Wstęp
Do drugiej połowy XVIII wieku do produkcji wykorzystywano głównie silniki wodne. Od przeniesienia ruchu mechanicznego z koła wodnego do długie dystanse niemożliwe, wszystkie fabryki musiały być budowane nad brzegami rzek, co nie zawsze było wygodne. Ponadto dla sprawnej pracy takiego silnika często wymagane były kosztowne prace przygotowawcze (budowa stawów, budowa zapór itp.). Koła wodne miały też inne wady: miały małą moc, ich praca zależała od pory roku i była trudna do regulacji. Stopniowo zaczęło być odczuwalne zapotrzebowanie na całkowicie nowy silnik: mocny, tani, autonomiczny i łatwy do kontrolowania. Silnik parowy stał się właśnie takim silnikiem na całe stulecie.
Maszymna do gotowania na parze- silnik cieplny spalanie zewnętrzne zamiana energii nagrzanej pary na pracę mechaniczną ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka, a następnie na ruch obrotowy wału. W szerszym znaczeniu silnik parowy to dowolny silnik spalinowy, który przetwarza energię pary w pracę mechaniczną.
Historia powstania silników parowych
Pomysł silnika parowego został po części inspirowany przez jego wynalazców przez zaprojektowanie znanej już w starożytności tłokowej pompy wodnej.
Zasada jego działania była bardzo prosta: gdy tłok podnosił się do góry, woda była zasysana do cylindra przez zawór na jego dnie. Zawór boczny łączący butlę z rurą wznośną był w tym czasie zamknięty, ponieważ woda z tej rury również próbowała dostać się do butli i tym samym zamknęła ten zawór. Gdy tłok został opuszczony, zaczął naciskać na wodę w cylindrze, przez co dolny zawór został zamknięty, a boczny otwarty. W tym czasie pionem doprowadzano wodę z cylindra. W pompie tłokowej praca otrzymana z zewnątrz została poświęcona na przemieszczenie płynu przez cylinder pompy. Wynalazcy silnik parowy próbowałem użyć tej samej konstrukcji, ale tylko w odwrotny kierunek... Cylinder tłokowy jest sercem całej pary silniki tłokowe... Pierwsze lokomotywy parowe były jednak nie tyle lokomotywami, ile pompami parowymi służącymi do wypompowywania wody z głębinowych kopalń. Zasada ich działania polegała na tym, że para po schłodzeniu i skropleniu do wody zajmowała 170 razy mniej miejsca niż w stanie ogrzanym. Jeśli wypierasz powietrze z naczynia podgrzaną parą, zamykasz je, a następnie chłodzisz parę, ciśnienie wewnątrz naczynia będzie znacznie mniejsze niż na zewnątrz. Zewnętrzne ciśnienie atmosferyczne spręży takie naczynie, a jeśli zostanie w nim umieszczony tłok, to będzie on poruszał się do wewnątrz z większą siłą, im większa jest jego powierzchnia.
Po raz pierwszy model takiej maszyny zaproponował w 1690 roku Papen. Denis Papen był asystentem Huygensa, a od 1688 profesorem matematyki na Uniwersytecie w Marburgu. Wpadł na pomysł wykorzystania kształtu wydrążonego cylindra do silnika atmosferycznego z poruszającym się w nim tłokiem. Papen stanął przed zadaniem zmuszenia tłoka do pracy siłą ciśnienia atmosferycznego. W 1690 powstał w zasadzie nowy projekt silnik parowy. Po podgrzaniu woda w cylindrze zamieniała się w parę i przesuwała tłok w górę. Przez specjalny zawór para popychała powietrze, a gdy para się skraplała, tworzyła się rozrzedzona przestrzeń; ciśnienie zewnętrzne zepchnęło tłok w dół. Podczas opadania tłok ciągnął linę z ładunkiem za nią. Papen ustawił cylinder maszyny pionowo, ponieważ cylinder-zawór nie mógł pełnić swojej funkcji w żadnej innej pozycji. Silnik papierowy użyteczna praca spisywał się słabo, ponieważ nie mógł wykonywać ciągłej akcji. Aby zmusić tłok do podnoszenia ciężaru, należało manipulować drążkiem zaworu i korkiem, przesunąć źródło płomienia i schłodzić cylinder wodą.
Udoskonalanie maszyn parowo-atmosferycznych kontynuował Thomas Severi. W 1698 Thomas Severi wynalazł pompę parową do pompowania wody z kopalń. Jego „przyjaciel górników” pracował bez tłoka. Woda była zasysana przez kondensację pary i tworzenie rozrzedzonej przestrzeni nad poziomem wody w naczyniu. Severi oddzielił kocioł od naczynia, w którym zachodziła kondensacja. Ten silnik parowy miał niską sprawność, ale nadal znajdował szerokie zastosowanie.
Jednak najszerzej stosowana w pierwszej połowie XVIII wieku była maszyna parowa Newcomena, stworzona w 1711 roku. Cylinder parowy znajdował się w Newcomen nad kotłem parowym. Tłoczysko (pręt połączony z tłokiem) zostało elastycznie połączone z końcem drążka równoważącego. Pręt pompy był podłączony do drugiego końca wyważarki. Tłok został podniesiony do górnej pozycji przez przeciwwagę przymocowaną do przeciwległego końca drążka równoważącego. Ponadto ruch tłoka w górę był wspomagany przez parę, która w tym czasie była wprowadzana do cylindra. Gdy tłok znajdował się w skrajnym górnym położeniu, zamykał się zawór, który doprowadzał parę z kotła do cylindra, a do cylindra wtryskiwana była woda. Pod wpływem tej wody para w cylindrze została gwałtownie schłodzona, skroplona, a ciśnienie w cylindrze spadło. Na skutek wytworzonej różnicy ciśnień wewnątrz i na zewnątrz cylindra, siłą ciśnienia atmosferycznego tłok poruszał się w dół, wykonując jednocześnie użyteczną pracę - wprawiał w ruch balanser, który poruszał tłoczyskiem pompy. Tak więc użyteczna praca była wykonywana tylko wtedy, gdy tłok poruszał się w dół. Następnie para została ponownie wprowadzona do cylindra. Tłok ponownie się podniósł, a cały cylinder wypełnił się parą. Kiedy woda została ponownie spryskana, para ponownie się skondensowała, po czym tłok wykonał nowy użyteczny ruch w dół i tak dalej. W rzeczywistości ciśnienie atmosferyczne wykonało pracę w maszynie Newcomena, a para służyła jedynie do stworzenia rozrzedzonej przestrzeni.
W świetle dalszego rozwoju silnika parowego główna wada maszyny Newcomen staje się oczywista, pracujący w niej cylinder był jednocześnie skraplaczem. Z tego powodu trzeba było naprzemiennie chłodzić, potem podgrzewać cylinder i zużycie paliwa okazało się bardzo duże. Zdarzało się, że samochodem jechało 50 koni, które ledwo zdążyły dostarczyć potrzebne paliwo. Sprawność (sprawność) tej maszyny prawie nie przekroczyła 1%. Innymi słowy, 99% całej energii grzewczej zostało bezowocnie zmarnowane. Mimo to maszyna ta stała się powszechna w Anglii, zwłaszcza w kopalniach, gdzie węgiel był tani. Kolejni wynalazcy wprowadzili kilka ulepszeń do pompy Newcomen. W szczególności w 1718 r. Beighton wynalazł samoczynny mechanizm sterujący, który automatycznie włączał lub wyłączał parę i wpuszczał wodę. Dodał również zawór bezpieczeństwa do kotła parowego.
Ale schemat maszyny Newcomena pozostał niezmieniony przez 50 lat, dopóki mechanik z Uniwersytetu w Glasgow, James Watt, nie zajął się jego ulepszaniem. W latach 1763-1764 musiał naprawić próbną maszynę Newcomena należącą do uniwersytetu. Watt wykonał mały model i zaczął badać jego działanie. Mógł przy tym korzystać z niektórych urządzeń należących do uniwersytetu i korzystać z rad profesorów. Wszystko to pozwoliło mu spojrzeć na problem szerzej niż wielu mechaników przed nim i był w stanie stworzyć znacznie doskonalszy silnik parowy.
Pracując z modelem, Watt odkrył, że gdy para jest wprowadzana do schłodzonego cylindra, kondensuje się w znacznych ilościach na jego ściankach. Od razu stało się dla Watta jasne, że po więcej ekonomiczna praca wskazane jest, aby cylinder był stale ogrzewany. Ale jak w tym przypadku skondensować parę? Przez kilka tygodni zastanawiał się, jak rozwiązać ten problem, aż w końcu zdał sobie sprawę, że chłodzenie pary powinno odbywać się w osobnym cylindrze podłączonym do głównej krótkiej rurki. Sam Watt wspominał, że kiedyś podczas wieczornego spaceru mijał pralnię, a potem, widząc kłęby pary ulatniające się z okna, domyślił się, że para będąc elastycznym ciałem powinna pędzić w rozrzedzone miejsce. Wtedy przyszło mu do głowy, że maszynę Newcomena należy uzupełnić o osobne naczynie do kondensacji pary. Prosta pompa, napędzana przez samą maszynę, mogła usuwać powietrze i wodę ze skraplacza, dzięki czemu przy każdym skoku maszyny tworzyłaby się tam przestrzeń.
Następnie Watt wprowadził kilka kolejnych ulepszeń, w wyniku których samochód przybrał następującą formę. Po obu stronach cylindra połączono rurki: przez dolną parę wchodziła do środka z kotła parowego, przez górną była odprowadzana do skraplacza. Skraplacz składał się z dwóch blaszanych rurek ustawionych pionowo i połączonych ze sobą u góry krótką rurką poziomą z otworem zatkanym kranem. Dno tych rurek było połączone z trzecią pionową rurką, która służyła jako pompa rozdzielająca powietrze. Rurki składające się na lodówkę i pompę powietrza zostały umieszczone w małym cylindrze wypełnionym zimną wodą. Rura parowa była podłączona do kotła, z którego para była uwalniana do cylindra. Gdy para napełniła cylinder, zawór pary został zamknięty, a tłok pompy powietrza skraplacza został podniesiony, co spowodowało powstanie wysoce rozładowanej przestrzeni w rurach skraplacza. Para wpadała do rurek i tam skraplała się, a tłok unosił się, niosąc ze sobą ładunek (tak mierzono użyteczną pracę tłoka). Następnie zawór wylotowy został zamknięty.
W ciągu następnych kilku lat Watt ciężko pracował nad ulepszeniem swojego silnika. W maszynie z 1776 roku wprowadzono kilka zasadniczych ulepszeń w porównaniu z projektem z 1765 roku. Tłok został umieszczony wewnątrz cylindra, otoczony płaszczem parowym (płaszczem). Pozwoliło to zminimalizować straty ciepła. Pokrywa była zamknięta od góry, podczas gdy cylinder był otwarty. Para weszła do cylindra z kotła przez boczną rurę. Cylinder był połączony ze skraplaczem przewodem wyposażonym w zawór spustowy pary. Nieco wyżej niż ten zawór i bliżej cylindra umieszczono drugi zawór równoważący. Gdy oba zawory były otwarte, para uwalniana z kotła wypełniała całą przestrzeń nad i pod tłokiem, wtłaczając powietrze przez rurę do skraplacza. Kiedy zawory były zamknięte, cały system pozostawał w równowadze. Potem otworzyli dolne Zawór wydechowy oddzielenie przestrzeni pod tłokiem od skraplacza. Para z tej przestrzeni kierowana była do skraplacza, tam schładzana i zagęszczana. W tym samym czasie pod tłokiem powstała rozrzedzona przestrzeń i ciśnienie spadło. Z góry para z kotła nadal wywierała ciśnienie. Pod jego działaniem tłok opadł i wykonał użyteczną pracę, która została przeniesiona na tłoczysko pompy za pomocą balansera. Po opuszczeniu tłoka do najniższego położenia otwarto górny zawór równoważący. Para ponownie wypełniła przestrzeń nad i pod tłokiem. Ciśnienie w butli było zrównoważone. Pod działaniem przeciwwagi znajdującej się na końcu wyważarki tłok swobodnie unosił się (bez wykonywania żadnej użytecznej pracy). Następnie cały proces przebiegał w tej samej kolejności.
Chociaż ta maszyna Watta, podobnie jak silnik Newcomena, pozostała jednostronna, miała już istotną różnicę - jeśli ciśnienie atmosferyczne zadziałało dla Newcomena, to para zrobiła to dla Watta. Dzięki zwiększeniu ciśnienia pary udało się zwiększyć moc silnika i tym samym wpłynąć na jego pracę. Nie wyeliminowało to jednak głównej wady tego typu maszyn – wykonywały one tylko jeden ruch roboczy, pracowały szarpiąc i dlatego mogły być używane tylko jako pompy. W latach 1775-1785 zbudowano 66 takich parowozów.
Polzunov rozpoczął swoją pracę niemal równocześnie z Wattem, ale z innym podejściem do problemu silnika i w zupełnie innych warunkach ekonomicznych. Polzunov zaczął od ogólnego zestawienia energetycznego problemu całkowitej wymiany elektrowni wodnych w zależności od lokalnych warunków na uniwersalny silnik cieplny, ale nie mógł zrealizować swoich ambitnych planów w poddanej Rosji.
W 1763 r. I.I. Polzunov opracował szczegółowy projekt silnika parowego o mocy 1,8 KM, aw 1764 roku wraz ze swoimi uczniami zaczął tworzyć „maszynę ogniową”. Wiosną 1766 roku był już prawie gotowy. Z powodu przelotnej konsumpcji sam wynalazca nie był w stanie zobaczyć swojego pomysłu w działaniu. Testy silnika parowego rozpoczęły się tydzień po śmierci Polzunova.
Maszyna Polzunowa różniła się od znanych wówczas parowozów przede wszystkim tym, że była przeznaczona nie tylko do podnoszenia wody, ale także do napędzania maszyn fabrycznych - dmuchania miecha. To był samochód ciągłe działanie, co osiągnięto dzięki zastosowaniu dwóch cylindrów zamiast jednego: tłoki cylindrów poruszały się do siebie i naprzemiennie działały na wspólnym wale. W swoim projekcie Polzunov wskazał wszystkie materiały, z których maszyna powinna być wykonana, a także wskazał procesy technologiczne które będą wymagane podczas jego budowy (lutowanie, odlewanie, polerowanie). Eksperci twierdzą, że memorandum nakreślające projekt wyróżniało się niezwykłą jasnością myśli i filigranową dokładnością przeprowadzonych obliczeń.
Zgodnie z koncepcją wynalazcy para z kotła maszyny była doprowadzana do jednego z dwóch cylindrów i podnosiła tłok do skrajnego górnego położenia. Następnie schłodzona woda została wtryśnięta do cylindra ze zbiornika, co doprowadziło do kondensacji pary. Pod naporem atmosfery zewnętrznej tłok obniżał się, natomiast w drugim cylindrze pod wpływem ciśnienia pary tłok unosił się. Za pomocą specjalnego urządzenia przeprowadzono dwie operacje - automatyczne doprowadzenie pary z kotła do cylindrów i automatyczne zasilanie zimna woda... System koła pasowego ( specjalne koła) przenosiło ruch z tłoków na pompy pompujące wodę do zbiornika i na mieszki dmuchawy.
Równolegle z główną maszyną wynalazca opracował wiele nowych części, osprzętu i urządzeń, które znacznie uprościły proces produkcji. Przykładem jest zaprojektowany przez niego regulator akcja bezpośrednia do utrzymania stałego poziomu wody w kotle. Podczas testów został znaleziony poważne wady silnik: niedokładna obróbka powierzchni zastosowanych cylindrów, luz miechów dmuchawy, obecność skorup w częściach metalowych itp. Wady te tłumaczono faktem, że poziom produkcji maszynowej w zakładzie w Barnauł nadal nie był wysoki wystarczająco. A postęp naukowy tamtych czasów nie pozwolił dokładnie obliczyć wymaganej ilości wody chłodzącej. Niemniej jednak wszystkie niedociągnięcia zostały usunięte, a w czerwcu 1766 r. Instalacja z mieszkiem została pomyślnie przetestowana, po czym rozpoczęto budowę pieców.
Nagromadzenie nowej wiedzy praktycznej w XVI-XVII w. doprowadziło do niesłychanego przypływu myśli ludzkiej. Koła wodne i wiatrowe obracają maszyny, wprawiają w ruch miechy, pomagają metalurgom podnosić rudę z kopalń, czyli tam, gdzie ludzkie ręce nie radzą sobie z ciężką pracą, z pomocą przychodzi im energia wody i wiatru. Główne osiągnięcia techniki tamtych czasów to zasługa nie tyle naukowców i nauki, ile żmudnej pracy wykwalifikowanych wynalazców. Szczególnie duże były osiągnięcia w technice górniczej, w wydobyciu różnych rud i minerałów. Trzeba było wydobywać wydobywaną rudę lub węgiel z kopalni, cały czas wypompowując wody gruntowe, które zalewały zabudowę, stale dostarczając powietrze do kopalni i wiele innych pracochłonnych prac, aby nie zaprzestać wydobycia. Rozwijający się przemysł władczo wymagał więc coraz więcej energii, a dostarczały ją w tamtych czasach głównie koła wodne. Nauczyli się już budować wystarczająco potężnie. W związku ze wzrostem mocy kół coraz częściej zaczęto stosować metal na wały i niektóre inne części. We Francji nad Sekwaną w 1682 r. mistrz R. Salem pod przewodnictwem A. de Ville zbudował największą w tym czasie instalację, składającą się z 13 kół o średnicy 8 m, która służyła do napędzania ponad 200 pomp, które dostarczał wodę na wysokość ponad 160 m oraz dostarczał wodę do fontann w Wersalu i Marly. Pierwsze przędzalnie bawełny wykorzystywały silnik hydrauliczny. Maszyny przędzalnicze Arkwright od początku były napędzane wodą. Jednak koła wodne można było montować tylko na rzece, najlepiej płynnej i szybkiej. A jeśli na brzegu rzeki można było jeszcze wybudować fabrykę włókienniczą lub metalową, to złoża rudy lub pokłady węgla musiały być zagospodarowywane tylko w miejscach występowania. Energia była również potrzebna do wypompowania wód podziemnych, które zalały kopalnię i wydobycia wydobywanej rudy lub węgla na powierzchnię. Dlatego w kopalniach oddalonych od rzek trzeba było wykorzystywać tylko siłę zwierząt.
Właściciel angielskiej kopalni w 1702 r. musiał utrzymywać 500 koni do obsługi pomp wypompowujących wodę z kopalni, co było bardzo nieopłacalne.
Wymagany rozwijający się przemysł potężne silniki nowy typ, który umożliwiłby tworzenie produkcji w dowolnym miejscu. Pierwszym impulsem do stworzenia nowych silników, które mogą pracować wszędzie, niezależnie od tego, czy w pobliżu jest rzeka, czy nie, była właśnie potrzeba pomp i wind w hutnictwie i górnictwie.
Zdolność pary do wykonywania prac mechanicznych jest od dawna znana człowiekowi. Pierwsze ślady faktycznego inteligentnego wykorzystania pary w mechanice pojawiają się w 1545 roku w Hiszpanii, kiedy kapitan marynarki wojennej
Blasco de Garay zaprojektował maszynę, za pomocą której wprawił w ruch boczne koła łopatkowe statku i która na polecenie Karola V została po raz pierwszy przetestowana w porcie w Barcelonie podczas transportu 4000 centów ładunku statkiem na odległość trzech mil morskich w dwie godziny. Wynalazca został nagrodzony, ale sama maszyna została bezużyteczna i odeszła w zapomnienie.
Pod koniec XVII wieku w krajach o najbardziej rozwiniętej produkcji wytwórczej narodziły się elementy nowej technologii maszyn wykorzystującej właściwości i moc pary wodnej.
Wczesne próby stworzenia silnik cieplny wiązały się z koniecznością wypompowywania wody z kopalń, w których wydobywano paliwo. W 1698 r. Anglik Thomas Severi, były górnik, a następnie kapitan marynarki handlowej, jako pierwszy zaproponował pompowanie wody za pomocą windy parowej. Patent Severiego brzmiał: „Ten nowy wynalazek podnoszenia wody i wprawiania w ruch wszelkiego rodzaju produkcji siłą napędową ognia ma ogromne znaczenie dla osuszania kopalń, dostarczania wody do miast i wytwarzania siły napędowej dla wszelkiego rodzaju fabryk, które nie mogą korzystać z energii wodnej lub stałej dzieło wiatru”. Podnośnik wodny Severi działał na zasadzie zasysania wody pod wpływem ciśnienia atmosferycznego do komory, w której podczas kondensacji pary z zimną wodą tworzyła się próżnia. Parowozy Severi były wyjątkowo nieekonomiczne i niewygodne w eksploatacji, nie nadawały się do obsługi obrabiarek, zużywały ogromne ilości gorącej wody, ich sprawność nie przekraczała 0,3%. Jednak zapotrzebowanie na wypompowywanie wody z kopalń było tak duże, że nawet te nieporęczne maszyny parowe, takie jak pompa, zyskały pewną akceptację.
Thomas Newcomen (1663-1729) - angielski wynalazca, z zawodu kowal. Wspólnie z druciarzem J. Cowleyem zbudował pompę parową, eksperymenty nad ulepszaniem trwały około 10 lat, aż zaczęła działać prawidłowo. Lokomotywa parowa Newcomena nie była silnikiem uniwersalnym. Zasługą Newcomena jest to, że jako jeden z pierwszych wdrożył ideę wykorzystania pary do uzyskania pracy mechanicznej. Jego nazwisko nosi Towarzystwo Historyków Techniki Wielkiej Brytanii. W 1711 Newcomen, Cowley i Severi utworzyli „Spółkę Posiadaczy Praw Wynalazku Instalacji Podnoszenia Wody przez Ogień”. Chociaż wynalazcy ci posiadali patent na „wykorzystanie siły ognia”, cała ich praca przy produkcji silników parowych była prowadzona z zachowaniem ścisłej tajemnicy. Szwed Trivald, który zajmował się konfiguracją maszyn Newcomen, napisał: „… wynalazcy Newcomen i Cowley byli bardzo podejrzliwi i ostrożni w utrzymywaniu siebie i swoich dzieci w tajemnicy odnośnie konstrukcji i zastosowania ich wynalazku. Hiszpański wysłannik na dwór angielski, który przybył z Londynu z dużą świtą obcokrajowców, aby zobaczyć nowy wynalazek, nie został nawet wpuszczony do pomieszczenia, w którym znajdowały się samochody ”. Ale w latach 20. XVIII wieku patent się skończył i wielu inżynierów zaczęło produkować instalacje do podnoszenia wody. Pojawiła się literatura opisująca te postawy.
Rozprzestrzenianie się uniwersalnych silników parowych w Anglii na początku XIX wieku. potwierdza ogromne znaczenie nowego wynalazku. Jeśli na dekadę od 1775 do 1785. Zbudowano 66 samochodów dwustronnego działania o łącznej mocy 1288 KM, następnie od 1785 do 1795 roku. Powstały już 144 maszyny dwustronnego działania o łącznej mocy 2009 KM, a w ciągu następnych pięciu lat – od 1795 do 1800. - 79 aut o łącznej mocy 1296 KM
W rzeczywistości przemysłowe zastosowanie silnika parowego rozpoczęło się w 1710 r., kiedy angielscy robotnicy Newcomen i Cowley po raz pierwszy zbudowali silnik parowy, który napędzał pompę zainstalowaną w kopalni, aby wypompować z niej wodę.
Jednak maszyna Newcomena nie była maszyną parową we współczesnym znaczeniu tego słowa, ponieważ siłą napędową w niej nadal nie była para wodna, ale ciśnienie atmosferyczne. Dlatego ten samochód został nazwany „atmosferycznym”. Choć w maszynie para wodna służyła, podobnie jak w maszynie Severi, głównie do wytworzenia podciśnienia w cylindrze, tutaj już zaproponowano ruchomy tłok - główną część nowoczesnego silnika parowego.
Na ryc. 4.1 przedstawia windę parową Newcomen-Cowley. Gdy pręt przyssawki 1 i ładunek 2 zostały opuszczone, tłok 4 uniósł się i para weszła do cylindra 5 przez otwarty zawór 7 z kotła 8, którego ciśnienie nieznacznie przekraczało ciśnienie atmosferyczne. Para służyła do częściowego podniesienia tłoka w cylindrze otwartym od góry, ale jej głównym zadaniem było wytworzenie w nim próżni. W tym celu, gdy tłok maszyny osiągnął swoje górne położenie, zawór 7 został zamknięty, a zimna woda została wstrzyknięta ze zbiornika 3 przez zawór 6 do cylindra. Para wodna szybko skondensowała się, a ciśnienie atmosferyczne przywróciło tłok na dno cylindra, powodując uniesienie się przyssawki. Kondensat został odprowadzony z cylindra rurą9, tłok został ponownie podniesiony w wyniku dopływu pary i powtórzono proces opisany powyżej. Maszyna Newcomen jest silnikiem wsadowym.
Silnik parowy Newcomen był doskonalszy od maszyny Severi, łatwiejszy w obsłudze, bardziej ekonomiczny i bardziej wydajny. Jednak maszyny pierwszych wydań działały bardzo nieekonomicznie, aby wytworzyć moc jednej mocy na godzinę, spalono do 25 kg węgla, czyli sprawność wynosiła około 0,5%. Wprowadzenie automatycznego rozdziału strumieni pary i wody uprościło konserwację maszyny, czas skoku tłoka został skrócony do 12-16 minut, co zmniejszyło gabaryty maszyny i uczyniło konstrukcję tańszą. Mimo wysokie zużycie paliwo, ten typ maszyny szybko stał się powszechny. Już w latach dwudziestych XVIII wieku maszyny te pracowały nie tylko w Anglii, ale także w wielu krajach Europy - w Austrii, Belgii, Francji, na Węgrzech, w Szwecji, były używane przez prawie wiek w przemyśle węglowym i do zaopatrzenia w wodę do miast. W Rosji pierwsza maszyna parowo-atmosferyczna Newcomena została zainstalowana w 1772 roku w Kronsztadzie do pompowania wody z doku. O rozpowszechnieniu maszyn Newcomen świadczy fakt, że ostatnia maszyna tego typu w Anglii została zdemontowana dopiero w 1934 roku.
Iwan Iwanowicz Polzunow (1728-1766) był utalentowanym rosyjskim wynalazcą, który urodził się w rodzinie żołnierza. W 1742 r. Nikita Bakharev, mechanik w zakładzie w Jekaterynburgu, potrzebował bystrych uczniów. Wybór padł na czternastoletnich I. Polzunova i S. Cheremisinova, którzy jeszcze uczyli się w Szkole Arytmetycznej. Szkolenie teoretyczne w szkole ustąpiło miejsca praktycznej znajomości pracy najnowocześniejszych wówczas maszyn i instalacji zakładu w Jekaterynburgu w Rosji. W 1748 Polzunov został przeniesiony do Barnauł do pracy w fabrykach Kolyvano-Voskresensk. Po samodzielnym studium książek z zakresu metalurgii i mineralogii, w kwietniu 1763 r. Polzunow zaproponował projekt całkowicie oryginalnego silnika parowego, który różnił się od wszystkich znanych wówczas maszyn tym, że był przeznaczony do napędzania mieszków dmuchaw i działał w sposób ciągły. jednostka. W swoim memorandum o „maszynie przeciwpożarowej” z dnia 26 kwietnia 1763 r. Polzunow, własnymi słowami, chciał „ ... składając machinę przeciwpożarową zlikwidować gospodarkę wodną, a w takich przypadkach całkowicie ją zniszczyć, a zamiast zapór na ruchomą podstawę elektrowni, założyć ją tak, aby była w stanie udźwignąć wszystkie nakładane na siebie obciążenia, które zwykle są niezbędne do rozpalać ogień, nosić i do woli, co będzie potrzebne, poprawić.” A potem pisał: „Aby osiągnąć tę chwałę (jeśli siły na to pozwolą) Ojczyzna i dla dobra całego ludu, ze względu na wielką wiedzę o używaniu rzeczy, które do dziś nie są zbyt znane ( podobnie jak inne nauki), do zwyczaju." W przyszłości wynalazca marzył o przystosowaniu samochodu do innych potrzeb. Projekt I.I. Polzunowa została wprowadzona do urzędu carskiego w Petersburgu. Decyzja Katarzyny II była następująca: „Jej Cesarska Mość jest nie tylko on, Polzunov, z tego miłosiernie zadowolony, ale dla wielkiej zachęty raczyła: witaj Evo, Polzunov, do mechaników z rangą i pensją kapitana- porucznika i daj mu w nagrodę 400 rubli”…
Maszyny Newcomena, które doskonale sprawdzały się jako urządzenia do podnoszenia wody, w żaden sposób nie mogły zaspokoić pilnej potrzeby uniwersalny silnik... Utorowały one jedynie drogę do stworzenia wszechstronnych, ciągłych silników parowych.
Na początkowym etapie rozwoju silników parowych należy podkreślić „ maszyna przeciwpożarowa„Rosyjski mistrz górniczy Polzunow. Silnik miał napędzać mechanizmy jednego z pieców hutniczych zakładu Barnauł.
Według projektu Polzunowa (rys. 4.2) para z kotła (1) była podawana do jednego, powiedzmy, lewego cylindra (2), gdzie podnosiła tłok (3) do skrajnego górnego położenia. Następnie strumień zimnej wody (4) został wtryśnięty ze zbiornika do cylindra, co doprowadziło do kondensacji pary. Pod wpływem ciśnienia atmosferycznego na tłok obniżył się, natomiast w prawym cylindrze pod wpływem ciśnienia pary tłok uniósł się. Dystrybucja pary wodnej w maszynie Polzunov została przeprowadzona przez specjalistę urządzenie automatyczne(5). Ciągła siła robocza z tłoków maszyny przekazywana była na koło pasowe (6) zamontowane na wale, z którego ruch przenoszony był na rozdzielacz wodno-parowy, pompę podającą oraz wał roboczy, z którego napędzane były mieszki dmuchawy.
Silnik Polzunowa należał do typu „atmosferycznego”, ale wynalazca po raz pierwszy wprowadził w nim sumowanie pracy dwóch cylindrów z tłokami na jednym wspólnym wale, co zapewniało bardziej równomierny skok silnika. Gdy jeden z cylindrów pracował na biegu jałowym, drugi miał skok roboczy. Silnik miał automatyczną dystrybucję pary i po raz pierwszy nie był bezpośrednio połączony z działająca maszyna... I.I. Polzunov stworzył swój samochód w ekstremalnie trudnych warunkach, własnymi rękami, bez niezbędne fundusze i maszyny specjalne. Nie miał do dyspozycji zdolnych rzemieślników: kierownictwo zakładu przydzieliło Polzunovowi czterech uczniów i przydzieliło dwóch emerytowanych robotników. Siekiera i inne proste narzędzia używane do produkcji ówczesnych konwencjonalnych maszyn były tu mało przydatne. Polzunov musiał samodzielnie zaprojektować i zbudować nowy sprzęt dla swojego wynalazku. Budowa dużej maszyny o wysokości około 11 metrów, prosto z blachy, nie testowanej nawet na modelu, bez specjalistów, wymagała ogromnego wysiłku. Samochód został zbudowany, ale 27 maja 1766 r. I.I. Połzunow zmarł na krótkotrwałą konsumpcję, nie dożywszy tygodnia przed testami „wielkiej maszyny”. Sama maszyna, przetestowana przez uczniów Połzunowa, nie tylko się opłaciła, ale także przyniosła zysk, pracowała przez 2 miesiące, nie była dalej ulepszana, a po awarii została porzucona i zapomniana. Po silniku Polzunowa minęło pół wieku, zanim silniki parowe zaczęły być używane w Rosji.
Maszyna Newcomena została znacznie ulepszona przez stulecie swojego istnienia, ale pozostała „atmosferyczna” i nie spełniała potrzeb szybko rozwijającej się technologii wytwarzania, która wymagała organizacji ruchu obrotowego z dużą prędkością.
Poszukiwania wielu wynalazców miały na celu osiągnięcie tego celu. W samej Anglii w ostatniej ćwierci XVIII wieku wydano kilkanaście patentów na uniwersalne silniki różnych układów. Jednak tylko James Watt był w stanie zaoferować przemysłowi uniwersalny silnik parowy.
Watt rozpoczął pracę nad maszyną parową prawie jednocześnie z Polzunovem, ale w innych warunkach. W Anglii w tym czasie przemysł rozwijał się bardzo szybko. Watt był aktywnie wspierany przez Boltona, właściciela kilku fabryk w Anglii, który później stał się jego towarzyszem, parlamentem, miał możliwość korzystania z wysoko wykwalifikowanej kadry inżynierskiej. W 1769 roku Watt opatentował silnik parowy z oddzielnym skraplaczem, a następnie zastosowanie nadciśnienia pary w silniku, co znacznie zmniejszyło zużycie paliwa. Watt był słusznie twórcą parowego silnika tłokowego.
Na ryc. 4.3, to schemat jednego z pierwszych silników parowych Watta. Kocioł parowy 1 z cylindrem tłokowym 3 jest połączony przewodem parowym 2, przez który para jest okresowo doprowadzana do górnej wnęki powyżej tłoka 4 i do dolnej wnęki cylindra pod tłokiem. Wnęki te są połączone ze skraplaczem rurą 5, w której para odpadowa jest kondensowana zimną wodą i wytwarzana jest próżnia. Maszyna posiada drążek równoważący 6 łączący tłok z wałem korbowym z korbowodem 7, na końcu którego zamocowane jest koło zamachowe 8.
Po raz pierwszy w maszynie zastosowano zasadę podwójnego działania pary, która polega na tym, że świeża para jest wtryskiwana do cylindra maszyny naprzemiennie do komór po obu stronach tłoka. Wprowadzenie przez Watta zasady rozprężania pary polegało na tym, że świeża para była wpuszczana do cylindra tylko na część suwu tłoka, następnie para została odcięta, a dalszy ruch tłoka odbywał się ze względu na rozszerzanie się pary i spadek jej ciśnienia.
Tak więc w maszynie Watta decydującą siłą napędową nie było ciśnienie atmosferyczne, ale elastyczność pary pod wysokim ciśnieniem, która napędza tłok. Nowa zasada działania pary wymagała całkowitej zmiany w konstrukcji maszyny, zwłaszcza cylindra i dystrybucji pary. Aby wyeliminować kondensację pary w cylindrze, Watt najpierw wprowadził płaszcz parowy cylindra, za pomocą którego zaczął nagrzewać parą jego ścianki robocze i zaizolował zewnętrzną część płaszcza. Ponieważ Watt nie mógł użyć mechanizm korbowy(na taki transfer patentem ochronnym zajął się francuski wynalazca Picard), następnie w 1781 roku opatentował pięć metod zamiany ruchu wahadłowego na ciągły obrotowy. Na początku używał w tym celu koła planetarnego lub słonecznego. Wreszcie, Watt wprowadził regulator prędkości odśrodkowej, aby zmienić ilość pary dostarczanej do cylindra maszyny wraz ze zmianą prędkości. W ten sposób Watt w swoim silniku parowym przedstawił podstawowe zasady budowy i działania nowoczesnego silnika parowego.
Silniki parowe Watta pracowały na parze nasyconej, niskociśnieniowej 0,2-0,3 MPa, przy niskich obrotach. Zmodyfikowane w ten sposób parowozy dawały doskonałe wyniki poprzez kilkukrotne obniżenie zużycia węgla na hp/h (moc konia na godzinę) w porównaniu z maszynami Newcomen oraz wyparcie koła wodnego z przemysłu wydobywczego. W połowie lat 80. XVIII wieku. projekt silnika parowego został ostatecznie opracowany, a silnik parowy dwustronnego działania stał się uniwersalnym silnikiem cieplnym, który znalazł szerokie zastosowanie w prawie wszystkich sektorach gospodarki wielu krajów. W XIX wieku rozpowszechniły się kopalnie wyciągowe elektrownie parowe, dmuchawy parowe, walcownice parowe, młoty parowe, pompy parowe itp.
Dalszy wzrost wydajności Elektrownia parowa została stworzona przez współczesnego Watta Arthura Wolffa w Anglii, wprowadzając wielokrotne rozprężanie pary sekwencyjnie w 2, 3, a nawet 4 krokach, podczas gdy para przechodziła z jednego cylindra maszyny do drugiego.
Rezygnacja z wyważarki i zastosowanie wielokrotnego rozprężania pary doprowadziło do powstania nowych konstrukcyjnych form maszyn. Silniki z podwójnym rozprężaniem zaczęły przybierać formę dwóch cylindrów - cylindra wysokociśnieniowego (HPC) i cylindra niskociśnieniowego (LPC), do którego para spalinowa była po HPC. Cylindry znajdowały się albo poziomo (maszyna mieszana, ryc. 4.4, a) lub szeregowo, gdy oba tłoki są osadzone na wspólnym pręcie (maszyna tandemowa, ryc. 4.4, b).
Świetna wartość dla poprawy wydajności. W połowie XIX wieku w silnikach parowych zaczęto stosować parę przegrzaną o temperaturze do 350°C, co pozwoliło zmniejszyć zużycie paliwa do 4,5 kg na KM/h. Zastosowanie pary przegrzanej po raz pierwszy zaproponował francuski naukowiec G.A. Dziewczyno.
George Stephenson (1781-1848) urodził się w rodzinie robotniczej i pracował w kopalniach węgla w Newcastle, gdzie pracowali również jego ojciec i dziadek. Zrobił dużo samokształcenia, studiował fizykę, mechanikę i inne nauki, interesował się działalnością wynalazczą. Wybitne zdolności Stephensona doprowadziły go do stanowiska mechanika, aw 1823 roku został mianowany głównym inżynierem firmy przy budowie pierwszej linii kolejowej. powszechne zastosowanie Stockton-Darlington; otworzyło mu to wielkie możliwości projektowania i prac wynalazczych.
W Rosji pierwsze lokomotywy parowe zbudowali rosyjscy mechanicy i wynalazcy Czerepanow - Efim Aleksiejewicz (ojciec, 1774-1842) i Miron Efimowicz (syn, 1803-1849), którzy pracowali w fabrykach Niżny Tagil i byli poddani hodowców Demidowa . Dzięki samokształceniu Czerepanowowie stali się ludźmi wykształconymi, odwiedzali fabryki w Petersburgu i Moskwie, Anglii i Szwecji. Za działalność wynalazczą Miron Czerepanow i jego żona otrzymali wolną wolność w 1833 roku. Efim Czerepanow i jego żona otrzymali wolność w 1836 roku. Czerepanowowie stworzyli około 20 różnych maszyn parowych, które pracowały w fabrykach Niżnego Tagila.
Wysokie ciśnienie pary w silnikach parowych zostało po raz pierwszy zastosowane przez Olivera Evansa w Ameryce. Doprowadziło to do dalszego zmniejszenia zużycia paliwa nawet o 3 kg na KM/h. Później projektanci lokomotyw parowych zaczęli używać wielocylindrowych silników parowych, pary nadciśnieniowej i urządzenia cofania.
W XVIII wieku. istniała całkiem zrozumiała chęć wykorzystania maszyny parowej w transporcie lądowym i wodnym. W rozwoju maszyn parowych niezależny kierunek wyznaczały lokomotywy - mobilne elektrownie parowe. Pierwszą tego typu instalację opracował angielski budowniczy John Smith. W rzeczywistości rozwój transportu pary rozpoczął się wraz z instalacją płomieniówek w kotłach płomieniówkowych, co znacznie zwiększyło ich produkcję pary.
Podejmowano wiele prób opracowania parowozów - budowano parowozy, modele robocze (rys. 4.5, 4.6). Spośród nich wyróżnia się lokomotywa parowa „Raketa” zbudowana przez utalentowanego angielskiego wynalazcę George'a Stephensona (1781-1848) w 1825 r. (patrz ryc. 4.6, a, b).
Rocket nie była pierwszą lokomotywą parową zaprojektowaną i zbudowaną przez Stephensona, ale ta pod wieloma względami przewyższała inne i została uznana za najlepszą lokomotywę na specjalnej wystawie w Reyhill i polecana do nowej linii kolejowej Liverpool-Manchester, która w tym czasie stała się przykładowy. W 1823 roku Stephenson zorganizował pierwszą fabrykę parowozów w Newcastle. W 1829 roku w Anglii zorganizowano konkurs na najlepszy parowóz, którego zwycięzcą została maszyna J. Stephensona. Jego parowóz „Raketa”, skonstruowany na bazie kotła płomienicowego, o masie pociągu 17 ton, rozwijał prędkość 21 km/h. Później prędkość „Rakiety” została zwiększona do 45 km/h.
Koleje zaczęły grać w XVIII wieku. ogromną rolę. Pierwsza kolej pasażerska w Rosji o długości 27 km została zbudowana przez zagranicznych przedsiębiorców w 1837 roku decyzją rządu carskiego między Petersburgiem a Pawłowskiem. Kolej dwutorowa Petersburg-Moskwa rozpoczęła działalność w 1851 roku.
W 1834 r. ojciec i syn Czerepanowa zbudowali pierwszą rosyjską lokomotywę parową (patrz ryc. 4.6, c, d), która przewoziła ładunek 3,5 tony z prędkością 15 km / h. Kolejne lokomotywy przewoziły 17 ton ładunku.
Próby wykorzystania lokomotywy parowej w transporcie wodnym podejmowano od początku XVIII wieku. Wiadomo na przykład, że francuski fizyk D. Papin (1647–1714) zbudował łódź napędzaną silnikiem parowym. To prawda, że Papen nie odniósł w tej sprawie sukcesu.
Problem został rozwiązany amerykański wynalazca Robert Fulton (1765-1815) urodził się w Little Briton (obecnie Fulton) w Pensylwanii. Co ciekawe, pierwsze wielkie sukcesy w tworzeniu parowozów dla przemysłu, transportu kolejowego i wodnego spadły na los utalentowani ludzie którzy opanowali wiedzę poprzez samokształcenie. Fulton nie był pod tym względem wyjątkiem. Później został inżynierem mechanikiem, Fulton, który pochodził z biednej rodziny, początkowo zajmował się samokształceniem. Fulton mieszkał w Anglii, gdzie zajmował się budową konstrukcji hydrotechnicznych i rozwiązywaniem szeregu innych problemów technicznych. Podczas pobytu we Francji (Paryż) zbudował okręt podwodny „Nautilus” i statek parowy, który testował na Sekwanie. Ale to był dopiero początek.
Prawdziwy sukces przyszedł do Fulton w 1807 roku: po powrocie do Ameryki zbudował 15-tonowy parowiec Claremont, napędzany 20-litrowym silnikiem parowym. z., który w sierpniu 1807 wykonał pierwszy lot z Nowego Jorku do Albany o długości około 280 km.
Dalszy rozwój firmy żeglugowej, zarówno rzecznej, jak i morskiej, przebiegał dość szybko. Ułatwiło to przejście od konstrukcji drewnianych do stalowych statków, zwiększenie mocy i prędkości silników parowych, wprowadzenie śruby napędowej i szereg innych czynników.
Wraz z wynalezieniem silnika parowego człowiek nauczył się zamieniać energię skoncentrowaną w paliwie w ruch, w pracę.
Silnik parowy jest jednym z nielicznych wynalazków w historii, które radykalnie zmieniły obraz świata, zrewolucjonizowały przemysł, transport i dały impuls do nowego rozwoju wiedzy naukowej. Był to wszechstronny silnik dla przemysłu i transportu przez cały XIX wiek, ale jego możliwości nie odpowiadały już wymaganiom silnika, jakie pojawiły się w związku z budową elektrowni i stosowaniem mechanizmów o dużych prędkościach pod koniec XIX wieku.
Turbina szybkoobrotowa o wyższej sprawności wkracza na arenę techniczną jako nowy silnik cieplny zamiast wolnoobrotowego silnika parowego.
Watt, James (1736-1819), szkocki inżynier i wynalazca. Urodzony 19 stycznia 1736 w Greenock, niedaleko Glasgow (Szkocja), w rodzinie kupieckiej. Ze względu na zły stan zdrowia Watt formalnie niewiele się uczył, ale wiele się nauczył. Jako nastolatek lubił astronomię, eksperymenty chemiczne, nauczył się robić wszystko własnymi rękami, a nawet zdobył tytuł „walca wszystkich zawodów” od otaczających go osób.
Większość ludzi uważa go za wynalazcę silnika parowego, ale to nie do końca prawda.
Silniki parowe budowane przez D. Papena, T. Severiego, I. Polzunova, T. Newcomena zaczęły pracować w kopalniach na długo przed D. Wattem. Różniły się strukturalnie, ale najważniejsze w nich było to, że ruch tłoka był spowodowany naprzemiennym ogrzewaniem i chłodzeniem cylindra roboczego. Z tego powodu były powolne i zużywały dużo paliwa.
19 stycznia 1736 urodził się James Watt (James Watt, 1736-1819), wybitny szkocki inżynier i wynalazca, znany przede wszystkim jako twórca ulepszonego silnika parowego. Ale w historii medycyny intensywnej opieki pozostawił jasny ślad swoją współpracą z „Pneumatic Medical Institute” Thomasem Beddo (Beddoes, Thomas, 1760-1808). James Watt zaopatrzył laboratoria instytutu w niezbędny sprzęt. Dzięki jego udziałowi w Instytucie Pneumatyki powstały i przetestowano pierwsze inhalatory, spirometry, gazomierze itp.
Sam James Watt, a także jego żona i jeden z synów wielokrotnie brali udział w eksperymentach naukowych. "Instytut Pneumatyczny" stał się prawdziwym centrum naukowe, w którym badano właściwości różnych gazów i ich wpływ na organizm człowieka. Można powiedzieć, że Thomas Beddo i jego współpracownicy byli pionierami i prekursorami nowoczesnej terapii oddechowej. Niestety, Thomas Beddo błędnie uważał, że gruźlica jest spowodowana nadmiarem tlenu.
Dlatego syn Jamesa Watta, Gregory, przeszedł całkowicie bezużyteczny cykl leczenia wdychanym dwutlenkiem węgla w Instytucie Pneumatycznym. Jednak to właśnie w Instytucie Pneumatycznym tlen został po raz pierwszy użyty do celów terapeutycznych; opracowano podstawy aerozoloterapii; po raz pierwszy zmierzono całkowitą pojemność płuc metodą rozcieńczania wodorem (G. Davy) itp. Zwieńczeniem współpracy Watta i Beddo w zakresie terapeutycznych zastosowań różnych gazów była ich wspólna książka, Materials on the Medical Use of Artificial Varieties of Air, opublikowana w dwóch wydaniach (1794, 1795), która stała się pierwszym specjalnym podręcznikiem na temat Terapia tlenowa.
W 1755 Watt wyjechał do Londynu, aby studiować mechanikę i twórcę instrumentów matematycznych i astronomicznych. Po opanowaniu siedmioletniego programu studiów w ciągu roku Watt wrócił do Szkocji i dostał pracę jako mechanik na Uniwersytecie w Glasgow. W tym samym czasie otworzył własny warsztat naprawczy.
Na Uniwersytecie Watt poznał wielkiego szkockiego chemika Josepha Blacka (1728-1799), który odkrył dwutlenek węgla w 1754 roku. Spotkanie to przyczyniło się do opracowania szeregu nowych urządzeń chemicznych potrzebnych w dalszych badaniach Blacka, takich jak kalorymetr lodowy . W tym czasie Joseph Black zajmował się problemem określania ciepła waporyzacji, a Watt był zaangażowany w zapewnienie strona techniczna eksperymenty.
W 1763 roku jako mechanik uniwersytecki został poproszony o naprawę uniwersyteckiego modelu maszyny parowej T. Newcomena.
W tym miejscu należy zrobić małą dygresję do historii powstania maszyn parowych. Kiedyś uczono nas w szkole, wychowując „wielkomocny szowinizm”, że maszynę parową wynalazł rosyjski mechanik pańszczyźniany Iwan Polzunow, a nie jakiś James Watt, którego rolę w tworzeniu maszyn parowych można było czasem przeczytać w „ źle” z patriotycznego punktu widzenia książek. Ale w rzeczywistości wynalazcą silnika parowego nie jest Ivan Polzunov ani James Watt, ale angielski inżynier Thomas Newcomen (1663-1729).
Co więcej, pierwszą próbę nadania energii na służbę człowiekowi podjął w Anglii już w 1698 r. inżynier wojskowy Thomas Savery (1650?-1715). Stworzył windę parową do odwadniania kopalń i pompowania wody i stał się prototypem silnika parowego.
Maszyna Savery'a działała w następujący sposób: najpierw szczelny zbiornik został napełniony parą, następnie zewnętrzna powierzchnia zbiornika została schłodzona zimną wodą, która skondensowała parę, a w zbiorniku wytworzyła się częściowa próżnia. Następnie woda np. z dna kopalni była zasysana do zbiornika przez rurę wlotową i po wtryśnięciu kolejnej porcji pary była wyrzucana rurą wydechową. Następnie cykl został powtórzony, ale wodę można było podnieść tylko z głębokości mniejszej niż 10,36 m, ponieważ w rzeczywistości była wypychana przez ciśnienie atmosferyczne.
Ta maszyna nie była zbyt udana, ale doprowadziła Papena do jasnego pomysłu zastąpienia prochu wodą. A w 1698 zbudował maszynę parową (w tym samym roku Anglik Savery zbudował też swój „wóz strażacki”). Woda była podgrzewana w pionowym cylindrze z tłokiem w środku, a powstała para wypychała tłok do góry. Gdy para schładzała się i skraplała, tłok był naciskany przez ciśnienie atmosferyczne. Tak więc, poprzez system bloków, maszyna Papen mogła napędzać różne mechanizmy, na przykład pompy.
Angielski wynalazca Thomas Newcomen (1663 - 1729) był zaznajomiony z silnikami parowymi Savery i Papen, który często odwiedzał kopalnie w West Country, gdzie pracował jako kowal, i dlatego dobrze rozumiał, jak potrzebne są niezawodne pompy, aby zapobiec powodzi kopalni. Połączył siły z hydraulikiem i szklarzem Johnem Callie, aby zbudować lepszy model. Ich pierwszy silnik parowy został zainstalowany w kopalni węgla w Staffordshire w 1712 roku.
Podobnie jak w maszynie Papen, tłok poruszał się w pionowym cylindrze, ale cała maszyna Newcomena była znacznie bardziej wyrafinowana. Aby wyeliminować szczelinę między cylindrem a tłokiem, Newcomen zamocował na końcu tego ostatniego elastyczny skórzany krążek i wylał na niego trochę wody.
Para z kotła dostała się do podstawy cylindra i podniosła tłok. Gdy do cylindra wstrzyknięto zimną wodę, para skondensowała się, w cylindrze wytworzyła się próżnia, a tłok opadł pod wpływem ciśnienia atmosferycznego. Ten ruch grzbietowy usuwał wodę z cylindra i za pomocą łańcucha połączonego z wahaczem, który poruszał się jak huśtawka, podniósł pręt pompy do góry. Gdy tłok znajdował się w najniższym punkcie suwu, para ponownie weszła do cylindra i za pomocą przeciwwagi przymocowanej do tłoczyska pompy lub wahacza, tłok został podniesiony do pierwotnego położenia. Następnie cykl został powtórzony.
Samochód Newcomena okazał się jak na tamte czasy niezwykle udanym i był używany w całej Europie przez ponad 50 lat. Był używany do pompowania wody z wielu kopalń w Wielkiej Brytanii. Był to pierwszy w historii techniki produkt na dużą skalę (wyprodukowano kilka tysięcy sztuk).
W 1740 r. maszyna o cylindrze o długości 2,74 mi średnicy 76 cm wykonała w ciągu jednego dnia pracę, którą w tygodniu wykonywały zespoły 25 osób i 10 koni pracujących na zmiany.
W 1775 jeszcze więcej duży samochód, zbudowany przez Johna Smeatona (twórcę latarni morskiej Eddystone), osuszył dok w Kronsztadzie (Rosja) w ciągu dwóch tygodni. Wcześniej przy użyciu wysokich wiatraków trwało to cały rok.
A jednak samochód Newcomena był daleki od ideału. Zamieniał tylko około 1% energii cieplnej na energię mechaniczną iw efekcie zużywał ogromne ilości paliwa, co jednak nie miało większego znaczenia, gdy maszyna pracowała w kopalniach węgla kamiennego.
Ogólnie rzecz biorąc, maszyny Newcomena odegrały ogromną rolę w zachowaniu przemysłu węglowego. Z ich pomocą udało się wznowić wydobycie węgla w wielu zalanych kopalniach.
O wynalazku Newcomena można powiedzieć, że był to tak naprawdę silnik parowy, a raczej silnik parowo-atmosferyczny. Od poprzednich prototypów maszyn parowych wyróżniał się następującymi cechami:
* siłą napędową było ciśnienie atmosferyczne, a rozrzedzenie uzyskano podczas kondensacji pary;
* w cylindrze znajdował się tłok, który pod wpływem pary wykonywał skok roboczy;
* próżnia została osiągnięta w wyniku kondensacji pary wodnej podczas wtrysku zimnej wody do cylindra.
Dlatego w rzeczywistości wynalazcą silnika parowego jest słusznie Anglik Thomas Newcomen, który opracował swój silnik parowo-atmosferyczny w 1712 roku (pół wieku przed Wattem).
Robiąc krótką wycieczkę do historii powstawania maszyn parowych, nie można pominąć osobowości naszego wybitnego rodaka Iwana Iwanowicza Polzunowa (1729-1766), który wcześniej niż James Watt zbudował maszynę parowo-atmosferyczną. Jako mechanik w zakładach górniczych Kolyvano-Voskresensk w Ałtaju 25 kwietnia 1763 r. zaproponował projekt i opis „maszyny ogniowej”. Projekt trafił na stół kierownika zakładu, który go zatwierdził i wysłał do Petersburga, skąd wkrótce nadeszła odpowiedź: „...Ten jego wynalazek dla nowego wynalazku powinien zostać uhonorowany”.
Polzunov zaproponował budowę na początku mały samochód, na którym byłoby możliwe zidentyfikowanie i wyeliminowanie wszystkich wad, które są nieuniknione w nowym wynalazku. Szefowie fabryki nie zgodzili się z tym i postanowili od razu zbudować ogromną maszynę do potężnej dmuchawy. W kwietniu 1764 Polzunov rozpoczął budowę maszyny 15 razy mocniejszej niż projekt z 1763 roku.
Pomysł silnika parowo-atmosferycznego zaczerpnął z książki I. Schlattera „Szczegółowa instrukcja do biznesu rudy ...” (St. Petersburg, 1760).
Ale silnik Polzunova zasadniczo różnił się od angielskich samochodów Savery i Newcomen. Były one jednocylindrowe i nadawały się tylko do pompowania wody z kopalń. Dwucylindrowy silnik ciągły Polzunowa mógł dostarczać dmuch do pieca i wypompowywać wodę. W przyszłości wynalazca miał nadzieję dostosować go do innych potrzeb.
Budowę maszyny powierzono Polzunowowi, któremu pomagali „ci, którzy nie wiedzą, ale tylko jedna skłonność do tego, mając dwóch miejscowych rzemieślników”, a nawet kilku robotników pomocniczych. Z tym „sztabem” Polzunov zaczął budować własny samochód. Budowa trwała rok i dziewięć miesięcy. Gdy maszyna przeszła już pierwszy test, wynalazca zachorował na przemijające zużycie i 16 (28) maja 1766 r., na kilka dni przed ostatecznymi testami, zmarł.
23 maja 1766 r. studenci Połzunowa, Lewzin i Czernicyn, sami zaczęli ostatnie testy silnik parowy. W „Dzienniku” z 4 lipca zauważono, że „działanie maszyny było sprawne”, a 7 sierpnia 1766 r. uruchomiono całą instalację, parowóz i potężną dmuchawę. W ciągu zaledwie trzech miesięcy eksploatacji samochód Polzunowa nie tylko uzasadnił wszystkie koszty jego budowy w wysokości 7233 rubli 55 kopiejek, ale także dał zysk netto w wysokości 12 640 rubli 28 kopiejek. Jednak 10 listopada 1766 r., po wypaleniu się kotła, maszyna stała bezczynnie przez 15 lat, 5 miesięcy i 10 dni. W 1782 roku samochód został zdemontowany. (Encyklopedia terytorium Ałtaju. Barnaul. 1996. T. 2. S. 281-282; Barnaul. Kronika miasta. Barnaul. 1994. h. 1.p.30).
W tym samym czasie w Anglii James Watt pracował również nad stworzeniem silnika parowego. W 1763 roku jako mechanik uniwersytecki został poproszony o naprawę uniwersyteckiego modelu maszyny parowej T. Newcomena.
Debugując uniwersytecki model maszyny parowo-atmosferycznej T. Newcomena, Watt przekonał się o niskiej wydajności takich maszyn. Wpadł na pomysł poprawy parametrów silnika parowego. Było dla niego jasne, że główną wadą maszyny Newcomena było naprzemienne ogrzewanie i chłodzenie cylindra. Jak możemy tego uniknąć? Odpowiedź przyszła do Watta w wiosenne niedzielne popołudnie w 1765 roku. Zdał sobie sprawę, że cylinder może być cały czas gorący, jeśli przed kondensacją para zostanie spuszczona do oddzielnego zbiornika przez rurociąg z zaworem. W takim przypadku przeniesienie procesu kondensacji pary poza cylinder powinno pomóc w zmniejszeniu zużycia pary. Ponadto cylinder może pozostać gorący, a skraplacz zimny, jeśli zewnętrzna strona jest pokryta materiałem termoizolacyjnym.
Udoskonalenia, które Watt wprowadził do silnika parowego (regulator odśrodkowy, oddzielny skraplacz pary, uszczelnienia, itp.), nie tylko podniosły sprawność maszyny, ale ostatecznie przekształciły silnik parowo-atmosferyczny w parowy, a co najważniejsze, maszyna stała się łatwa do kontrolowania.
W 1768 r. złożył wniosek o patent na swój wynalazek. Otrzymał patent w 1769 roku, ale budowa silnika parowego zajęła mu dużo czasu. Dopiero w 1776 roku, przy finansowym wsparciu dr Rebecka, założyciela pierwszego zakładu metalurgicznego w Szkocji, silnik parowy Watta został ostatecznie zbudowany i pomyślnie przetestowany.
Pierwszy samochód Watta okazał się podwojony bardziej wydajny niż maszyna Nowicjusz. Co ciekawe, rozwój, który nastąpił po pierwotnym wynalazku Newcomena, opierał się na koncepcji „osiągów” silnika, co oznaczało liczbę funtów wody pompowanej na buszel węgla. Nie wiadomo, do kogo należała idea tej jednostki. Ta osoba nie przeszła do historii nauki, ale prawdopodobnie był to jakiś ciasny właściciel kopalni, który zauważył, że niektóre silniki pracują wydajniej niż inne i nie mogą pozwolić na dużą produkcję w pobliskiej kopalni.
I choć testy maszyny wypadły pomyślnie, w trakcie jej dalsza eksploatacja stało się jasne, że pierwszy model Watta nie odniósł całkowitego sukcesu, a współpraca z Rebecque została przerwana. Mimo braku funduszy Watt kontynuował prace nad udoskonaleniem silnika parowego. Jego praca zainteresowała Matthew Boultona, inżyniera i bogatego producenta, który był właścicielem zakładu obróbki metali w Soho, niedaleko Birmingham. W 1775 Watt i Boulton zawarli umowę partnerską.
W 1781 roku James Watt otrzymał patent na wynalezienie drugiego modelu swojej maszyny. Wśród wprowadzonych do niego innowacji oraz w kolejnych modelach znalazły się:
* cylinder dwustronnego działania, w którym para była doprowadzana naprzemiennie po różnych stronach tłoka, a zużyta para wchodziła do skraplacza;
* płaszcz płomienia otaczający cylinder roboczy w celu zmniejszenia strat ciepła oraz szpula;
* zamiana ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka na ruch obrotowy wału najpierw za pomocą mechanizmu korbowo-korbowego, a następnie za pomocą przekładni zębatej, która była pierwowzorem przekładnia planetarna;
* regulator odśrodkowy utrzymujący stałą prędkość wału oraz koło zamachowe zmniejszające nierównomierne obroty.
W 1782 roku zbudowano tę niezwykłą maszynę, pierwszy uniwersalny silnik parowy „dwustronnego działania”. Watt wyposażył głowicę cylindra w wynalezioną niedawno uszczelkę olejową, która zapewniała swobodny ruch tłoczyska, ale uniemożliwiała ucieczkę pary z cylindra. Para wchodziła do cylindra na przemian z jednej strony tłoka, potem z drugiej, tworząc podciśnienie z Przeciwna strona cylinder. Dlatego tłok wykonywał zarówno ruchy robocze, jak i wsteczne za pomocą pary, która nie była w stare samochody.
Ponadto w 1782 r. James Watt wprowadził zasadę ekspandera, dzieląc przepływ pary w cylindrze na początku jej przepływu tak, że reszta cyklu zaczęła się rozszerzać pod własnym ciśnieniem. Akcja ekspansji oznacza pewną utratę mocy, ale zysk w „produktywności”. Ze wszystkich tych pomysłów Watta najbardziej przydatny był pomysł ekspansywnego działania. W jego dalszej praktycznej realizacji bardzo to pomogło schemat wskaźników, stworzony około 1790 roku przez asystenta Watta Jamesa Southerna.
Manometr był rejestratorem, który można było przymocować do silnika w celu rejestrowania ciśnienia w cylindrze w funkcji objętości pary dostarczanej przy danym skoku. Pole pod taką krzywą było miarą pracy wykonanej w danym cyklu zegarowym. Wskaźnik został wykorzystany do jak najefektywniejszego dostrojenia silnika. Ten sam schemat stał się później częścią słynnego cyklu Carnota (Sadi Carnot, 1796-1832) w termodynamice teoretycznej.
Ponieważ tłoczysko ciągnęło i wpychało silnik parowy dwustronnego działania, stary napęd łańcuchowo-wahaczowy, który reagował tylko na ciągnięcie, musiał zostać przeprojektowany. Watt opracował sprzężony system łączący i wykorzystał mechanizm planetarny do przekształcenia ruchu posuwisto-zwrotnego tłoczyska w ruch obrotowy za pomocą ciężkiego koła zamachowego, regulatora prędkości odśrodkowej, zaworu tarczowego i manometru do pomiaru ciśnienia pary.
Uniwersalny silnik parowy dwustronnego działania o ciągłym obrocie (silnik parowy Watt) został szeroko przyjęty i odegrał znaczącą rolę w przejściu na produkcja maszyn.
Opatentowany przez Jamesa Watta „obrotowy silnik parowy” był początkowo szeroko stosowany do napędzania maszyn i tokarek w przędzalniach i tkalniach, a później w innych przedsiębiorstwach przemysłowych. Doprowadziło to do gwałtownego wzrostu wydajności pracy. Od tego momentu Brytyjczycy zaczęli liczyć początek wielkiej rewolucji przemysłowej, która wyprowadziła Anglię na czołową pozycję na świecie.
Silnik Jamesa Watta nadawał się do każdej maszyny, a wynalazcy mechanizmów samobieżnych szybko z tego skorzystali. Tak więc maszyna parowa trafiła do transportu (parowiec Fultona, 1807; lokomotywa parowa Stephensona, 1815). Dzięki swojej wyższości w środkach transportu, Anglia stała się wiodącą potęgą na świecie.
W 1785 roku Watt opatentował wynalazek nowego pieca kotłowego, aw tym samym roku jedna z maszyn Watta została zainstalowana w Londynie w browarze Samuela Whitbread do mielenia słodu. Maszyna wykonała robotę zamiast 24 koni. Jego średnica cylindra wynosiła 63 cm, skok tłoka 1,83 m, a średnica koła zamachowego osiągnęła 4,27 m. Samochód przetrwał do dziś, a dziś można go oglądać w akcji w Powerhouse Museum w Sydney.
Boulton & Watt, założona w 1775 roku, doświadczyła wszystkich perypetii życia, od spadku popytu na jej produkty po obronę swoich praw wynalazczych w sądach. Jednak od 1783 roku działalność tej firmy, która zmonopolizowała produkcję maszyn parowych, poszła w górę. Tak więc James Watt stał się bardzo zamożnym człowiekiem, a pomoc dla „Pneumatic Medical Institute” Thomasa Beddo (Beddoes, Thomas, 1760-1808), z którym zaczął w tym czasie współpracować, Watt udzielił bardzo, bardzo znaczącej.
Pomimo swojej energicznej działalności w zakresie tworzenia silników parowych, Watt wycofał się ze stanowiska na Uniwersytecie w Glasgow dopiero w 1800 roku. Osiem lat po przejściu na emeryturę ustanowił „Nagrodę Watta” dla najlepszych studentów i nauczycieli uniwersytetu. Uczelniane laboratorium techniczne, w którym rozpoczął karierę, zaczęło nosić jego imię. Nazwisko Jamesa Watta to także uczelnia w Greenock (Szkocja), rodzinnym mieście wynalazcy.
Ewolucja silnika parowego J. Watta
1774 para
pompa miski olejowej 1781 Silnik parowy
z momentem obrotowym na wale 1784 Silnik parowy
podwójne działanie z KShM
Ciekawe, że kiedyś Watt zaproponował taką jednostkę jako „konie mechaniczne” jako jednostkę mocy. Ta jednostka miary przetrwała do dziś. Ale w Anglii, gdzie Watt jest czczony jako pionier rewolucji przemysłowej, postanowili inaczej. W 1882 roku Brytyjskie Stowarzyszenie Inżynierów postanowiło nazwać go jednostką mocy. Teraz nazwisko Jamesa Watta można odczytać na każdej żarówce. Był to pierwszy w historii technologii przypadek nadania jednostce miary nazwy własnej. Od tego przypadku rozpoczęła się tradycja nadawania nazw własnych jednostkom miary.
Watt żył długie życie i zmarł 19 sierpnia 1819 w Heathfield koło Birmingham. Na pomniku Jamesa Watta jest napisane: „Wzrost władzy człowieka nad naturą”. Tak współcześni oceniali działalność sławnych angielski wynalazca.
Silnik parowy
Silnik parowy- silnik cieplny o spalaniu zewnętrznym, który zamienia energię pary wodnej na pracę mechaniczną ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka, a następnie na ruch obrotowy wału. W szerszym znaczeniu silnik parowy to dowolny silnik spalinowy, który przetwarza energię pary w pracę mechaniczną.
Pierwszą maszynę parową zbudowano w XVII wieku. Papen w 1690 r. i przedstawiał cylinder z tłokiem, który został podniesiony przez działanie pary i obniżony przez ciśnienie atmosferyczne po zagęszczeniu pary wylotowej. Na tej samej zasadzie w 1705 r. zbudowano maszyny parowe Severi i Newcomen do pompowania wody z kopalń. Ostatecznych ulepszeń silnika parowego dokonał James Watt w 1769 roku.
Wynalazek i rozwój
silnik wat pary fabryka
Pierwsze znane urządzenie, napędzane parą, opisał w I wieku Heron z Aleksandrii. Para wydobywająca się stycznie z dysz zamocowanych na kuli wprawiała kulę w ruch obrotowy. Prawdziwy turbina parowa został wynaleziony znacznie później, w średniowiecznym Egipcie, przez tureckiego astronoma, fizyka i inżyniera XVI-wiecznego Takyuddina ash-Shami. Zaproponował metodę obracania rożna za pomocą strumienia pary kierowanej na łopatki zamocowane wzdłuż obręczy koła. Podobną maszynę zaproponował w 1629 włoski inżynier Giovanni Branca do obracania cylindrycznego urządzenia kotwiczącego, które z kolei podniosło i uwolniło parę tłuczek w moździerzach. Przepływ pary w tych wczesnych turbinach parowych nie był skoncentrowany, a większość jej energii była rozpraszana we wszystkich kierunkach, co powodowało znaczne straty energii.
Jednak dalszy rozwój silnika parowego wymagał środowiska ekonomicznego, w którym projektanci silników mogliby czerpać korzyści z ich wyników. Takie warunki nie istniały ani w starożytności, ani w średniowieczu, ani w renesansie. Pierwszą maszynę stworzył hiszpański wynalazca Jeronimo Ayans de Beaumont, którego wynalazki wpłynęły na patent T. Severiego. Zasadę działania i użytkowania maszyn parowych opisał także w 1655 r. Anglik Edward Somerset. W 1663 opublikował projekt i zainstalował parowe urządzenie do podnoszenia wody na ścianie Wielkiej Wieży na zamku Raglan (wgłębienia w murze, w którym zainstalowano silnik, były widoczne jeszcze w XIX wieku). Jednak nikt nie chciał ryzykować pieniędzy na tę rewolucyjną nową koncepcję, a silnik parowy pozostał nierozwinięty. Jednym z eksperymentów francuskiego fizyka i wynalazcy Denisa Papina było wytworzenie próżni w zamkniętym cylindrze. W połowie lat siedemdziesiątych XVII wieku w Paryżu, we współpracy z holenderskim fizykiem Huygensem, pracował nad maszyną, która wypychała powietrze z cylindra, eksplodując w nim proch strzelniczy. Widząc niekompletność powstałej przez to próżni, Papen, po przybyciu do Anglii w 1680 roku, stworzył wersję tego samego cylindra, w której otrzymał pełniejszą próżnię za pomocą wrzącej wody, która skondensowała się w cylindrze. W ten sposób był w stanie podnieść ciężar przymocowany do tłoka za pomocą liny przerzuconej przez bloczek. System działał tylko jako model demonstracyjny: aby powtórzyć proces, cała aparatura musiała zostać zdemontowana i ponownie złożona. Papen szybko zdał sobie sprawę, że aby zautomatyzować cykl, para musi być produkowana oddzielnie w kotle. Dlatego Papen jest uważany za wynalazcę kotła parowego, co toruje drogę dla silnika parowego Newcomen. Nie zaproponował jednak projektu działającego silnika parowego. Papen zaprojektował również łódź napędzaną reaktywnym kołem w połączeniu koncepcji Taqi ad-Din i Severi; przypisuje się mu także wynalezienie wielu ważne urządzenia takich jak zawór bezpieczeństwa.
Żadne z opisanych urządzeń nie zostało w rzeczywistości wykorzystane jako środek do rozwiązywania pożytecznych problemów. Pierwszym silnikiem parowym użytym do produkcji był „wóz strażacki” zaprojektowany przez angielskiego inżyniera wojskowego Thomasa Severiego w 1698 roku. Severi otrzymał patent na swoje urządzenie w 1698 roku. Była to pompa parowa tłokowa i oczywiście niezbyt wydajna, ponieważ ciepło pary tracone było za każdym razem, gdy zbiornik był chłodzony, i dość niebezpieczna w eksploatacji, ponieważ ze względu na wysokie ciśnienie pary czasami zbiorniki i rurociągi silnika eksplodował. Ponieważ urządzenie to mogło służyć zarówno do obracania kół młyna wodnego, jak i do wypompowywania wody z kopalń, wynalazca nazwał go „przyjacielem górnika”.
Następnie angielski kowal Thomas Newcomen zademonstrował swój „silnik atmosferyczny” w 1712 roku. Był to ulepszony silnik parowy Severi, w którym Newcomen znacznie się zmniejszył ciśnienie operacyjne para. Pierwszym zastosowaniem silnika Newcomen było pompowanie wody z głębokiego szybu. W pompie kopalnianej ramię wahacza było połączone z ciągiem, który schodził w głąb kopalni do komory pompy. Ruchy posuwisto-zwrotne przenoszone były na tłok pompy, który dostarczał wodę do góry. To właśnie pompa Newcomen stała się pierwszym silnikiem parowym, który znalazł szerokie zastosowanie w praktyce.
W 1781 roku James Watt opatentował silnik parowy, który wytwarzał ciągły ruch obrotowy wału (w przeciwieństwie do pompy parowej Newcomena). Silnik o mocy dziesięciu koni mechanicznych, zasilany węglem i wodą, był możliwy do zainstalowania i używania w dowolnym miejscu i w dowolnym celu. Zwyczajowo początek rewolucji przemysłowej w Anglii kojarzy się z silnikiem Watta.
Pierwszy w Rosji dwucylindrowy silnik parowy próżniowy został zaprojektowany przez mechanika I.I. Polzunova w 1763 i zbudowany w 1764 do obsługi miechów w fabrykach Barnaul Kolyvano-Voskresensk.
Dalszym wzrostem wydajności było zastosowanie pary wysokociśnieniowej (Amerykanin Oliver Evans i Anglik Richard Trevithick). Trevithick z powodzeniem zbudował wysokociśnieniowe przemysłowe silniki jednosuwowe znane jako „silniki Cornish”. Pracowały przy 50 psi, czyli 345 kPa (3,405 atmosfer). Jednak wraz ze wzrostem ciśnienia pojawiło się również duże niebezpieczeństwo wybuchów w maszynach i kotłach, co początkowo prowadziło do licznych wypadków. Z tego punktu widzenia najbardziej ważny element maszyna wysokociśnieniowa miała zawór bezpieczeństwa, który uwalniał nadciśnienie. Niezawodna i bezpieczna eksploatacja rozpoczęła się dopiero wraz z gromadzeniem doświadczenia i ujednoliceniem procedur budowy, eksploatacji i konserwacji sprzętu.
Francuski wynalazca Nicolas-Joseph Cugno w 1769 roku zademonstrował pierwszy aktywny samobieżny pojazd parowy: „fardier a vapeur” (wózek parowy). Być może jego wynalazek można uznać za pierwszy samochód. Samobieżny ciągnik parowy okazał się bardzo przydatny jako mobilne źródło energii mechanicznej, które wprawiało w ruch inne maszyny rolnicze: młocarnie, prasy itp. Już w 1788 r. regularny serwis odbywał parowiec zbudowany przez Johna Fitcha na rzece Delaware między Filadelfią (Pensylwania) a Burlington (stan Nowy Jork). Zabrał na pokład 30 pasażerów i szedł z prędkością 7-8 węzłów. 21 lutego 1804 roku w zakładach Penidarren Steel Works w Merthyr Tydville w Południowej Walii wystawiono pierwszą samobieżną lokomotywę parową, zbudowaną przez Richarda Trevithick.
Proces wymyślania silnika parowego, jak to często bywa w technice, ciągnął się przez prawie wiek, więc wybór daty tego wydarzenia jest dość arbitralny. Nikt jednak nie zaprzecza, że przełomu, który doprowadził do rewolucji technologicznej, dokonał Szkot James Watt.
Ludzie myśleli o wykorzystaniu pary jako ciała roboczego nawet w czasach starożytnych. Jednak dopiero na przełomie XVII-XVIII wieku. udało się znaleźć sposób na pożyteczną pracę z parą. Jedna z pierwszych prób wykorzystania pary na usługi człowieka została podjęta w Anglii w 1698 roku: maszyna wynalazcy Savery została zaprojektowana do odwadniania kopalń i pompowania wody. Co prawda wynalazek Savery nie był jeszcze silnikiem w pełnym tego słowa znaczeniu, ponieważ poza kilkoma ręcznie otwieranymi i zamykanymi zaworami nie było w nim żadnych ruchomych części. Maszyna Savery'a działała w następujący sposób: najpierw szczelny zbiornik został napełniony parą, następnie zewnętrzna powierzchnia zbiornika została schłodzona zimną wodą, która skondensowała parę, a w zbiorniku wytworzyła się częściowa próżnia. Następnie woda - np. z dna kopalni - była zasysana do zbiornika przez rurę wlotową i po wstrzyknięciu kolejnej porcji pary była wyrzucana.
Pierwszą maszynę parową z tłokiem zbudował Francuz Denis Papin w 1698 roku. Wewnątrz pionowego cylindra z tłokiem podgrzewano wodę, a powstała para wypychała tłok do góry. Gdy para schładzała się i skraplała, tłok był naciskany przez ciśnienie atmosferyczne. Dzięki systemowi bloków silnik parowy Papena mógł napędzać różne mechanizmy, takie jak pompy.
Bardziej doskonała maszyna została zbudowana w 1712 roku przez angielskiego kowala Thomasa Newcomena. Podobnie jak w maszynie Papen tłok poruszał się w pionowym cylindrze. Para z kotła dostała się do podstawy cylindra i podniosła tłok. Gdy do cylindra wstrzyknięto zimną wodę, para skondensowała się, w cylindrze wytworzyła się próżnia, a tłok opadł pod wpływem ciśnienia atmosferycznego. Ten ruch grzbietowy usuwał wodę z cylindra i za pomocą łańcucha połączonego z wahaczem, który poruszał się jak huśtawka, podniósł pręt pompy do góry. Gdy tłok znajdował się w najniższym punkcie suwu, para ponownie weszła do cylindra i za pomocą przeciwwagi przymocowanej do tłoczyska pompy lub wahacza, tłok został podniesiony do pierwotnego położenia. Następnie cykl został powtórzony.
Maszyna Newcomen jest szeroko stosowana w Europie od ponad 50 lat. W latach czterdziestych XVIII wieku maszyna z cylindrem o długości 2,74 mi średnicy 76 cm wykonała pracę w ciągu jednego dnia, co zespół 25 osób i 10 koni, pracujących w systemie zmianowym, wykonał w ciągu tygodnia. A jednak jego wydajność była niezwykle niska.
Rewolucja przemysłowa najdobitniej objawiła się w Anglii, przede wszystkim w przemyśle włókienniczym. Niedopasowanie między podażą tkanin a szybko rosnącym popytem przyciągnęło najlepsze umysły projektantów do rozwoju maszyn przędzalniczych i tkackich. Nazwiska Cartwright, Kay, Crompton, Hargreaves na zawsze weszły do historii angielskiej technologii. Jednak stworzone przez nich maszyny przędzalnicze i tkackie potrzebowały jakościowo nowego, uniwersalnego silnika, który w sposób ciągły i równomierny (tego nie mogło zapewnić koło wodne) wprowadzałby maszyny w jednokierunkowy ruch obrotowy. To tutaj w całej okazałości ujawnił się talent słynnego inżyniera, „czarnoksiężnika z Greenock” Jamesa Watta.
Watt urodził się w szkockim mieście Greenock w rodzinie stoczniowca. Pracując jako praktykant w warsztatach w Glasgow, w ciągu pierwszych dwóch lat James zdobył kwalifikacje grawera, mistrza w wytwarzaniu przyrządów matematycznych, geodezyjnych, optycznych i różnych przyrządów nawigacyjnych. Za radą wuja profesora James wstąpił na miejscowy uniwersytet jako mechanik. To tutaj Watt rozpoczął pracę nad silnikami parowymi.
James Watt próbował ulepszyć parowo-atmosferyczny silnik Newcomena, który generalnie nadawał się tylko do pompowania wody. Było dla niego jasne, że główną wadą maszyny Newcomena było naprzemienne ogrzewanie i chłodzenie cylindra. W 1765 roku Watt wpadł na pomysł, że cylinder może być stale gorący, jeśli przed kondensacją para zostanie spuszczona do oddzielnego zbiornika rurociągiem z zaworem. Ponadto Watt wprowadził kilka innych ulepszeń, które ostatecznie przekształciły silnik parowo-atmosferyczny w parowy. Wynalazł na przykład mechanizm zawiasowy - "Równoległobok Watta" (tak zwany bo niektóre ogniwa - dźwignie tworzące równoległobok), który zamieniał ruch posuwisto-zwrotny tłoka na ruch obrotowy wału głównego. Teraz krosna mogły pracować nieprzerwanie.
W 1776 roku samochód Watta został przetestowany. Jej wydajność okazała się dwukrotnie wyższa od maszyny Newcomena. W 1782 roku Watt zbudował pierwszy uniwersalny silnik parowy dwustronnego działania. Para wchodziła do cylindra na przemian z jednej strony tłoka, a potem z drugiej. Dlatego tłok wykonywał zarówno ruch roboczy, jak i odwrotny za pomocą pary, której nie było w poprzednich maszynach. Ponieważ tłoczysko ciągnęło i wpychało silnik parowy dwustronnego działania, stary napęd łańcuchowo-wahaczowy, który reagował tylko na ciągnięcie, musiał zostać przeprojektowany. Watt opracował sprzężony system łączący i wykorzystał mechanizm planetarny do przekształcenia ruchu posuwisto-zwrotnego tłoczyska w ruch obrotowy za pomocą ciężkiego koła zamachowego, regulatora prędkości odśrodkowej, zaworu tarczowego i manometru do pomiaru ciśnienia pary. Opatentowany przez Watta „obrotowy silnik parowy” był najpierw szeroko stosowany w przędzalniach i tkalniach, a później w innych przedsiębiorstwach przemysłowych. Silnik Watta nadawał się do każdej maszyny, a wynalazcy mechanizmów samobieżnych szybko z tego skorzystali.
Silnik parowy Watta był prawdziwym wynalazkiem stulecia i początkiem rewolucji przemysłowej. Ale wynalazca nie poprzestał na tym. Sąsiedzi niejednokrotnie obserwowali ze zdumieniem, jak Watt gonił konie po łące, ciągnąc specjalnie dobrane ciężary. Tak pojawiła się jednostka mocy - moc, która następnie zyskała powszechne uznanie.
Niestety trudności finansowe zmusiły Watta, już w wieku dorosłym, do prowadzenia badań geodezyjnych, prac przy budowie kanałów, budowy portów i przystani, a wreszcie do zawarcia zniewalającego gospodarczo sojuszu z przedsiębiorcą Johnem Rebeckiem, który wkrótce doznał całkowitego załamania finansowego.