Здравствуйте.
Этой публикацией мне хочется начать цикл статей, посвящённых различным техническим достижениям минувших дней.
Ведь так или иначе, но без них у нас небыло бы высоких технологий. К примеру, современная АЭС является ничем иным, как атомной паровой машиной.
Так же в статьях будут упамянаться имена Великих людей, на плечах которых стоит современная наука и техника.
Исторические справки будут представлены в виде ссылок/спойлеров и комментариев.
Постараюсь быть лаконичным, уделить большое внимание техническим аспектам, соблюдать хронологический порядок и достоверность.
А начать хотелось с паровых машин…
Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий.
Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг
Паровая машина
Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала.
Первое известное устройство (Эолипил (или «шар Эола»), «баня Герона»), приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии.
В трактате «Пневматика» (Πνευματικά) Герон описал различные сифоны, хитроумно устроенные сосуды, автоматы, приводимые в движение сжатым воздухом или паром.
Годная киношка о том, как Герон, по заказу церковников «творил чудеса» (прихожане ликуют… и «сдают валюту») «Технологии др. цивилизаций. Герон Александрийский.»
Пар, из нижнего резервуара, поступал по боковым трубкам в полость шара и вырываясь из дюз, закреплённых на шаре, заставлял его вращаться.
Рисунки из книги «The Century of Inventions» (1655) Edward Somerset
Первая паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти колеса.
Данная иллюстрация лишь описывает принцип
В различных интернет-источниках, есть информация о том, что Саломон де Косс в сочинении «Les Raisons des Forces Mouvantes avec Diverses Machines» (1615 год), описал машину, основанную на упругости пара.
Вот, всё, что мне удалось найти в этом труде (равно как и в этом), относящееся к теме:
Шар, стоящий на костре, явно связан с давлением пара…
В сочинениях Саломона де Косс, много внимания уделяется устроиствам, работающим по принципу "водяных мельниц"
Похожую машину, в 1629 году предложил итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах.
Джованни Бранка за свою жизнь сделал немало интересных изобретений; ряд своих творений он посвятил губернатору города Лорето (Loreto). Позже коллекция разработанных им схем и чертежей была издана отдельной книгой, 'Le Machine'; вошли в эту книгу 63 гравюры с описаниями на итальянском и латыни. Во многих отношения книга Бранки стала характерным примером популярного в то время жанра 'театр машин' (theater of machines), популярным в 15-м веке и прославленным благодаря книге Жака Бессона (Jacques Besson) 'Theatrum Instrumentorum'. Особо удачным образчиком жанра книгу Джованни назвать было трудно – если большинство книг в этой области традиционно очень и очень неплохо иллюстрировались, в книге Бранки было лишь несколько откровенно слабых гравюр. Следует также отметить, что Бранка честно признавался, что большинство описанных им приспособлений лично строить не пробовал и суть работы некоторых представляет лишь косвенно.
В 1629-м свет увидел еще один труд Джованни Бранки, 'Manuale d'Architettura'. Эта книга была посвящена различным практическим аспектам строительного дела; для своего времени руководство это было довольно полезным и информативным – некоторые источники утверждают, что трудом Бранки активно пользовались многие архитекторы того времени.
В книге «The Century of Inventions», упамянается об этом устройстве...
Большая часть пара рассеивалась в пустую...
(Следующий абзац без пруфа, в сети одна и та же копипаста
)
Примерно в это же время испанский инженер Йеронимо Аянс де Бомонт создал паровую машину с цилиндром — этот механизм оказал некоторое влияние на развитие событий в области усовершенствования паровых машин.
Инфы об этом человеке я не нашёл, если кто-то, что-то знает, прошу дать ссылку.
В 1655 году Эдвард Сомерсет в своей книге «The Century of Inventions» описал основной принцип действия паровых машин и спектр их применения. В замке Раглан, он установил устройство для подъема воды на стену большой башни.
Еще в 19-м веке можно было увидеть углубления в стене, где располагалась машина…
Фердинанду Вербисту приписывают создание в 1670-е годы, первого в мире (вроде как игрушечного) паромобиля.
Не подтверждённая информация
Исаак Ньютон тоже не остался равнодушным, вот его взгляд на «реактивный» паромобиль:
Существует только это рисунок или эскиз, если угодно
Следующим этапом развития паровых машин, было создание Дени Папеном в 1680-1690 году (данные расходятся), «поршневого» парового двигателя, который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара. Это был принципиально новый проект парового двигателя. Конструкцию паровой машины (цилиндр и поршень) Дени Папену подсказал Лейбниц.
Папен также предложил конструкцию центробежного насоса, сконструировал печь для плавки стекла, паровую повозку и подводную лодку, изобрёл скороварку и несколько машин для подъёма воды.
Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх, а при конденсации пара создавалось разреженное пространство и атмосферное давление двигало поршень вниз.
Двигатель Папена плохо выполнял полезную работу, так как не мог осуществить непрерывное действие. Чтобы заставить машину работать, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.
Дени Папена принято считать изобретателем парового котла, проложившего таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. (см. ниже)
2 июля 1698 года английский инженер Томас Севери, получил патент на изобретение «огневого двигателя», предназначенной для откачивания воды из рудников.
Машина Севери — это паровой насос, а не двигатель: в нем не было цилиндра с поршнем, который при своем перемещении приводил бы что-то в движение.
Самое важное в этом устройстве было то, что пар для работы насоса, образовывался в отдельном котле.
Происходило это так. В котле, который непрерывно топили, образовывался пар. Открывая кран на трубе, впускали пар в насосный резервуар. От него отходили две трубы: одна (всасывающая) опускалась в шахту, другая (нагнетательная) проходила в сточный желоб.
Когда в резервуар пускали пар, он начинал выталкивать имеющуюся в нем воду по нагнетательной трубе в сточный желоб. Затем подачу пара прекращали и по специальной трубке впускали в резервуар холодную воду. Пар конденсировался, превращаясь в воду, и занимал небольшой объем, то есть в резервуаре образовывался вакуум. Вода шахты вытеснялась атмосферным давлением, направлялась по всасывающей трубе в «пустой» резервуар.
Насос Севери был маломощным, потреблял много топлива и работал прерывисто. Тем не менее установка Севере помогла изобретателям понять, что в паровых машинах следует пользоваться паром из отдельного котла.
В 1717-18 году «огневой двигатель» по указу царя Петра I был установлен в Санкт-Петербурге для снабжения водой около 50 фонтанов Летнего сада. Руководил изготовлением и установкой Жан Теофиль Дезагулье, француз по происхождению, ставший священником довольно высокого ранга в Англии и главой первой английской масонской ложи. Вот как об этом пишет сам Дезагулье:
«Начиная с 1717 или 1718 года, я построил семь усовершенствованных огневых двигателей. Первый — для покойного Царя Петра Первого, для его сада в Петербурге.»
Машина поднимала воду на высоту 3 м от поверхности земли. Производительность ее была 3 бочки в минуту.
При открытии крана 5 пар из котла 2 подавался в сосуд 1, выгоняя оттуда воду по трубке 6. Клапан 10 при этом открыт, а клапан 11 закрыт. В конце нагнетания кран 5 закрывался, и через кран 9 в сосуд 1 подавалась холодная вода. Пар в сосуде 1 охлаждался, конденсировался, и давление падало, засасывая туда воду по трубке 12. Клапан 11 при этом открывался, а клапан 10 закрывался.
Широкого распространения эти устройства не получили.
Переворот же в технику принесли поршневые паровые машины
К началу XVIII века в Англии возникли условия, при которых создание индустриальной техники стало выгодным. В 1705 году Томас Ньюкомен (совместив идеи Томаса Севери и Дени Папена) построил поршневой паровой насос, опыты по совершенствованию которого продолжались около десяти лет, пока он не начал исправно работать.
Главной деталью его был поршень, уравновешенный грузом и двигавшийся в большом вертикальном цилиндре (2). Давление пара, подаваемого в цилиндр из котла (1), поднимало поршень. Впрыскивание холодной воды из резервуара (5) осаждало пар и создавало в цилиндре вакуум. Атмосферное давление опускало поршень вниз. Охлаждающая вода и сконденсированный пар выпускались из цилиндра по трубе (6), а излишний пар из котла — через предохранительный клапан (7). После этого двигатель вновь был готов к следующему впрыскиванию пара.
Основной недостаток машины состоял в том, что рабочий цилиндр в ней являлся в то же время и конденсатором. Из-за этого приходилось поочередно то охлаждать, то нагревать цилиндр.
(Нефтяной станок-качалка работает так же)
Таким образом, машина Ньюкомена была скорее пароатмосферной, чем чисто паровой, так как рабочий ход у нее осуществлялся не давлением пара, а именно атмосферным давлением.
Насосы Ньюкомена нашли применение в Англии и других европейских странах для откачивания воды из глубоких затопленных шахт. К 1800 году было произведино 1454 машины Ньюкомена, многие из которых оставались в эксплуатации до начала XX века.
С некоторыми доработками, машины Ньюкомена на протяжении 50 лет оставались единственными механизмами, пригодными для промышленного использования.
В 1763 году русский изобретатель Иван Иванович Ползунов, работая механиком на алтайских горнорудных и металургических заводах, создал первую в России паровую машину и первый в мире двухцилиндровый паровой двигатель.
Ползунов модернизировал машину Ньюкомена (для обеспечения непрерывной работы он задействовал два цилиндра, вместо одного) и предложил использовать её для привидения в движение мехов плавильных печей.
Принцип работы аналогичен машине Ньюкомена.
Когда в один из цилиндров наполненных паром, впрыскивали воду, пар конденсировался, и в цилиндре создавалось разряжение. Под действием атмосферного давления поршень начинал опускаться вниз и в этот момент, в другой цилиндр, находившийся в нижнем положении, начинал поступать пар, и он начинал двигаться вверх.
Подача воды и пара в цилиндры была полностью автоматизирована. Штоки поршней паровой машины были связаны между собой цепью. Цепь проходила через верхний шкив и при движении паровых цилиндров, шкив тоже приходил в движение. Движение шкива в свою очередь, через цепи, приводило в движение специальные стержни, основное назначение которых было управлять движением серповидного маятника. Именно серповидный маятник управлял попеременной подачей воды и пара в паровые цилиндры.
(машина Ползунова, как и машина Ньюкомена была пароатмосферной)
Макет паровой машины И.И. Ползунова, сделанный по оригинальным чертежам в 1820-е годы. Краеведческий музей Барнаула.
О проекте было доложено императрице Екатерине Второй. Она распорядилась произвести И.И.Ползунова в «механикусы с чином и званием инженерного капитан-поручика», наградить 400 рублями и, по возможности, направить на учебу в Петербург. К маю 1766 года строительство в основном было закончено. Но 27 мая, за пару месяцев до пуска машины, Ползунов умер. Машина начала работать уже без него и исправно трудилась в течении 43-х дней. Однако, возникавшие при испытаниях недочеты некому было исправлять, и машина, наконец-таки, встала из-за течи котла. Её забросили. В дальнейшем по предписанию управителей алтайских заводов ползуновская машина и фабрика, где работала машина были разломана. Оставшиеся развалины сохранили народное название «Ползуновское пепелище».
Cовершить же настоящую революцию в этой области, было суждено шотландскому инженеру и изобретателю Джеймсу Уатту.
В 1765 году Джеймс Уатт изобрел паровую машину с конденсатором. Однако сама машина была создана только 10 лет спустя (по причине отсутствия финансирования).
В 1769 году он получил патент на это изобретение.
Макет был оснащен 2-дюймовым цилиндром и имел рабочий ход поршня в 6 дюймов. Уатт провел ряд экспериментов, в частности, заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды и макет, наконец, заработал. При этом Уатт убедился в неэффективности машины и внёс в конструкцию многочисленные усовершенствования. Уатт показал, что почти три четверти энергии горячего пара тратятся неэффективно:
При каждом новом цикле часть энергии пара постоянно тратилась на нагрев цилиндра, так как на следующем такте в цилиндр поступала холодная вода (чтоб сконденсировать пар).
Проведя ряд опытов над кипением воды, Уатт пришёл к выводу:
«…Для того, чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда так же горяч, как и входящий в него пар; но, с другой стороны, сгущение пара для образования пустоты должно происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра».
Автор: starikstd
