Паровая машина — это двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.
Общие сведения о паровых машинах
Первую паровую машину построил в XVII веке французский физик Дени Папен. Она представляла собой цилиндр с поршнем, поднимавшимся под действием пара, а опускавшимся под давлением атмосферы после сгущения пара. На то же принципе работали вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена, построенные в 1705 году для выкачивания из копей воды. Значительные усовершенствования машины сделал Джеймс Уатт в 1769 году. Дальнейшие усовершенствования парового двигателя осуществили американец Оливер Эванс в 1786 году и англичанин Ричард Тревитик в 1800 году.
В России проект паровой машины предложил Иван Ползунов в 1763 году, а построили ее в 1766 году. Но увидеть в работе свое изобретение И. Ползунову не пришлось: он умер за несколько месяцев до пуска машины в эксплуатацию на Барнаульском заводе. Через пару месяцев она перестала действовать из-за поломки и была демонтирована.
История паровых машин
Первое приводимое паром в движение устройство описано Героном Александрийским в I веке.
Паровая турбина была изобретена в XVI веке в Египте, астрономом, инженером и физиком Такиюддином аш-Шами, предложившим метод вращения вертела посредством направляемого на лопасти потока пара.
Схожую машину в 1629 году разработал Джованни Бранка для вращения анкерного цилиндрического устройства, которое поднимало и отпускало пару пестов в ступах. В этих устройствах большая часть парового потока рассеивалась, что приводило к большим потерям энергии.
Принцип действия паровых машин был описан в 1655 году Эдвардом Сомерсетом, который в 1663 году установил приводимое паром в движение устройство для подъема воды на стену Большой башни в замке Реглан. Однако не нашлось желающих рисковать деньгами для новой разработки, и паровая машина Сомерсета осталась на бумаге.
Физик и изобретатель Дени Папен в середине 1670-х годов работал над машиной, вытеснявшей из цилиндра воздух путем порохового взрыва. Видя неполноту создаваемого вакуума, Папен в 1680 году создал вариант цилиндра, в котором полный вакуум получался при помощи кипящей воды, конденсировавшейся в цилиндре. Так он смог поднять присоединенный к поршню веревкой груз. Папен понял, что для автоматизации движений поршня пар должен производиться в отдельном котле. Папен считается изобретателем парового котла. Однако он не предложил конструкцию паровой машины.
Описанные устройства фактически не применялись как средство решения практических задач. Первым использованным на производстве паровым двигателем стала «пожарная установка», сконструированная Томасом Севери в 1698 году. В том же году Севери получил патент на устройство. Паровой насос без поршня был не слишком эффективен, так как каждый раз тепло пара терялось при охлаждении контейнера, и довольно опасен в эксплуатации, поскольку трубопроводы насоса вследствие высокого давления пара иногда взрывались.
В 1712 году кузнец Ньюкомен продемонстрировал «атмосферный двигатель». В усовершенствованном паровом двигателе Севери Ньюкомен применил цилиндр с поршнем, снизив рабочее давление. Первым применением этого двигателя стала откачка воды из шахты. Насос Ньюкомена был паровым двигателем, первым получившим широкое применение на практике.
В 1720 году Якоб Лейпольд разработал двухцилиндровый паровой двигатель высокого давления рабочий ход которого совершался не низким давлением вакуума, а высоким давлением водяного пара. Отработанный пар сбрасывался в атмосферу. Машины высокого давления были построены Оливером Эвансом и Ричардом Тревитиком лишь через 80 лет.
В 1763 году механик И. Ползунов спроектировал первую в России двухцилиндровую вакуумную паровую машину для приведения в действие воздуходувных мехов на Колывано-Воскресенских заводах в Барнауле.
В 1765 году Джеймс Уатт разработал отдельный конденсатор для повышения КПД вакуумного двигателя Ньюкомена. Двигатель оставался вакуумным.
В 1781 году Уатт запатентовал вакуумную паровую машину с кривошипно-шатунным механизмом, производившую непрерывное вращательное движение вала. Двигатель Уатта с кривошипно-шатунным механизмом оставался вакуумным, но его стало возможно при наличии воды и каменного угля, устанавливать в любом месте для любых целей. С ним связывают начало английской промышленной революции.
Дальнейшим улучшением парового двигателя стало применение пара высокого давления, сделанное Оливером Эвансом и Ричардом Тревитиком.
Эванс в 1786 году попытался запатентовать паровой автомобиль, приводом в котором служила паровая машина высокого давления, но патентное управление отказало, посчитав идею Эванса нелепой фантазией. Эванс позже изготовил около полусотни таких машин.
Тревитик освоил цилиндрические паровые котлы. С 1797 года он строил модели паровых повозок, а в 1801 году начал строительство оригиналов повозок. В 1801 году Тревитик построил первый паровоз «Puffing Devil», а в 1802 году паровоз «Coalbrookdale» для угольной компании.
В 1769 году изобретатель Николя-Жозеф Кюньо показал действующее паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровая телега). Его изобретение стало первым автомобилем. Самоходный паровой трактор был очень полезен в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего сельскохозяйственные машины в движение. В 1788 году построенный Джоном Фитчем пароход уже осуществлял сообщение по реке Делавэр между Берлингтоном (Нью-Йорк) и Филадельфией (Пенсильвания).
С развитием пароходо- и паровозостроения процесс совершенствования паровых машин получил толчок. Разрабатывались конструкции котлов и вспомогательных систем (механизмов топливоподачи, парораспределения), впоследствии ставшие классическими. Значительно вырос КПД паровой машины.
