Паровая машина Ньюкомена

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Newcomen atmospheric engine animation.gif
Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в Уоркшире.

Паровая машина Ньюкомена — пароатмосферная машина, которая использовалась для откачки воды в шахтах и получила широкое распространение в XVIII веке.

История[править | править вики-текст]

К началу XVIII века в Англии возникли условия, при которых создание индустриальной техники стало выгодным владельцам мануфактур и иx финансистам. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце XVII столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. В 1705 году кузнец по профессии Томас Ньюкомен совместно с лудильщиком Дж. Коули построил паровой насос, опыты по совершенствованию которого продолжались около десяти лет, пока он не начал исправно работать (1712). В этой установке двигатель был соединён с насосом. Это была довольно эффективная для своего времени машина, которая впервые соединила паровой двигатель (цилиндр, в котором происходило расширение и конденсация пара) с кривошипно-шатунным механизмом.

Однако на своё изобретение Ньюкомен не смог получить патент, так как паровой водоподъёмник был запатентован ещё в 1698 году Т. Севери, с которым Ньюкомен позднее сотрудничал, поскольку патент Севери получил по акту Парламента право действия до 1733 года. Устройством Севери был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа». Машина Томаса Ньюкомена, разработанная к 1712 г., была более совершенной. [1][2] По-видимому, Ньюкомен использовал ранее полученные экспериментальные данные Дени Папена, который изучал давление водяного пара на поршень в цилиндре и поначалу нагревание и охлаждение пара для возвращения поршня в исходное состояние производил вручную.

Насосы Ньюкомена нашли применение в Англии и других европейских странах для откачивания воды из глубоких затопленных шахт, работы в которых без них производить было бы невозможно. К 1733 г. их было куплено 110, из которых 14 — на экспорт. Это были большие и дорогие машины, очень неэффективные по современным стандартам, но они себя окупали там, где добыча угля обходилась сравнительно дешево. С некоторыми усовершенствованиями их до 1800 г. произвели 1454 штуки, и они оставались в употреблении до начала XX века.[3]

Устройство[править | править вики-текст]

При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр и конденсат сбегает в сборник конденсата. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход. Машина работала путём создания в огромном цилиндре пара с последующим охлаждением его впрыском холодной воды, что создавало вакуум в цилидре в свою очередь опускавший цилиндр тем самым производя полезную работу Поскольку отдельный конденсатор в машине отсутствовал, то машина была более рентабельной при увеличении размера и, следовательно, объема цилиндра. Смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды.

Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня[4].

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. Паровая машина Ньюкомена не была универсальным двигателем и могла работать только как насос. Попытки Ньюкомена использовать возвратно-поступательное движение поршня для вращения гребного колеса на судах оказались неудачными. Однако заслуга Ньюкомена в том, что он одним из первых реализовал идею использования пара для получения механической работы. Его машина стала предшественницей универсального двигателя Дж. Уатта.

Схожую технологию в наше время используют бетононасосы на стройках

Дальнейшее развитие[править | править вики-текст]

Схема паровой машины Ньюкомена с конденсатором Уатта

Главной проблемой двигателя была крайне низкая эффективность (КПД менее 1%). Поэтому Машина по большей части использовалась в угольной промышленности, где уголь был доступен за значительно меньшую цену, чем в других регионах куда уголь надо было доставить на гужевом транспорте.В этой установке мощность вырабатывалась во время хода поршня только в одну сторону (на рисунке — во время движения вниз), и передавалась от двигателя к коромыслу DF посредством цепи. Обратный ход поршня (вверх) был холостым, и поршень поднимался за счёт усилия, создаваемого весом насоса с другой стороны коромысла (со стороны луча EF). В новом паровом двигателе Уатта, который теперь был двигателем двойного действия, мощность вырабатывалась как во время хода поршня вниз, так и во время его хода в обратном направлении. Поэтому цепь не могла передавать мощность от двигателя к коромыслу во время хода поршня вверх. Поэтому возникла потребность в создании механизма, который передавал бы мощность от поршня к коромыслу как во время его хода вверх, так и во время его хода вниз. Именно такой механизм и был разработан Уаттом. Наиболее известная из ранних паровых машин Дж. Уатта была предложена в 1778 г. Уатт существенно усовершенствовал механизм, сделав его работу более стабильной. Одновременно мощность увеличилась примерно в пять раз, что дало 75 % экономию в себестоимости угля. Ещё более важные последствия имел тот факт, что на базе машины Уатта стало возможно преобразование поступательного движения поршня во вращательное, то есть двигатель теперь мог крутить колесо мельницы или фабричного станка. Уже к 1800 г. фирма Уатта и его компаньона Болтона произвела 496 таких механизмов, из которых только 164 использовались как насосы. Ещё 308 нашли применение на мельницах и фабриках, а 24 обслуживали доменные печи.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Hulse, David H: The Early Development of the Steam Engine; TEE Publishing, Leamington Spa, U.K., 1999 ISBN 1-85761-107-1
  2. L.T.C. Rolt and J. S. Allen, The Steam engine of Thomas Newcomen (Landmark, Ashbourne, 1997), 44.
  3. Rolt and Allen, 145
  4. Hulse David K (1999): «The early development of the steam engine»; TEE Publishing, Leamington Spa, UK, ISBN, 85761 107 1 (англ.)