Паровая машина Ньюкомена

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Анимационная схема паровой атмосферной машины Ньюкомена 1712 г.
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]

Паровой двигатель (эолипил) турбинного типа был изобретён Героном Александрийским в I веке н. э., но оставался забытой игрушкой, и лишь в конце XVII столетия паровые двигатели вновь привлекли внимание энтузиастов. Дени Папен изобрёл паровой котёл высокого давления с предохранительным клапаном и впервые высказал идею использования подвижного поршня в цилиндре. Но до практической реализации Папен не добрался.

В 1705 году кузнец по профессии Томас Ньюкомен совместно с лудильщиком Дж. Коули построил паровой двигатель для водяного насоса (водоподъёмника), опыты по совершенствованию которого продолжались около десяти лет, пока он не начал исправно работать (1712). По-видимому, Ньюкомен использовал ранее полученные экспериментальные данные Папена, который изучал давление водяного пара на поршень в цилиндре и поначалу нагревание и охлаждение пара для возвращения поршня в исходное состояние производил вручную.

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 Ньюкомена был поршневой паровой двигатель с водоподъёмным насосом, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации: вследствие высокого давления пара двигатели 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». [1][2]

Водоподъёмные насосы Ньюкомена с поршневым паровым двигателем нашли применение в Англии и в 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. С некоторыми усовершенствованиями их до 1800 г. произвели 1454 штуки, и они оставались в употреблении до начала XX века.[3]

Принцип работы[править | править вики-текст]

Рабочий ход в вакуумном двигателе Ньюкомена совершается не высоким давлением пара, а низким давлением вакуума, образующегося после впрыска воды в цилиндр заполненный горячим паром. Низкое давление вакуума увеличивало безопасность двигателя, но сильно уменьшало мощность двигателя.

Пар низкого давления впускается в вертикальный рабочий цилиндр, открытый сверху, поднимая поршень. Впускной клапан закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В классическом двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. При конденсации пара давление в цилиндре падает, и атмосферное давление с усилием двигает поршень вниз, совершая рабочий ход. Смазка и уплотнение поршня осуществляется небольшим количеством воды, налитой на него сверху.

Изначально распределение пара и охлаждающей воды было ручным, затем изобретено автоматическое распределение, т.н. "механизм Поттера".

Работа, производимая атмосферным давлением, тем больше, чем больше ход поршня и сила давления на него. Перепад давлений при этом зависит только от температуры, при которой пар конденсируется, и сила, равная произведению перепада давлений на площадь поршня, увеличивается при увеличении площади поршня, то есть, диаметра цилиндра и, следовательно, объема цилиндра. Совокупно получается, что мощность машины растёт с ростом объёма цилиндра.

Newcomen atmospheric engine (Heat Engines, 1913).jpg

Поршень связан цепью с концом большого коромысла, представляющего собой двуплечий рычаг. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла. При рабочем ходе поршня вниз насос выталкивает вверх порцию воды, а затем под собственным весом опускается вниз, а поршень поднимается, заполняя цилиндр паром.

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 при помощи лошадей. Отопление машин углем, добытым в той же шахте, которую машина обслуживала, оказалось выгодно, несмотря на чудовищную прожорливость установки. 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

Рабочий ход поршня только в одну сторону (вниз), и постоянные потери тепла на нагревание остывшего цилиндра ограничивали эффективность машины (КПД менее 1%).

Первым усовершенствованием, введённым Уаттом, был отдельный конденсатор, позволивший держать цилиндр постоянно горячим.

В своём принципиально новом двигателе Уатт отказался от пароатмосферной схемы, создав коромысловую машину двойного действия, в которой рабочими были оба хода поршня. Цепь не могла более служить передаточным звеном к коромыслу во время хода поршня вверх, и возникла потребность в механизме, который передавал бы мощность от поршня к коромыслу в обоих направлениях. Этот механизм также был разработан Уаттом. Мощность увеличилась примерно в пять раз, что дало 75 % экономию в себестоимости угля. Тот факт, что на базе машины Уатта стало возможно преобразование поступательного движения поршня во вращательное, и стал толчком к промышленной революции. Тепловой двигатель теперь мог крутить колесо мельницы или фабричного станка, освободив производство от водяных колёс на реках. 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