungen durchzuführen, am Kanalbau zu arbeiten, Häfen und Marinas zu bauen und schließlich eine wirtschaftlich versklavende Allianz mit dem Unternehmer John Rebeck einzugehen, der bald einen vollständigen finanziellen Zusammenbruch erlitt.