Motoarele cu aburi au fost folosite ca motor de conducere în stațiile de pompare, locomotive, nave cu aburi, tractoare, vagoane cu aburi și alte vehicule. Motoarele cu abur au contribuit la utilizarea comercială pe scară largă a mașinilor în fabrici și au oferit baza energetică pentru revoluția industrială din secolul al XVIII-lea. Mai târziu, motoarele cu abur au fost înlocuite de motoare cu ardere internă, turbine cu abur și motoare electrice, a căror eficiență este mai mare.

Invenție și dezvoltare

Primul dispozitiv cunoscut, alimentat cu abur, a fost descris de Heron din Alexandria în primul secol. Aburul care iese tangențial din duzele atașate la minge a făcut-o pe aceasta din urmă să se rotească. Adevărata turbină cu abur a fost inventată mult mai târziu, în Egiptul medieval, de către filozoful, astronomul și inginerul arab din secolul al XVI-lea Taki ad-Din Muhammad ( Engleză). El a propus o metodă de rotire a scuipatului prin intermediul unui flux de abur îndreptat către lamele fixate de-a lungul marginii roții. O mașină similară a fost propusă în 1629 de inginerul italian Giovanni Branca pentru rotirea unui dispozitiv de ancorare cilindric, care la rândul său a ridicat și a eliberat o pereche de pistiluri în mortare. Fluxul de abur din aceste turbine cu abur timpurie nu a fost concentrat, iar cea mai mare parte a energiei sale a fost disipată în toate direcțiile, ducând la pierderi semnificative de energie.

Cu toate acestea, dezvoltarea în continuare a motorului cu abur a necesitat un mediu economic în care proiectanții de motoare să poată beneficia de rezultatele lor. Asemenea condiții nu existau nici în antichitate, nici în Evul Mediu, nici în Renaștere. Abia la sfârșitul secolului al XVII-lea, motoarele cu abur au fost create ca curiozități unice. Prima mașină a fost creată de inventatorul spaniol Jerónimo Ayans de Beaumont, ale cărui invenții au influențat brevetul lui T. Severi (vezi mai jos). Principiul de funcționare și utilizare a motoarelor cu abur a fost descris și în 1655 de englezul Edward Somerset. În 1663, a publicat un proiect și a instalat un dispozitiv alimentat cu abur pentru a ridica apa pe peretele Marelui Turn de la Castelul Raglan (adânciturile din peretele unde a fost instalat motorul erau încă vizibile în secolul al XIX-lea). Cu toate acestea, nimeni nu a fost dispus să riște bani pentru acest nou concept revoluționar, iar motorul cu abur a rămas nedezvoltat. Unul dintre experimentele fizicianului și inventatorului francez Denis Papin a fost crearea unui vid într-un cilindru închis. La mijlocul anilor 1670 la Paris, în colaborare cu fizicianul olandez Huygens, a lucrat la o mașină care a forțat aerul să iasă dintr-un cilindru explodând praful de pușcă în el. Văzând incompletitudinea vidului creat de aceasta, Papen, după sosirea sa în Anglia în 1680, a creat o versiune a aceluiași cilindru, în care a primit un vid mai complet cu ajutorul apei clocotite, care s-a condensat în cilindru. Astfel, a putut ridica greutatea atașată pistonului cu o frânghie aruncată peste scripete. Sistemul a funcționat ca un model demonstrativ, dar pentru a repeta procesul, întregul aparat a trebuit să fie demontat și reasamblat. Papen și-a dat seama repede că pentru a automatiza ciclul, aburul trebuie să fie produs separat într-un cazan. Prin urmare, Papen este considerat inventatorul cazanului cu abur, deschizând astfel calea motorului cu abur Newcomen. Cu toate acestea, el nu a oferit proiectarea unei mașini cu aburi care funcționează. Papen a proiectat și o barcă propulsată de o roată reactivă într-o combinație a conceptelor Taqi ad-Din și Severi; i se atribuie, de asemenea, că a inventat multe dispozitive importante cum ar fi o supapă de siguranță.

Niciunul dintre dispozitivele descrise nu a fost folosit efectiv ca mijloc de rezolvare a unor probleme utile. Prima mașină cu abur folosită în producție a fost o „mașină de pompieri” proiectată de inginerul militar englez Thomas Severi în 1698. Severi a primit un brevet pentru dispozitivul său în 1698. Era o pompă cu abur cu piston și, evident, nu era foarte eficientă, deoarece căldura aburului se pierdea de fiecare dată când recipientul era răcit și era destul de periculos în funcționare, deoarece datorită presiunii ridicate a aburului, containerele și conductele motorului uneori a explodat. Deoarece acest dispozitiv putea fi folosit atât pentru a roti roțile unei mori de apă, cât și pentru a pompa apa din mine, inventatorul l-a numit „prietenul minerului”.

Primul motor cu abur cu vid cu doi cilindri din Rusia a fost proiectat de mecanicul I.I.Polzunov în 1763 și construit în 1764 pentru a antrena burduful suflantei de la fabricile Barnaul Kolyvano-Voskresensk.

O nouă creștere a eficienței a fost utilizarea aburului de înaltă presiune (americanul Oliver Evans și englezul Richard Trevithick). Trevithick a construit cu succes motoarele industriale de înaltă presiune, într-un singur timp, cunoscute sub numele de „Motoarele Cornish”. Au funcționat la 50 psi sau 345 kPa (3,405 atmosfere). Cu toate acestea, odată cu creșterea presiunii, a existat, de asemenea, un mare pericol de explozie la mașini și cazane, ceea ce a dus la început la numeroase accidente. Din acest punct de vedere, cel mai mult element important mașinile de înaltă presiune aveau o supapă de siguranță care elibera excesul de presiune. De încredere și operare sigură a început doar cu acumularea de experiență și standardizarea procedurilor de construcție, exploatare și întreținere a echipamentelor. Inventatorul francez Nicholas-Joseph Cugno a demonstrat în 1769 primul vehicul cu abur autopropulsat funcțional: „fardier à vapeur” (cărucior cu abur). Poate că invenția sa poate fi considerată prima mașină. Tractorul cu abur autopropulsat s-a dovedit a fi foarte util ca sursă mobilă de energie mecanică, care a pus în mișcare și alte mașini agricole: treieratoare, prese etc. În 1788, un vapor cu aburi construit de John Fitch făcea deja un serviciu regulat. pe râul Delaware între Philadelphia (Pennsylvania) și Burlington (statul New York). A ridicat 30 de pasageri la bord și a mers cu o viteză de 7-8 noduri. La 21 februarie 1804, prima locomotivă feroviară cu abur autopropulsată, construită de Richard Trevithick, a fost expusă la Penidarren Steel Works din Merthyr Tydville din Țara Galilor de Sud.

Motoare cu abur alternative

Motoarele alternative folosesc energia aburului pentru a deplasa un piston într-o cameră sau cilindru etanș. Acțiunea alternativă a pistonului poate fi transformată mecanic în mișcare liniară a pompelor cu piston sau în mișcare rotativă pentru a antrena părți rotative ale mașinilor-unelte sau roților vehiculului.

Mașini de vid

Gravarea motorului Newcomen. Această imagine este copiată dintr-un desen din Desagliers' A Course in Experimental Philosophy, 1744, care este o copie modificată a unei gravuri a lui Henry Beaton datată 1717. Probabil că prezintă un al doilea [hoi] motor Newcomen, instalat în jurul anului 1714 la mina de cărbune Gryph din Workshire.

Primele motoare cu aburi au fost numite inițial „motoare de pompieri” și motoarele „atmosferice” sau „condensate” ale lui Watt. Ei au lucrat pe principiul vidului și, prin urmare, sunt cunoscuți și sub numele de „ motoare cu vid". Astfel de mașini au funcționat pentru acționarea pompelor cu piston, în orice caz, nu există dovezi că ar fi fost utilizate în alte scopuri. La operarea unei mașini cu abur de tip vid la începutul ciclului, aburul presiune scăzută admis în camera de lucru sau cilindru. Supapă de admisie apoi se inchide si aburul se raceste, condensand. Într-un motor Newcomen, apa de răcire este pulverizată direct în cilindru și condensul se scurge într-un colector de condens. Acest lucru creează un vid în cilindru. Presiunea atmosferică din partea superioară a cilindrului apasă pe piston și îl face să se miște în jos, adică cursa de lucru.

Răcirea și reîncălzirea constantă a cilindrului auxiliar al mașinii a fost foarte risipitoare și ineficientă, cu toate acestea, aceste motoare cu abur au fost capabile să pompeze apă de la adâncimi mai adânci decât era posibil înainte de apariția lor. În 1774, a apărut o versiune a motorului cu aburi, creată de Watt în colaborare cu Matthew Boulton, a cărei principală inovație a fost introducerea procesului de condensare într-o cameră separată specială (condensator). Această cameră a fost plasată într-o baie de apă rece și conectată la cilindru printr-un tub suprapus de o supapă. O pompă specială de vid mică (un prototip de pompă de condens) a fost conectată la camera de condensare, acționată de un balansoar și folosită pentru a îndepărta condensul din condensator. Apa caldă rezultată a fost alimentată de o pompă specială (un prototip de pompă de alimentare) înapoi la cazan. O altă inovație radicală a fost închiderea capătului superior al cilindrului de lucru, în partea superioară a căruia se afla acum abur de presiune scăzută. Același abur era prezent și în mantaua dublă a cilindrului, menținându-i temperatura constantă. În timpul mișcării în sus a pistonului, acești vapori erau transmisi prin conducte speciale în partea inferioară a cilindrului pentru a suferi condens în cursa următoare. Mașina, de fapt, a încetat să mai fie „atmosferică”, iar puterea sa depindea acum de diferența de presiune dintre aburul de joasă presiune și vidul pe care îl putea obține.

Versiunea motorului cu aburi creată de Watt

La motorul cu abur Newcomen, pistonul a fost lubrifiat cantitate mică apă a turnat peste el de sus, în mașina lui Watt acest lucru a devenit imposibil, deoarece acum era abur în partea superioară a cilindrului, a fost necesar să treceți la lubrifiere cu un amestec de grăsime și ulei. Aceeași unsoare a fost folosită la etanșarea tijei cilindrului.

Motoarele cu abur cu vid, în ciuda limitărilor evidente ale eficienței lor, erau relativ sigure, foloseau abur de joasă presiune, ceea ce era destul de în concordanță cu nivelul general scăzut al tehnologiei cazanelor din secolul al XVIII-lea. Puterea mașinii a fost limitată de presiunea scăzută a aburului, dimensiunea cilindrului, viteza de ardere a combustibilului și evaporarea apei în cazan, precum și dimensiunea condensatorului. Eficiența teoretică maximă a fost limitată de diferența de temperatură relativ mică de pe ambele părți ale pistonului; acest lucru a făcut ca mașinile de vid destinate uzului industrial să fie prea mari și costisitoare.

Distribuție de abur

Diagrama indicatoare care arată ciclul în patru faze al unui motor cu abur alternativ cu dublă acțiune

La majoritatea motoarelor cu abur cu piston, aburul își schimbă direcția la fiecare cursă a ciclului de lucru, intrând și ieșind din cilindru prin același colector. Ciclu complet Motorul face o rotație completă a manivelei și constă din patru faze - admisie, expansiune (faza de lucru), evacuare și compresie. Aceste faze sunt controlate de supape într-o „cutie de abur” adiacentă cilindrului. Supapele controlează fluxul de abur conectând în serie galeriile de pe fiecare parte a cilindrului de lucru la admisie și colector de evacuare motor cu aburi. Supapele sunt acționate de un anumit tip de mecanism de supapă. Cel mai simplu mecanism de supapă oferă o durată fixă ​​a fazelor de lucru și, de obicei, nu are capacitatea de a schimba direcția de rotație a arborelui mașinii. Majoritate mecanismele supapelor sunt mai perfecte, au un mecanism invers și, de asemenea, vă permit să reglați puterea și cuplul mașinii prin schimbarea „tăierii cu abur”, adică prin modificarea raportului dintre fazele de admisie și expansiune. Deoarece, de obicei, aceeași supapă glisantă controlează atât debitul de intrare, cât și cel de ieșire al aburului, schimbarea acestor faze afectează și simetric relația dintre fazele de evacuare și compresie. Și aici există o problemă, deoarece raportul dintre aceste faze nu ar trebui să se schimbe în mod ideal: dacă faza de evacuare devine prea scurtă, atunci cea mai mare parte a aburului de evacuare nu va avea timp să părăsească cilindrul și va crea o contrapresiune semnificativă în compresie. fază. În anii 1840 și 1850, s-au făcut multe încercări de a ocoli această limitare, în principal prin crearea de circuite cu supapă suplimentară tăieturi instalate pe supapa de control principală, dar astfel de mecanisme nu au arătat o funcționare satisfăcătoare, în plus, s-au dovedit a fi prea scumpe și complicate. De atunci, soluția obișnuită de compromis a fost lungirea suprafețelor glisante ale supapelor glisante, astfel încât orificiul de admisie să fie închis mai mult decât orificiul de evacuare. Ulterior, au fost dezvoltate circuite cu supape de admisie si evacuare separate, care puteau asigura un ciclu de functionare aproape ideal, dar aceste circuite au fost rar aplicate in practica, mai ales in transport, datorita complexitatii lor si a problemelor de exploatare rezultate.

Comprimare

Fereastra de evacuare a cilindrului motorului cu abur se închide puțin mai devreme decât atinge pistonul poziție extremă, care lasă o anumită cantitate de abur de evacuare în cilindru. Aceasta înseamnă că există o fază de compresie în ciclul de lucru, care formează așa-numita „pernă de abur”, care încetinește mișcarea pistonului în pozițiile sale extreme. În plus, se îndepărtează scădere bruscă presiune chiar la începutul fazei de admisie, când aburul proaspăt intră în cilindru.

Avans

Efectul descris al „pernei de abur” este sporit și de faptul că intrarea aburului proaspăt în cilindru începe ceva mai devreme decât pistonul ajunge în poziția finală, adică există un anumit avans al admiterii. Acest avans este necesar pentru ca înainte ca pistonul să-și înceapă cursa de lucru sub acțiunea aburului proaspăt, aburul să aibă timp să umple spațiul mort care a apărut ca urmare a fazei anterioare, adică canalele de admisie-evacuare și volumul cilindrului care nu este utilizat pentru deplasarea pistonului.

Extensie simplă

Expansiunea simplă presupune că aburul funcționează numai atunci când se extinde în cilindru, iar aburul de evacuare este eliberat direct în atmosferă sau intră într-un condensator special. În acest caz, căldura reziduală a aburului poate fi utilizată, de exemplu, pentru încălzirea unei încăperi sau a unui vehicul, precum și pentru preîncălzirea apei care intră în cazan.

Compus

În timpul procesului de expansiune în cilindrul mașinii de înaltă presiune, temperatura aburului scade proporțional cu expansiunea sa. Deoarece nu există schimb de căldură în acest caz (proces adiabatic), se dovedește că aburul intră în cilindru cu o temperatură mai mare decât cea care pleacă. Astfel de schimbări de temperatură în cilindru duc la o scădere a eficienței procesului.

Una dintre metodele de a trata această diferență de temperatură a fost propusă în 1804 de inginerul englez Arthur Wolfe, care a brevetat Mașină de abur compus de înaltă presiune Wolfe... În această mașină, aburul la temperatură înaltă dintr-un cazan de abur a fost alimentat într-un cilindru de înaltă presiune, iar după aceea, aburul evacuat în acesta cu o temperatură și o presiune mai scăzute a intrat în cilindrul (sau cilindrii) de joasă presiune. Acest lucru a redus scăderea temperaturii în fiecare cilindru, ceea ce, în general, a redus pierderile de temperatură și a îmbunătățit coeficientul general de performanță. acțiune utilă motor cu aburi. Aburul de joasă presiune avea un volum mai mare și, prin urmare, necesita un volum mai mare al cilindrului. Prin urmare, la mașinile compuse, cilindrii de joasă presiune aveau un diametru mai mare (și uneori mai lung) decât cilindrii de înaltă presiune.

Acest lucru este cunoscut și sub numele de expansiune dublă, deoarece expansiunea aburului are loc în două etape. Uneori, un cilindru de înaltă presiune a fost asociat cu doi cilindri de joasă presiune, rezultând trei cilindri de aproximativ aceeași dimensiune. Acest aranjament era mai ușor de echilibrat.

Mașinile de amestecare cu doi cilindri pot fi clasificate astfel:

• Compus încrucișat- Cilindrii sunt situati unul langa altul, conductele lor de abur sunt incrucisate.
• Compus tandem- Cilindrii sunt aranjati in serie si folosesc o tija.
• Compus de colț- Cilindrii sunt înclinați între ei, de obicei la 90 de grade, și lucrează pe o manivelă.

După anii 1880, motoarele cu abur compuse s-au răspândit în producție și transport și au devenit practic singurul tip folosit pe navele cu abur. Utilizarea lor pe locomotive cu abur nu a fost atât de răspândită, deoarece s-au dovedit a fi prea dificile, în parte din cauza faptului că condițiile de lucru ale locomotivelor cu abur în transportul feroviar erau dificile. În ciuda faptului că locomotivele compuse nu au devenit niciodată un fenomen de masă (mai ales în Marea Britanie, unde erau foarte rare și nu erau folosite deloc după anii 1930), au câștigat o oarecare popularitate în mai multe țări.

Extensie multiplă

Dezvoltarea logică a schemei compuse a fost adăugarea de etape suplimentare de expansiune, care au crescut eficiența lucrării. Rezultatul a fost o schemă de expansiune multiplă cunoscută sub numele de mașini de expansiune triplă sau chiar cvadruplă. Aceste motoare cu abur foloseau o serie de cilindri cu dublă acțiune, al căror volum creștea cu fiecare treaptă. Uneori, în loc să se mărească volumul cilindrilor de joasă presiune, se folosea o creștere a numărului acestora, la fel ca la unele mașini compuse.

Imaginea din dreapta arată funcționarea unui motor cu abur cu triplă expansiune. Aburul curge prin mașină de la stânga la dreapta. Blocul de supape al fiecărui cilindru este situat în stânga cilindrului corespunzător.

Apariția acestui tip de motoare cu abur a devenit deosebit de relevantă pentru flotă, deoarece cerințele de dimensiune și greutate pentru vehiculele de navă nu erau foarte stricte și, cel mai important, o astfel de schemă a făcut ușoară utilizarea unui condensator care returnează aburul rezidual sub formă de apă dulce înapoi la cazan (nu a fost posibilă folosirea apei sărate de mare pentru a alimenta cazanele). Motoarele cu abur de la sol nu aveau, de obicei, probleme cu alimentarea cu apă și, prin urmare, puteau descărca aburul rezidual în atmosferă. Prin urmare, o astfel de schemă a fost mai puțin relevantă pentru ei, mai ales având în vedere complexitatea, dimensiunea și greutatea sa. Dominația motoarelor cu abur cu expansiune multiplă sa încheiat doar odată cu apariția și utilizarea pe scară largă a turbinelor cu abur. Cu toate acestea, turbinele moderne cu abur folosesc același principiu de separare a debitului în secțiuni de presiune ridicată, medie și joasă.

Mașini cu abur cu flux direct

Motoarele cu abur cu flux direct au apărut ca urmare a unei încercări de a depăși un dezavantaj inerent motoarelor cu abur cu distribuție tradițională a aburului. Faptul este că aburul dintr-un motor cu abur convențional își schimbă în mod constant direcția de mișcare, deoarece aceeași fereastră este utilizată atât pentru intrarea, cât și pentru evacuarea aburului de fiecare parte a cilindrului. Când aburul de evacuare părăsește cilindrul, acesta răcește pereții și canalele de distribuție a aburului. Aburul proaspăt, în consecință, cheltuiește o anumită parte a energiei pentru încălzirea lor, ceea ce duce la o scădere a eficienței. Motoarele cu abur cu flux direct au o fereastră suplimentară, care este deschisă de un piston la sfârșitul fiecărei faze și prin care aburul părăsește cilindrul. Acest lucru crește eficiența mașinii pe măsură ce aburul se mișcă într-o direcție și gradientul de temperatură al pereților cilindrului rămâne mai mult sau mai puțin constant. Mașinile cu curent unic de expansiune arată aproximativ aceeași eficiență ca și mașinile compuse cu distribuție convențională a aburului. În plus, pot lucra pentru mai mult turații mariși, prin urmare, înainte de apariția turbinelor cu abur, acestea erau adesea folosite pentru a antrena generatoare electrice care necesită viteze mari de rotație.

Motoarele cu abur cu flux direct sunt disponibile atât în ​​acțiune simplă, cât și în acțiune dublă.

Turbine cu abur

O turbină cu abur este un tambur sau o serie de discuri rotative fixate pe o singură axă, ele se numesc rotor de turbină, iar o serie de discuri staționare alternând cu acestea, fixate pe o bază, numită stator. Discurile rotorului au palete in afara, aceste lame sunt furnizate cu abur și rotește discurile. Discurile statorice au palete asemănătoare (în activ, sau similare în reactive), așezate în unghi opus, care servesc la redirecționarea fluxului de abur către următoarele discuri rotorice. Fiecare disc rotor și discul stator corespunzător se numesc treaptă de turbină. Numărul și dimensiunea treptelor fiecărei turbine sunt selectate în așa fel încât să maximizeze utilizarea energiei utile a aburului la aceeași viteză și presiune care îi este furnizată. Aburul de evacuare care iese din turbină intră în condensator. Turbinele se rotesc cu o viteză foarte mare și, prin urmare, transmisii speciale de reducere sunt utilizate de obicei atunci când se transferă rotația către alte echipamente. În plus, turbinele nu își pot schimba direcția de rotație și adesea necesită mecanisme de inversare suplimentare (uneori sunt utilizate etape suplimentare de rotație inversă).

Turbinele transformă energia aburului direct în rotație și nu necesită mecanisme suplimentare pentru a transforma mișcarea alternativă în rotație. În plus, turbinele sunt mai compacte decât mașinile cu piston și au o forță constantă asupra arborelui de ieșire. Din moment ce turbinele au mai multe design simplu tind să necesite mai puțină întreținere.

Alte tipuri de motoare cu aburi

Pe lângă motoarele cu abur cu piston, motoarele cu abur rotative au fost utilizate în mod activ în secolul al XIX-lea. În Rusia, în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, au fost numiți „ mașini cu rotor„(Adică,” învârtirea roții „din cuvântul” colo „-” roată „). Au existat mai multe tipuri, dar cea mai de succes și eficientă a fost „mașina rotativă” a inginerului mecanic din Sankt Petersburg NN Tverskoy. Motorul cu abur al lui N. N. Tverskoy. Mașina era un corp cilindric în care rotorul-rotor se rotește, iar tamburele speciale de închidere blocau camerele de expansiune. „Mașina Kolovratnaya” NN Tverskoy nu avea niciun detaliu care să efectueze mișcări alternative și să fie echilibrat ideal. Motorul Tverskoy a fost creat și funcționat în principal din entuziasmul autorului său, dar a fost folosit în multe exemplare pe nave mici, în fabrici și pentru a conduce dinamo. Unul dintre motoare a fost chiar instalat pe iahtul imperial „Standart”, iar ca mașină de expansiune - acționată de un cilindru cu gaz amoniac comprimat, acest motor a pus în mișcare unul dintre primele submarine experimentale, „minonava subacvatică”, care a fost testat de N N. Tverskoy în anii '80 ai secolului al XIX-lea în apele Golfului Finlandei. Cu toate acestea, de-a lungul timpului, când motoarele cu abur au fost înlocuite de motoare cu ardere internă și motoare electrice, „mașina cu rotor” a lui NN Tverskoy a fost practic uitată. Cu toate acestea, aceste „mașini rotative” pot fi considerate prototipurile celor de astăzi motoare rotative combustie interna.

Aplicație

Mașinile cu abur pot fi clasificate în funcție de aplicația lor, după cum urmează:

Mașini staționare

Ciocan cu abur

Mașină de abur într-o fabrică veche de zahăr, Cuba

Mașinile staționare cu abur pot fi împărțite în două tipuri în funcție de modul de utilizare:

• Mașini cu sarcini variabile, care includ mașini de laminoare, troliuri cu abur și dispozitive similare care trebuie să se oprească frecvent și să schimbe sensul de rotație.
• Mașini electrice care se opresc rar și nu ar trebui să schimbe direcția de rotație. Acestea includ motoarele electrice din centralele electrice și motoare industriale folosit în fabrici, fabrici și căi ferate pe cablu înainte de utilizarea pe scară largă a tracțiunii electrice. Motoarele cu putere redusă sunt utilizate la modelele de nave și la dispozitivele speciale.

Troliul cu abur este în esență un motor staționar, dar este montat pe un cadru de bază pentru a putea fi mutat. Poate fi fixat cu un cablu de ancora și mutat prin propria sa tracțiune într-un loc nou.

Mașini de transport

Pentru a conduce au fost folosite mașini cu abur tipuri diferite vehicule, printre care:

• Vehicule terestre:
  • Tractor cu abur
  • Excavator cu abur și chiar
• Avion cu abur.

În Rusia, prima locomotivă cu abur funcțională a fost construită de E. A. și M. E. Cherepanov la uzina Nijne-Tagil în 1834 pentru a transporta minereu. A dezvoltat o viteză de 13 mile pe oră și a transportat peste 200 de puds (3,2 tone) de marfă. Lungimea primei căi ferate a fost de 850 m.

Avantajele motoarelor cu aburi

Principalul avantaj al motoarelor cu abur este că pot folosi aproape orice sursă de căldură pentru ao transforma în lucru mecanic. Acest lucru îi diferențiază de motoarele cu ardere internă, fiecare dintre acestea necesitând utilizarea un anumit fel combustibil. Acest avantaj este cel mai vizibil atunci când se utilizează energie nucleară, deoarece un reactor nuclear nu este capabil să genereze energie mecanică, ci doar produce căldură, care este folosită pentru a genera abur care antrenează motoarele cu abur (de obicei turbine cu abur). În plus, există și alte surse de căldură care nu pot fi utilizate în motoarele cu ardere internă, cum ar fi energie solara... O direcție interesantă este utilizarea energiei diferenței de temperatură a Oceanului Mondial la diferite adâncimi.

Alte tipuri de motoare cu ardere externă au, de asemenea, proprietăți similare, cum ar fi motorul Stirling, care poate oferi o eficiență foarte mare, dar sunt semnificativ mai mari ca greutate și dimensiuni decât tipurile moderne de motoare cu abur.

Locomotivele cu abur funcționează bine la altitudini mari, deoarece eficiența lor nu scade din cauza presiunii atmosferice scăzute. Locomotivele cu aburi sunt încă folosite în regiunile muntoase din America Latină, în ciuda faptului că în zona plană au fost mult timp înlocuite cu mai multe tipuri moderne locomotive.

În Elveția (Brienz Rothhorn) și Austria (Schafberg Bahn), noile locomotive cu abur uscat și-au dovedit valoarea. Acest tip de locomotivă cu abur a fost dezvoltat de la modelele Swiss Locomotive and Machine Works (SLM), cu multe îmbunătățiri moderne, cum ar fi utilizarea rulmenti, izolație termică modernă, arderea fracțiilor ușoare de petrol ca combustibil, conducte de abur îmbunătățite etc. Drept urmare, astfel de locomotive au un consum de combustibil cu 60% mai mic și cerințe de întreținere semnificativ mai mici. Calitățile economice ale unor astfel de locomotive sunt comparabile cu cele ale locomotivelor diesel și electrice moderne.

În plus, locomotivele cu abur sunt semnificativ mai ușoare decât cele diesel și electrice, ceea ce este deosebit de important pentru căile ferate montane. Particularitatea motoarelor cu abur este că nu au nevoie de o transmisie, care transmit puterea direct la roți. În același timp, motorul cu abur al locomotivei cu abur continuă să dezvolte efortul de tracțiune chiar dacă roțile se opresc (se opresc de perete), ceea ce diferă de toate celelalte tipuri de motoare utilizate în transport.

Eficienţă

Motor cu aburi eliberarea aburului în atmosferă va avea o eficiență practică (inclusiv cazanul) de 1 până la 8%, cu toate acestea, un motor cu un condensator și extinderea căii de curgere poate îmbunătăți eficiența cu până la 25% sau chiar mai mult. O centrală termică cu supraîncălzire și încălzire regenerativă a apei poate atinge o eficiență de 30 - 42%. Turbinele cu gaz cu ciclu combinat, în care energia combustibilului este utilizată mai întâi pentru a antrena o turbină cu gaz și apoi pentru a antrena o turbină cu abur, pot atinge o eficiență de 50-60%. În centralele de cogenerare, eficiența este crescută prin utilizarea aburului parțial consumat pentru încălzire și nevoi industriale. În acest caz, se folosește până la 90% din energia combustibilului și doar 10% se disipează inutil în atmosferă.

Astfel de diferențe de eficiență se datorează particularităților ciclului termodinamic al motoarelor cu abur. De exemplu, cea mai mare sarcină de încălzire cade perioada de iarna, prin urmare, randamentul centralei de cogenerare creste iarna.

Unul dintre motivele scăderii eficienței este că temperatura medie a aburului din condensator este puțin mai mare decât temperatura. mediul(asa numitul.

15 unii dintre cei care se îndoiesc că una dintre principalele forțe motrice ale progresului este lenea umană și dorința de confort. Acest lucru este confirmat de nenumărate basme, în care transportul se mișcă „la porunca unei știuci”, iar norocoșii au asistenți magici care îl salvează pe proprietar de nevoia de a depune măcar un efort fizic. Dar, din moment ce în realitate nimic nu se face „de la sine”, de-a lungul istoriei omenirii, cele mai bune minți au studiat cu atenție invențiile care ar ajuta la realizarea acestor vise.

Vorbind în limbajul fizicii și tehnologiei, a fost necesar să se inventeze un dispozitiv care să poată transforma cutare sau cutare tip de energie în muncă mecanică utilă. Din cele mai vechi timpuri, principala și principala sursă de energie a fost forța musculară a oamenilor și animalelor și toate dispozitivele tehnice disponibile în cel mai bun caz a ajutat să-l folosească mai eficient și mai productiv. Mai târziu, oamenii au învățat să folosească puterea vântului și a apei, curgând sau căzând de la înălțime, forțându-i să lucreze în motoarele eoliene și de apă. Cu toate acestea, puterea unor astfel de motoare nu era mare și era necesar să stăpânească tipuri mai promițătoare de energie termică, chimică și electrică.

Primul dispozitiv termic cunoscut, alimentat cu abur, a fost construit de omul de știință grec Arhimede în secolul al III-lea. î.Hr NS. Era un tun, al cărui capăt era încălzit și apoi se turna apă în el. Încălzindu-se instantaneu, apa s-a transformat în abur, care, extinzându-se, a împins miezul afară din orificiu. Două secole mai târziu, un alt om de știință grec, Heron din Alexandria, a creat și descris un altul motor termic o minge goală de fier care se poate roti în jurul unei axe orizontale. De la un cazan închis cu apă clocotită, aburul printr-un tub a intrat în bilă, de unde a ieșit prin duze curbate, în timp ce bila a început să se rotească.

Mayflower pe râul Mississippi. 1855 g.

Timp de un mileniu și jumătate, „mingea eroului” a fost doar o jucărie amuzantă, și abia în secolul al XVI-lea. oamenii de știință s-au gândit la posibilitatea aplicării practice a energiei termice. Celebrul inventator Leonardo da Vinci a fost primul care a sugerat că aburul poate face o muncă utilă. Acest lucru este dovedit de desenele din manuscrisele sale care înfățișează cilindrul și pistonul. Da Vinci a susținut că dacă apă este plasată sub piston în cilindru, iar cilindrul în sine este încălzit, vaporii de apă rezultați se vor extinde, ceea ce îl va face să caute o cale de ieșire și să mute pistonul în sus. În paralel, inginerul arab Tagi al-Din a dezvoltat un design pentru un dispozitiv în care aburul, direcționat către paletele fixate pe marginea roții, rotea un scuipat. În secolul al XVII-lea. o mașină similară a fost construită de inventatorul italian Giovanni Branca. Dispozitivul de ancorare cu abur a ridicat și a coborât alternativ o pereche de pistiluri în mortare, în urma cărora a fost posibilă zdrobirea boabelor. Cu toate acestea, la aceste prototipuri de turbine cu abur, fluxul de abur a fost prea difuz, rezultând o pierdere semnificativă de energie.

Până la sfârșitul secolului al XVII-lea. motoarele cu abur create erau minuni tehnice destul de izolate, deoarece nu existau încă premise economice pentru utilizarea lor în masă. În anii 1970, inventatorul francez Denis Papin și fizicianul olandez Christian Huygens au lucrat la o mașină în care pistonul era ridicat de expansiunea gazelor în explozia prafului de pușcă. În 1680, Papen a creat o versiune a motorului care folosea apă în loc de praf de pușcă. A fost turnat în cilindrul de sub piston, iar cilindrul însuși a fost încălzit de jos, în timp ce aburul rezultat a ridicat pistonul. Apoi cilindrul a fost răcit, iar aburul din el a fost condensat, transformându-se din nou în apă.

D. motorul cu abur al lui Papen.

Pistonul, ca și în cazul unui motor cu pulbere, a coborât sub influența greutății și a presiunii sale atmosferice. Papen este, de asemenea, considerat inventatorul cazanului cu abur, deoarece el a realizat că, pentru a automatiza ciclul, aburul trebuie furnizat cilindrului din exterior (prin urmare, motorul cu aburi este considerat un motor cu ardere externă: combustibilul care încălzește apa este arsă în afara cilindrului de lucru).

Prima mașină cu abur, care nu a fost fără succes folosită în producție, a fost „mașina de pompieri” proiectată în 1698 de inginerul militar englez Thomas Severi. Acest dispozitiv, numit „prietenul minerului” de către însuși inventatorul, era o pompă de abur care era folosită pentru a roti roțile unei mori de apă și pentru a pompa apa din mine. Mașina nu a fost foarte eficientă din cauza pierderilor mari de căldură din timpul răcirii containerului și destul de periculoasă în exploatare, deoarece conductele și containerele motorului au explodat adesea din cauza presiunii ridicate a aburului.

În 1712, fierarul englez Thomas Newcomen și-a demonstrat „motorul atmosferic”. Era un motor cu abur Severi îmbunătățit, în care presiunea aburului de lucru a fost redusă semnificativ, prin urmare, motorul a devenit mai sigur. Aburul din cazan a intrat în baza cilindrului și a ridicat pistonul.

Câți cai?

Conceptul de cai putere ca unitate de putere a unui motor cu abur a fost introdus de J. Watt. Dar termenul a fost folosit pentru prima dată de T. Severi încă din 1698. În același timp, abordarea lor a fost diferită. Severi a estimat puterea pompei sale pe baza faptului că ar fi nevoie de 10 cai care se schimbă ca oboseală pentru a o rula pe zi. Watt a luat în calcul doar o pereche de cai înhamați care lucrează în prezent. Drept urmare, s-a dovedit că puterea motoarelor cu abur aproape identice Severi a estimat la 10 „cai”, iar Watt doar la doi.

Pomparea apei dintr-o mină de cărbune folosind un motor cu abur T. Newcomen. Ilustrație din The Universal Magazine. 1747 g.

C.F. von Breda. Portretul lui James Watt. 1792 g.

Când este injectat în cilindru apă rece aburul s-a condensat, s-a format un vid, iar pistonul a fost coborât sub influența presiunii atmosferice. Această cursă de retur a îndepărtat apa din cilindru și, prin intermediul unui lanț conectat la un braț oscilant, a ridicat tija pompei. A fost mașina lui Newcomen care a fost primul motor cu abur, cu care se obișnuiește să se asocieze începutul revoluției industriale în Anglia. S-a dovedit a fi atât de reușit încât a fost folosit în Europa de peste 50 de ani. Cu toate acestea, unii schimbari importante... În special, în 1718, englezul Henry Beighton a inventat un mecanism de distribuție care a pornit sau oprit automat aburul și a lăsat apa să intre. De asemenea, a adăugat o supapă de siguranță la cazanul cu abur.

Proiectul primului motor cu abur din lume capabil să conducă direct orice mecanism de lucru a fost propus în 1763 de inventatorul rus Ivan Ivanovici Polzunov, mecanic la uzinele miniere Kolyvano-Voskresensk din Altai. Mașina lui era o unitate de vid cu doi cilindri, cu pistoane conectate printr-un lanț aruncat peste un scripete. Toate acțiunile din acesta au fost efectuate automat. În loc de un prototip, șefii fabricii au cerut să construiască imediat o mașină mare pentru un suflante puternic. Motorul a fost construit timp de aproape doi ani, iar inventatorul nu a trăit pentru a vedea lansarea. Mașina a fost testată și pusă în funcțiune cu succes. În decurs de trei luni, nu numai că a justificat costurile, ci și-a făcut și profit. Cu toate acestea, după un timp, centrala a început să curgă și, dintr-un motiv necunoscut, nu au reparat mașina.

Cam în aceeași perioadă, un scoțian, James Watt, lucra la o mașină cu abur în Anglia. Îmbunătățea motorul Newcomen. Era clar că principalul dezavantaj al mașinii Newcomen era încălzirea și răcirea alternativă a cilindrului. Watt a teoretizat că cilindrul ar putea fi permanent fierbinte prin evacuarea aburului într-un rezervor separat printr-o linie de supapă înainte de condens. Mai mult, cilindrul poate rămâne fierbinte și condensatorul rece, dacă exteriorul este acoperit cu material termoizolant. În 1768 a primit un brevet pentru invenția sa, dar a reușit să construiască o mașină abia în 1776. S-a dovedit a fi de două ori mai eficient decât mașina lui Newcomen.

motorul cu abur al lui Polzunov.

I. I. Polzunov.

În 1782, a apărut primul motor universal cu aburi cu acțiune dublă al lui Watt. Capacul său a fost echipat cu o etanșare de ulei, care permitea pistonului să se miște liber și, în același timp, împiedică ieșirea aburului din cilindru. Aburul a intrat în cilindru de pe ambele părți ale pistonului alternativ, astfel, pistonul a realizat cu ajutorul aburului atât cursa de lucru, cât și cursa inversă, care nu era în mașini vechi... Watt a primit un brevet pentru „motor cu abur rotativ” și a început să fie utilizat pe scară largă pentru a alimenta mașini-unelte și mașini, mai întâi în filaturi și țesut, iar apoi în alte întreprinderi industriale.

Puffing Billy locomotivă cu abur.

Modelul motorului cu aburi al lui J. Watt.

Pe lângă industrie, motoarele cu abur și-au ocupat ferm un loc agricultură si transport. În 1850 inventator englez William Howard a folosit un motor compact cu abur mobil pentru arătura unei locomotive. În 1879, țăranul Fiodor Blinov din provincia Saratov a construit și brevetat primul tractor pe șenile din lume, condus de un motor cu abur de 20 CP. cu.

Prima mostră de mașină cu motor cu abur în 1769 a fost testată de inventatorul francez Nicolas José Cugno, creația sa a devenit cunoscută drept „micul cărucior cu abur al lui Cuyuno”. Un an mai târziu, publicului i s-a prezentat „căruța mare cu aburi Cuyunho”. În 1788, un serviciu de nave cu aburi a fost organizat în Statele Unite de-a lungul râului Delaware, între orașele Philadelphia și Burlington. Un vapor proiectat de John Fitch ar putea lua la bord 30 de pasageri și îi putea transporta cu o viteză de 7-8 mile pe oră. Și în 1804, Richard Trevithick a demonstrat prima locomotivă feroviară autopropulsată cu abur, construită la fabricile siderurgice Penidarren din Mer-Tyr-Tydville, Țara Galilor de Sud.

În ciuda tuturor eforturilor inginerilor, nu a fost posibilă îmbunătățirea eficienței destul de scăzute a motoarelor cu abur și până la sfârșitul secolului al XIX-lea. cu dăruire deplină, utilajele care au servit progresului tehnic au început să renunțe treptat la pozițiile lor. Pe transport rutier au făcut loc motoarelor cu ardere internă, pe cale ferată iar în industria motoarelor electrice. Cu toate acestea, în domeniul energiei termice și energetice și anumite tipuriÎn transport, motoarele cu aburi (în special turbinele cu aburi) sunt încă utilizate pe scară largă.

Turbina cu abur a unei fabrici de oțel.

Exact acum 245 de ani - 5 ianuarie 1769 - James Watt a primit un brevet pentru motorul cu aburi inventat de el. Nu există niciun motiv să ne amintim istoria creării mașinii cu abur din cele mai vechi timpuri?

De fapt, brevetul în sine și proprietarul său -

Istoria creării mașinii cu abur începe cu faptul că prima descriere a dispozitivului, care a fost pus în mișcare cu ajutorul aburului, datează din secolul I și aparține lui Heron din Alexandria.

Aburul, ieșind tangențial din duzele care au fost fixate pe minge, și a forțat-o să se rotească.

Prezentul turbină cu abur a fost proiectat deja în Egiptul medieval de un inginer din secolul al XVI-lea, astronomul și filozoful Arab Taqi ad-Din Muhammad. Istoria creării mașinii cu abur a continuat. El a inventat tehnica rotirii frigaruiului folosind abur. Era îndreptat spre lamele fixate pe marginea roții.

Inginerul italian Giovanni Branca a propus o mașină similară în 1629. A fost conceput pentru a roti un dispozitiv de ancorare cilindric în stupa, care, la rândul său, a ridicat și a coborât o pereche de pestos în stupa. Astfel de motoare cu aburi fluxul de abur nu a fost concentrat și acest lucru a dus la pierderi mari de energie, deoarece o parte semnificativă a energiei aburului a fost disipată în toate direcțiile.

Pentru dezvoltare ulterioară Istoria creării motorului cu abur - dispozitivul cu abur - a avut nevoie de un mediu economic în care dezvoltatorii motorului să poată folosi rezultatul acestuia. Dar în epoca antică, ca și în Evul Mediu, și chiar în Renaștere, nu existau astfel de condiții. Și abia până la sfârșitul secolului al XVII-lea au fost create unități de abur, dar până acum ca curiozități unice. Prima mașină a fost creată de inventatorul spaniol Jeronimo Ayans de Beaumont. Invențiile sale au avut un impact semnificativ asupra brevetului lui T. Severi.

Englezul Edward Somerset în 1655 a descris principiul de bază al funcționării motoarelor cu abur și gama lor de aplicații. În 1663, a tipărit un proiect, iar la Castelul Raglan a instalat un dispozitiv de ridicare a apei pe peretele unui turn mare. Acest aparat a fost antrenat cu abur (chiar și în secolul al XIX-lea se vedeau adânciturile din peretele unde era amplasat motorul). Dar nu existau oameni dispuși să riște bani de dragul acestei invenții și, prin urmare dezvoltare ulterioară motorul cu abur s-a dovedit imposibil. Fizicianul și inventatorul francez Denis Papin a contribuit și el la istoria mașinii cu abur - a lucrat la crearea unui vid și a unui cilindru închis.

Colaborând cu fizicianul olandez Huygens, el a lucrat în anii 1670 la o mașină care să forțeze aerul dintr-un cilindru printr-o explozie.

Papen a văzut incompletitudinea vidului obținut în timpul exploziei, prin urmare, după ce a ajuns în Marea Britanie în 1680, a dezvoltat același cilindru, dar cu ajutorul apei clocotite care a format condens în cilindru, a realizat un vid mai complet.

Așa că cu această unitate a reușit, folosind o frânghie aruncată peste un scripete, să ridice sarcina atașată pistonului. Dar mașina a funcționat doar pentru a-și demonstra capacitățile și, pentru a o re-lucra, a trebuit să fie complet demontată și apoi reasamblată de la început. Apoi, inventatorul a realizat că, pentru a automatiza ciclul, a fost necesar să se producă abur într-un cazan separat. Datorită acestui fapt, Papen este considerat inventatorul cazanului cu abur și astfel a deschis calea motorului cu abur Newcomen.

Dar nu a sugerat constructie completa un motor cu abur funcțional. Papen a adus o contribuție imensă la istoria creării motorului cu abur, lucrând la proiectarea unei bărci care a fost propulsată de o roată cu putere reactivă în combinație cu invențiile lui Severi și Taqi ad-Din. El este, de asemenea, creditat cu inventarea unui număr de dispozitive importante, unul dintre ele este o supapă de siguranță.

Dintre toate dispozitivele descrise pentru rezolvarea sarcinilor necesare și utile, nici unul nu și-a găsit aplicație reală. Prima mașină cu abur (din întreaga istorie a creării unei mașini cu abur), care a adus beneficii reale, a fost dezvoltată de un inginer militar din Anglia, Thomas Severi, în 1698. Acest design este o „instalație de incendiu”. În 1698, Severi a primit un brevet pentru el. În general, a fost o pompă cu piston, dar destul de ineficientă, deoarece căldura aburului s-a pierdut în timpul răcirii containerului. Din cauza presiunii ridicate a aburului, conductele și containerele motorului explodau uneori, așa că în funcționare era extrem de periculos. Această unitate a fost folosită în alte industrii, în mori de apă pentru a roti roțile, iar în mine era folosită pentru pomparea apei. Prin urmare, inventatorul a dat designului un alt nume „prietenul minerului”.

În 1712, un fierar englez și-a prezentat invenția - „motorul atmosferic”.

A fost un model îmbunătățit al motorului cu abur Severi, doar Newcomen din el a redus semnificativ capul de abur de lucru. Pentru prima dată, acest motor a fost folosit pentru a pompa fluid dintr-o mină adâncă. În această pompă, culbutorul este conectat la forța care coboară în camera pompei în arbore. Mișcările de împingere reciprocă au fost transferate la pistonul pompei, care a furnizat apă către vârf. Acest motor cu abur Newcomen a devenit primul motor din istoria mașinii cu abur, care a fost utilizat pe scară largă în practică. Odată cu invenția acestui motor se asociază începutul revoluției industriale din Marea Britanie.

În 1763, în Rusia a fost dezvoltat primul motor cu abur în vid cu doi cilindri.

A fost proiectat de mecanicul I.I.Polzunov și deja în 1764 a fost construit.

A fost aplicat la fabricile Barnaul Kolyvano-Voskresensk pentru a aduce conditii de lucru suflarea blănurilor.

Următorii care au crescut eficiența motoarelor cu abur și au adus o contribuție uriașă la istoria creării mașinii cu abur au fost englezul Richard Trevithick și americanul Oliver Evans. Trevithick a construit motoare industriale de înaltă presiune, cu o singură cursă.

Ele sunt cunoscute de mulți drept „motoarele Cornwall”. Presiunea lor de lucru a fost de 50 psi sau 345 kPa (3,405 atmosfere). Însă creșterea presiunii a dus la creșterea pericolului de explozie în cazane și mașini, iar acest lucru a dus la rândul său la multiple accidente. Prin urmare, o supapă de siguranță a fost considerată una dintre părțile principale ale motoarelor cu abur. Scopul său este de a elibera excesul de presiune. În siguranță și muncă de încredere Aceste unități au început cu acumularea de experiență și în urma standardizării operațiunilor de construcție, exploatare și întreținere.

Introducere

Până în a doua jumătate a secolului al XVIII-lea, oamenii foloseau în principal motoare cu apă pentru nevoile de producție. Deci, cum se transferă mișcare mecanică de la roata cu apă la distante lungi imposibil, toate fabricile trebuiau construite pe malurile râurilor, ceea ce nu era întotdeauna convenabil. Mai mult, pentru munca eficienta un astfel de motor necesita adesea scump munca pregatitoare(constructia de iazuri, constructia de baraje etc.). Roțile de apă aveau și alte dezavantaje: aveau o putere redusă, munca lor depindea de sezon și era dificil de reglat. Treptat, a început să se simtă nevoia unui motor fundamental nou: puternic, ieftin, autonom și ușor de controlat. Motorul cu abur a devenit un astfel de motor timp de un secol întreg.

Mashimna cu aburi- un motor termic cu ardere externă care convertește energia aburului încălzit în lucrarea mecanică a mișcării reciproce a pistonului și apoi în mișcarea de rotație a arborelui. Într-un sens mai larg, un motor cu abur este orice motor cu ardere externă care transformă energia aburului în lucru mecanic.

Istoria creării motoarelor cu abur

Ideea unui motor cu abur a fost parțial provocată de inventatorii săi de proiectarea unei pompe de apă cu piston, care era cunoscută încă din antichitate.

Principiul funcționării sale era foarte simplu: atunci când pistonul era ridicat, apa era aspirată în cilindru printr-o supapă aflată în partea inferioară. Supapa laterală care leagă cilindrul de conducta de ridicare a fost închisă în acest moment, deoarece apa din această conductă a încercat să pătrundă în cilindru și astfel a închis această supapă. Când pistonul a fost coborât, acesta a început să apese pe apa din cilindru, datorită căruia supapa inferioară a fost închisă și supapa laterală s-a deschis. În acest moment, apa din cilindru era furnizată pe conducta de ridicare. V Pompă cu piston munca primită din exterior a fost cheltuită pentru deplasarea lichidului prin cilindrul pompei. Inventatorii mașinii cu abur au încercat să folosească același design, dar numai în direcție inversă... Cilindrul pistonului se află în centrul tuturor aburilor motoare cu piston... Cu toate acestea, primele motoare cu abur nu erau atât de multe motoare, cât pompele de abur folosite pentru a pompa apa din minele adânci. Principiul funcționării lor s-a bazat pe faptul că, după răcire și condensare în apă, aburul a ocupat spațiu de 170 de ori mai puțin decât în ​​stare încălzită. Dacă deplasați aerul din vas cu abur încălzit, închideți-l și apoi răciți aburul, presiunea în interiorul vasului va fi mult mai mică decât în ​​exterior. Presiunea atmosferică externă va comprima un astfel de vas și, dacă un piston este plasat în el, acesta se va deplasa spre interior cu forța mai mare, cu atât suprafața acestuia este mai mare.

Pentru prima dată, un model al unei astfel de mașini a fost propus în 1690 de către Papen. Denis Papen a fost asistentul lui Huygens, iar din 1688 profesor de matematică la Universitatea din Marburg. A avut ideea să folosească forma unui cilindru gol pentru un motor atmosferic cu un piston care se mișcă în el. Papen s-a confruntat cu sarcina de a face pistonul să facă treaba prin forța presiunii atmosferice. În 1690 a fost creat în principiu proiect nou motor cu aburi. Când s-a încălzit, apa din cilindru s-a transformat în abur și a mutat pistonul în sus. Printr-o supapă specială, aburul împingea aerul, iar când aburul s-a condensat s-a creat un spațiu rarefiat; presiunea externă a împins pistonul în jos. În timp ce cobora, pistonul a tras o frânghie cu o sarcină în spate. Papen a pus cilindrul mașinii pe verticală, deoarece supapa cilindrului nu și-a putut îndeplini funcția în nicio altă poziție. Motorul Papen a efectuat o muncă utilă slab, deoarece nu a putut efectua acțiuni continue. Pentru a forța pistonul să ridice greutatea, a fost necesar să se manipuleze tija supapei și dopul, să se deplaseze sursa de flacără și să se răcească cilindrul cu apă.

Îmbunătățirea mașinilor abur-atmosferice a fost continuată de Thomas Severi. În 1698, Thomas Severi a inventat pompa de abur pentru pomparea apei din mine. „Prietenul minerilor” a lucrat fără piston. Aspirația apei a avut loc prin condensarea aburului și crearea unui spațiu rarefiat deasupra nivelului apei în vas. Severi a separat cazanul de vasul unde a avut loc condensul. Acest motor cu abur avea o eficiență scăzută, dar a găsit totuși o utilizare pe scară largă.

Dar cel mai utilizat în prima jumătate a secolului al XVIII-lea a fost motorul cu aburi al lui Newcomen, creat în 1711. Cilindru de abur era situat la Newcomen deasupra unui cazan de abur. Tija pistonului (tija conectată la piston) a fost conectată flexibil la capătul barei de echilibrare. O tijă de pompă a fost conectată la celălalt capăt al echilibrului. Pistonul a fost ridicat în poziția de sus cu o contragreutate atașată la capătul opus al barei de echilibru. În plus, mișcarea în sus a pistonului a fost asistată de abur, care a fost lansat în cilindru în acest moment. Când pistonul era în poziția superioară extremă, supapa a fost închisă, care a admis aburul din cazan în cilindru, iar în cilindru era injectată apă. Sub acțiunea acestei ape, aburul din cilindru a fost răcit rapid, condensat și presiunea din cilindru a scăzut. Datorită diferenței de presiune create în interiorul cilindrului și în exteriorul acestuia, prin forța presiunii atmosferice, pistonul s-a deplasat în jos, făcând în același timp o muncă utilă - a pus în mișcare echilibrul, care a deplasat tija pompei. Astfel, munca utilă a fost efectuată numai atunci când pistonul s-a deplasat în jos. Apoi aburul a fost introdus din nou în cilindru. Pistonul s-a ridicat din nou și întregul cilindru a fost umplut cu abur. Când apă a fost pulverizată din nou, aburul s-a condensat din nou, după care pistonul a făcut o nouă mișcare utilă în jos și așa mai departe. De fapt, presiunea atmosferică a funcționat în mașina lui Newcomen, iar aburul a servit doar pentru a crea un spațiu rarefiat.

În lumina dezvoltării ulterioare a motorului cu abur, principalul dezavantaj al mașinii Newcomen devine clar, cilindrul de lucru din acesta era în același timp un condensator. Din această cauză, a fost necesară răcirea alternativă, apoi încălzirea cilindrului, iar consumul de combustibil s-a dovedit a fi foarte mare. Au fost momente când erau 50 de cai cu mașina, care abia aveau timp să livreze combustibilul necesar. Eficiența acestei mașini a depășit cu greu 1%. Cu alte cuvinte, 99% din toată energia de încălzire a fost irosită inutil. Cu toate acestea, această mașină a devenit larg răspândită în Anglia, în special în minele unde cărbunele era ieftin. Inventatorii ulterioare au adus câteva îmbunătățiri pompei Newcomen. În special, în 1718, Beighton a inventat un mecanism de control cu ​​acțiune automată care a pornit sau oprit automat aburul și a lăsat apa să intre. De asemenea, a adăugat o supapă de siguranță la cazanul cu abur.

Dar schema circuitului Mașina lui Newcomen a rămas neschimbată timp de 50 de ani, până când mecanicul de la Universitatea din Glasgow, James Watt, a preluat îmbunătățirea acesteia. În anii 1763-1764, a trebuit să repare un eșantion al mașinii Newcomen care aparținea universității. Watt a făcut un mic model al acestuia și a început să-i studieze acțiunea. În acest sens, el a putut folosi unele dintre dispozitivele care aparțineau universității și a folosit sfatul profesorilor. Toate acestea i-au permis să privească problema mai pe larg decât mulți mecanici înainte ca el să o privească și a reușit să creeze un motor cu aburi mult mai perfect.

Lucrând cu modelul, Watt a descoperit că atunci când aburul a fost injectat într-un cilindru răcit, o cantitate semnificativă din acesta s-a condensat pe pereții săi. Imediat i-a devenit clar pentru Watt că pentru mai mult munca economica este indicat să păstrați cilindrul încălzit constant. Dar cum, în acest caz, să condensăm aburul? Timp de câteva săptămâni s-a gândit cum să rezolve această problemă și, în cele din urmă, a realizat că răcirea aburului ar trebui să aibă loc într-un cilindru separat conectat la tubul scurt principal. Watt însuși și-a amintit că odată, în timpul unei plimbări de seară, a trecut pe lângă o spălătorie și apoi, văzând nori de abur ieșind pe fereastră, a bănuit că aburul, fiind un corp elastic, ar trebui să se repezi într-un spațiu rarefiat. Atunci i-a venit gândul că mașina Newcomen ar trebui completată cu un vas separat pentru condensarea aburului. O pompă simplă, acționată de mașina în sine, ar putea elimina aerul și apa din condensator, astfel încât acolo să fie creat un spațiu la fiecare cursă a mașinii.

După aceasta, Watt a mai făcut câteva îmbunătățiri, în urma cărora mașina a adoptat următoarea vedere... Tuburile erau conectate de ambele părți ale cilindrului: prin partea inferioară, aburul pătrundea în interior din cazanul de abur, prin partea superioară, era descărcat în condensator. Condensatorul era format din două tuburi de tablă, care stau vertical și comunicau între ele în partea de sus printr-un tub orizontal scurt, cu o deschidere care era blocată de un robinet. Fundul acestor tuburi a fost conectat la un al treilea tub vertical care a servit ca pompă de deviere a aerului. Tuburile care compun frigiderul și pompa de aer au fost plasate într-un mic cilindru umplut cu apă rece. O conductă de abur a fost conectată la un cazan din care aburul era eliberat într-un cilindru. Când aburul a umplut cilindrul, supapa de abur a fost închisă și pistonul pompei de aer a condensatorului a fost ridicat, rezultând un spațiu foarte descărcat în tuburile condensatorului. Aburul s-a repezit în tuburi și s-a condensat acolo, iar pistonul s-a ridicat, purtând sarcina împreună cu el (așa a fost măsurată munca utilă a pistonului). Apoi supapa de evacuare a fost închisă.

În următorii câțiva ani, Watt a muncit din greu pentru a-și îmbunătăți motorul. Mai multe îmbunătățiri fundamentale au fost aduse mașinii din 1776 în comparație cu designul din 1765. Pistonul a fost plasat în interiorul cilindrului, înconjurat de o cămașă de abur (jachetă). Acest lucru a minimizat pierderile de căldură. Capacul a fost închis în partea de sus, în timp ce cilindrul era deschis. Aburul a pătruns în cilindru din cazan printr-o țeavă laterală. Cilindrul a fost conectat la condensator printr-o conductă echipată cu o supapă de eliberare a aburului. Puțin deasupra acestei supape și mai aproape de cilindru, a fost plasată o a doua supapă de contrabalansare. Când ambele supape au fost deschise, aburul eliberat din cazan a umplut întreg spațiul de deasupra și de sub piston, forțând aerul să treacă prin conductă în condensator. Când supapele au fost închise, întregul sistem a rămas în echilibru. Apoi au deschis partea de jos Supapa de evacuare separând spațiul de sub piston de condensator. Aburul din acest spațiu a fost direcționat către un condensator, răcit acolo și condensat. În același timp, a fost creat un spațiu rarefiat sub piston, iar presiunea a scăzut. De sus, aburul din cazan a continuat să exercite presiune. Sub acțiunea sa, pistonul a coborât și a făcut o muncă utilă, care a fost transferată pe tija pompei cu ajutorul unui echilibrator. După ce pistonul a fost coborât în ​​poziția sa cea mai joasă, a fost deschisă supapa de echilibrare superioară. Aburul a umplut din nou spațiul de deasupra și de sub piston. Presiunea cilindrului a fost echilibrată. Sub acțiunea unei contragreutăți situată la capătul balansierului, pistonul s-a ridicat liber (fără a efectua nicio lucrare utilă). Apoi, întregul proces a continuat în aceeași secvență.

Deși această mașină de Watt, ca și motorul lui Newcomen, a rămas unilaterală, avea deja o diferență importantă - dacă presiunea atmosferică a făcut treaba pentru Newcomen, atunci aburul a făcut-o pentru Watt. Prin creșterea presiunii aburului a fost posibilă creșterea puterii motorului și astfel influențarea funcționării acestuia. Cu toate acestea, acest lucru nu a eliminat principalul dezavantaj al acestui tip de mașină - au efectuat o singură mișcare de lucru, au lucrat în smucitură și, prin urmare, au putut fi folosite doar ca pompe. În anii 1775-1785 au fost construite 66 dintre aceste mașini cu abur.

Polzunov și-a început munca aproape simultan cu Watt, dar cu o abordare diferită a problemei motorului și în condiții economice complet diferite. Polzunov a început cu o declarație energetică generală a problemei înlocuirii complete a centralelor hidraulice dependente de condițiile locale cu un motor termic universal, dar nu și-a putut realiza planurile îndrăznețe în Rusia iobag.

În 1763 I.I. Polzunov a dezvoltat un proiect detaliat al unei mașini cu aburi cu o capacitate de 1,8 CP, iar în 1764, împreună cu studenții săi, a început să creeze o „mașină care acționează la foc”. În primăvara anului 1766 era aproape gata. Din cauza consumului trecător, inventatorul însuși nu a putut să-și vadă creația în acțiune. Testele motorului cu aburi au început la o săptămână după moartea lui Polzunov.

Mașina Polzunov se deosebea de motoarele cu abur cunoscute la acea vreme în primul rând prin faptul că era destinată nu numai ridicării apei, ci și conducerii mașinilor din fabrică - suflarea burdufurilor. A fost o mașină cu acțiune continuă, care a fost realizată folosind doi cilindri în loc de unul: pistoanele cilindrilor s-au deplasat unul către celălalt și au acționat alternativ asupra arbore comun... În proiectul său, Polzunov a indicat toate materialele din care ar trebui să fie fabricată mașina și a indicat, de asemenea, procesele tehnologice care vor fi necesare în timpul construcției sale (lipire, turnare, lustruire). Experții susțin că memoriul care conturează proiectul s-a remarcat prin claritatea extremă a gândirii și precizia filigrană a calculelor.

Așa cum a fost conceput de inventator, aburul din cazanul mașinii a fost furnizat către unul dintre cei doi cilindri și a ridicat pistonul la extrem. poziție de vârf... După aceea, apă răcită a fost injectată în cilindru din rezervor, ceea ce a dus la condensarea aburului. Sub presiunea atmosferei exterioare, pistonul a coborât, în timp ce în celălalt cilindru, ca urmare a presiunii aburului, pistonul s-a ridicat. Cu ajutorul unui dispozitiv special, au fost efectuate două operații - admiterea automată a aburului din cazan în butelii și alimentarea automată cu apă rece. Sistem de scripete ( roți speciale) a transmis mișcarea de la pistoane la pompele care pompau apa în rezervor și la burduful suflantei.

În paralel cu mașina principală, inventatorul a dezvoltat multe piese noi, accesorii și dispozitive care au simplificat foarte mult procesul de producție. Un exemplu este regulatorul pe care l-a proiectat acțiune directă pentru a menține un nivel constant al apei în cazan. În timpul testelor s-a găsit defecte grave motor: tratarea incorectă a suprafeței cilindrilor utilizați, slăbirea burdufului suflantei, prezența carcaselor în piesele metalice etc. Aceste defecte s-au explicat prin faptul că nivelul producției de construcții de mașini la uzina Barnaul nu era încă ridicat. destul. Iar progresele științifice din acea vreme nu ne-au permis să calculăm cu exactitate cantitatea necesară de apă de răcire. Cu toate acestea, toate neajunsurile au fost rezolvate, iar în iunie 1766 instalația cu burduf a fost testată cu succes, după care a început construcția cuptoarelor.

Procesul de inventare a motorului cu abur, așa cum este adesea cazul în tehnologie, s-a întins timp de aproape un secol, așa că alegerea datei pentru acest eveniment este destul de arbitrară. Cu toate acestea, nimeni nu neagă că descoperirea care a dus la revoluția tehnologică a fost realizată de scoțianul James Watt.

Oamenii s-au gândit să folosească aburul ca corp de lucru chiar și în cele mai vechi timpuri. Cu toate acestea, abia la sfârșitul secolelor XVII-XVIII. a reușit să găsească o modalitate de a face o muncă utilă cu abur. Una dintre primele încercări de a pune aburul în slujba omului a fost făcută în Anglia în 1698: mașina inventatorului Svery a fost destinată scurgerii minelor și pompării apei. Adevărat, invenția lui Savery nu era încă un motor simț deplin a acestui cuvânt, pentru că, în afară de câteva supape care se deschideau și se închideau cu mâna, în el nu se aflau părți mobile. Mașina lui Savery a funcționat după cum urmează: mai întâi, un rezervor etanș a fost umplut cu abur, apoi suprafața exterioară a rezervorului a fost răcită cu apă rece, care a condensat aburul și a fost creat un vid parțial în rezervor. După aceea, apa - de exemplu, din partea de jos a minei - a fost aspirată în rezervor prin conducta de admisie și, după ce a fost injectată următoarea porție de abur, a fost aruncată afară.

Prima mașină cu abur cu piston a fost construită de francezul Denis Papin în 1698. Apa era încălzită în interiorul unui cilindru vertical cu piston, iar aburul rezultat împingea pistonul în sus. Când aburul s-a răcit și s-a condensat, pistonul a fost împins în jos de presiunea atmosferică. Printr-un sistem de blocuri, motorul cu abur al lui Papen putea antrena diverse mecanisme, precum pompele.

O mașină mai avansată a fost construită în 1712 de către fierarul englez Thomas Newcomen. Ca și în mașina Papen, pistonul se mișca într-un cilindru vertical. Aburul din cazan a intrat în baza cilindrului și a ridicat pistonul în sus. Când apă rece a fost injectată în cilindru, aburul s-a condensat, s-a format un vid în cilindru, iar pistonul s-a scufundat sub influența presiunii atmosferice. Această cursă de întoarcere a îndepărtat apa din cilindru și, printr-un lanț conectat la un balansoar care se mișca ca un leagăn, a ridicat tija pompei în sus. Când pistonul se afla în punctul cel mai de jos al cursei sale, aburul a intrat din nou în cilindru și, cu ajutorul unei contragreutate atașate la tija pompei sau culbutorul, pistonul a fost ridicat în poziția inițială. După aceea, ciclul a fost repetat.

Aparatul Newcomen este utilizat pe scară largă în Europa de peste 50 de ani. În anii 1740, o mașină cu un cilindru de 2,74 m lungime și 76 cm în diametru executa într-o zi munca pe care o echipă de 25 de oameni și 10 cai, care lucra în ture, o făcea într-o săptămână. Și totuși, eficiența sa a fost extrem de scăzută.

Revoluția industrială s-a manifestat cel mai viu în Anglia, în primul rând în industria textilă. Nepotrivirea dintre oferta de țesături și cererea în creștere rapidă a atras cei mai buni minți de design către dezvoltarea mașinilor de filat și țesut. Numele lui Cartwright, Kay, Crompton, Hargreaves au intrat pentru totdeauna în istoria tehnologiei engleze. Dar mașinile de filat și țesut pe care le-au creat au avut nevoie de unul calitativ nou, motor universal, care ar aduce în mod continuu și uniform (aceasta este ceea ce o roată de apă nu ar putea oferi) a adus mașinile în mișcare de rotație unidirecțională. Aici a apărut talentul celebrului inginer, „vrăjitorul de la Greenock” James Watt, în toată strălucirea sa.

Watt s-a născut în orașul scoțian Greenock, în familia unui constructor de nave. În timp ce lucra ca ucenic în atelierele din Glasgow, în primii doi ani, James a dobândit calificarea de gravor, un maestru în fabricarea de instrumente matematice, geodezice, optice și diverse instrumente de navigație. La sfatul unchiului său, profesorul, James a intrat la universitatea locală ca mecanic. Aici Watt a început să lucreze la motoarele cu abur.

James Watt a încercat să îmbunătățească motorul cu abur și atmosferă al lui Newcomen, care, în general, era potrivit doar pentru pomparea apei. Era clar pentru el că principalul dezavantaj al mașinii Newcomen era încălzirea și răcirea alternativă a cilindrului. În 1765, Watt a venit la ideea că cilindrul ar putea fi permanent fierbinte dacă aburul era drenat într-un rezervor separat printr-o conductă cu o supapă înainte de condensare. În plus, Watt a făcut mai multe îmbunătățiri care au transformat în cele din urmă motorul cu abur-atmosferic într-unul cu abur. De exemplu, el a inventat un mecanism de balama - „paralelogramul lui Watt” (numit așa deoarece unele dintre legăturile - pârghiile care îl alcătuiesc formează un paralelogram), care a transformat mișcarea alternativă a pistonului în mișcarea de rotație a arborelui principal. Acum, războinicele ar putea funcționa continuu.

În 1776, mașina lui Watt a fost testată. Eficiența sa s-a dovedit a fi de două ori mai mare decât a mașinii Newcomen. În 1782, Watt a construit primul motor cu abur universal cu dublă acțiune. Aburul a intrat alternativ în cilindru dintr-o parte a pistonului, apoi din cealaltă. Prin urmare, pistonul a făcut atât cursa de lucru, cât și cursa inversă cu ajutorul aburului, care nu era la mașinile anterioare. Deoarece tija pistonului trăgea și împingea într-un motor cu abur cu dublă acțiune, vechiul sistem de antrenare cu lanț și culbutor, care reacționa doar la tragere, a trebuit să fie reproiectat. Watt a dezvoltat un sistem de legătură cuplată și a folosit un mecanism planetar pentru a converti mișcarea alternativă a tijei pistonului în mișcare rotativă, folosind un volant greu, un regulator de viteză centrifugal, o supapă cu disc și un manometru pentru a măsura presiunea vaporilor. „Motor rotativ cu abur” brevetat de la Watt a fost folosit pentru prima dată pe scară largă în fabricile de filare și țesut, iar mai târziu în alte întreprinderi industriale. Motorul lui Watt era potrivit pentru orice mașină, iar inventatorii mecanismelor autopropulsate nu au întârziat să profite de acest lucru.

Motorul cu aburi al lui Watt a fost cu adevărat invenția secolului și începutul revoluției industriale. Dar inventatorul nu s-a oprit aici. Vecinii au privit de mai multe ori uimiți cum Watt urmărea caii prin pajiște, trăgând greutăți special alese. Așa a apărut unitatea de putere - Putere, care a primit ulterior recunoașterea universală.

Din păcate, dificultățile financiare l-au forțat pe Watt, deja la vârsta adultă, să efectueze sondaje geodezice, să lucreze la construcția de canale, să construiască porturi și porturi și, în cele din urmă, să meargă la o alianță de aservire economică cu antreprenorul John Rebeck, care a suferit în curând un colaps financiar complet.