Первая паровая машина. Джеймс Уатт
5 января 1769 года Джеймс Уатт получил патент на свою первую паровую машину.
Изобретение паровой машины стало поворотным моментом промышленной и всеобщей истории человечества. На рубеже XVII-XVIII веков появились предпосылки к замене маломощных и неэффективных живых «двигателей», ветряных мельниц и водяных колес на механизмы совершенно нового типа — паровые машины. Именно паровые двигатели сделали возможным свершение промышленной революции и достижение современного уровня развития техники.
Считается, что первую паровую машину изобрел шотландский механик Джеймс Уатт — ведь не зря же его именем названа международная единица мощности Ватт! Так и хочется сказать: «Виват, вам, Джеймс Уатт, виват!»
Паровая машина в начале предназначалась для использования в заводском производстве, но позднее паровой двигатель стали устанавливать на самодвижущихся машинах — паровозах, пароходах, автомобилях и тракторах.
Большая роль в его усовершенствовании принадлежит шотландскому инженеру, изобретателю-механику Джеймсу Уатту.
Как оказывается изобретательство и механика в семье Уатт –дело семейное. Его отец также был механиком, строивший и починявший разнообразные инструменты и машины от музыкальных (органы) до кранов, служивших для подымания тяжестей. Уатт с детства был окружен инструментами, любил в них всматриваться, делал для себя игрушки, а потом различные модели. Родители его, принимая во внимание слабое здоровье маленького Джеймса, не принуждали его учиться и предоставляли ему много свободы в выборе занятий. Уатт в начальном училище не отличался успехами, но в гимназии шел лучше, хотя болезненный организм и там препятствовал непрерывности его занятий. Во всяком случае, математические занятия в школе и примеры отца не остались без влияния на развитие в юном Уатте склонности к механике. Вообще же он любил очень многое и, между прочим — занятие естественными науками и медициной, так что сам в юные годы не мог определить, в чем состояло его истинное призвание.
Уатт нередко бывал в Глазго у дяди, университетского профессора, и там свел знакомство со многими учеными и образованными людьми. Он никогда не проходил никаких специальных курсов, но много читал, размышлял и сам образовал себя и сделался многосторонне знающим человеком.
Джеймс Уатт был ключевой фигурой в Промышленной революции. На самом деле Джеймс Уатт не был первым человеком, который изобрел паровую машину. Подобное устройство было описано Героном Александрийским в первом веке. В 1698 году Томас Сейвери запатентовал паровую машину, которую использовали для откачки воды, и в 1712 году англичанин Томас Ньюкомен запатентовал ее улучшенную версию. Однако машина Ньюкомена обладала такой низкой производительностью, что ее использовали только для откачки воды из угольных шахт.
Паровая машина, сделанная по проекту Джеймса УаттаУатт заинтересовался паровой машиной в 1764 году, когда он ремонтировал модель машины, изобретенной Ньюкоменом. Хотя Уатт только год учился на инструментальщика, он обладал большими изобретательскими способностями.
Он сделал такие значительные усовершенствования в изобретении Ньюкомена, что правильней было бы считать Уатта изобретателем первой паровой машиной с практическим применением.
Первым таким значительным усовершенствованием, которое Уатт запатентовал 5 января 1769 году, была изолированная камера для конденсации. Он также изолировал паровой цилиндр, а в 1782 году он изобрел машину двойного действия. Вместе с другими, более мелкими усовершенствованиями это изобретение позволило увеличить производительность паровой машины в четыре или более раз. Практически в увеличении производительности и заключалось различие между уже существовавшей умной, но не очень полезной машиной и техническим устройством с огромным промышленным потенциалом.
Уатт также создал в 1781 году целый ряд приспособлений, преобразующих возвратно-поступательное движение во вращательное. Это устройство намного увеличило количество пользователей паровой машины. В дополнение к другим различным усовершенствованиям Уатт, в 1788 году, изобрел центробежный регулятор, при помощи которого осуществлялся автоматический контроль за скоростью машины, через два года изобрел манометр, счетчик, указатель уровня, дроссельный клапан.
Сам Уатт не обладал хорошей деловой жилкой. Однако в 1775 году он вступил в деловое сотрудничество с Мэтью Баултоном, инженером и очень хорошим бизнесменом. На протяжении двадцати пяти лет фирма Уатта и Баултона произвела большое количество паровых машин, и оба партнера стали очень состоятельными людьми.
Трудно переоценить значение паровой машины. В действительности было много других изобретений, которые сыграли роль в развитии Промышленной революции. Были изобретения в добывающей промышленности, металлургии, во многих областях, связанных с механизацией промышленного производства. Некоторые изобретения, такие как самолетный челнок (Джон Кей, 1733), прядильная машина «Дженни» (Джеймс Харгривс, 1764), даже предшествовали работе Уатта.
Большинство же других изобретений представляли собой весьма незначительные усовершенствования, и ни одно из них не оказало никакого влияния на Промышленную революцию. Совсем по-другому дело обстояло с паровой машиной, которая сыграла решающую роль и без которой Промышленная революция имела бы совершенно другой характер.
Первоначально, несмотря на то, что некоторое распространение получили ветряные и водяные мельницы, главным источником энергии всегда были человеческие мускулы. Этот фактор резко ограничивал производительную мощность промышленности. С изобретением паровой машины ограничение было снято. Производство получило большое количество энергии, что вызвало его бурный рост.
Однако паровая машина явилась не только источником энергии для заводов, она нашла много других применений.
К 1783 году маркиз Жоффруа Д’Аббан с успехом использовал паровую машину для приведения в движение судов. В 1804 году Ричард Тревитик построил первый локомотив. Ни одна из этих ранних моделей не имела коммерческого успеха. Однако за несколько десятков лет пароходу и железной дороге предстояло коренным образом изменить всю систему наземного и водного транспорта.
Промышленная революция произошла в одну и ту же историческую эпоху с Американской и Французской революциями. Хотя это сразу не стало очевидным, сегодня мы можем понять, что Промышленной революции суждено было оказать значительно большее влияние на повседневную жизнь людей, чем любой из этих исторических политических революций.
И поэтому Джеймса Уатта можно с полным основанием считать одной из самых значимых личностей в истории!
Семь фактов о создателе универсальной паровой машины Джеймсе Уатте
«РГ» собрала интересные факты о знаменитом изобретателе.
1.История паровых машин берет свое начало задолго до изобретения Уатта. На самом деле, он усовершенствовал разработку англичанина Томаса Ньюкомена. Созданную им в 1712 году паровую машину в течение полувека использовали для откачки воды в шахтах, на судоремонтных предприятиях. Однако эта конструкция была очень громоздкой, требовала постоянного пополнения запасов угля, для чего порой задействовали до 50 лошадей. Управление машиной осуществлялось вручную — для этого нанимали специального человека, который с определенной периодичностью открывал и закрывал клапаны.
В 1763 году Джеймсу Уатту, который тогда был механиком университета Глазго, поручили починить действующий макет паровой машины Ньюкомена. В процессе изобретатель понял, что цилиндр конструкции нужно держать постоянно нагретым — это сильно сократило бы расход топлива.
Рассказывают, что, Уатта осенило, когда он прогуливался вдоль прачечных и увидел облака пара, которые стремились вырваться из-под крышек котлов с бельем. Изобретатель сделал так, что цилиндр постоянно оставался горячим: для этого пар, до конденсации, отводился в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Благодаря применению теплоизоляционного материала, конденсор оставался холодным. Таким образом, пароатмосферная машина превратилась в паровую.
2.Патент на свое изобретение — «создание парового двигателя, в котором температура двигателя всегда будет равна температуре пара, несмотря на то, что пар будет охлаждаться до температуры ниже ста градусов» — Уатт получил в 1769 году. Но паровую машину новой конструкции он создал только спустя семь лет: у изобретателя было плохо с деньгами, и он не имел возможности воплотить в жизнь свою идею.
В 1772 году он познакомился с богатым промышленником Мэтью Болтоном, который помог ему избавиться от долгов и финансово поддержал в работе.
Спустя год Уатт испытал свою паровую машину, которая выполняла функцию насоса, однако требовала намного меньше угля. Болтон и Уатт открыли компанию по производству паровых машин, выпуск которых начался в 1774 году. Для того, чтобы построить новый прокатный цех, промышленник попросил изобретателя создать специальную паровую машину — для привода прокатных станков.
3.В 1781 году Уатт запатентовал изобретение, которое сделало его знаменитым — паровую машину «для осуществления движения вокруг оси с целью приведения в действие других машин». По сути, она могла использоваться не только в качестве насоса, как изобретение Ньюкомена, а для любой работы.
Паровая машина двойного действия Уатта работала следующим образом. В крышке цилиндра имелся сальник, который обеспечивал свободное движение поршня. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому и рабочий, и обратный ход совершались при помощи помощью пара. Возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось во вращение маховика при помощи планетарного механизма (системы, состоящей из нескольких зубчатых колес, вращающихся вокруг центральной — солнечной — шестерни).
В 1784 году Уатт модернизировал свою машину, которую назвали «универсальной». Она появилась на фабриках и заводах, с ее помощью приводили в движение прядильные и ткацкие станки и другие механизмы. А в начале XIX века двигатели системы Уатта установили на первые паровоз и пароход. Жизнь человека изменилась в корне.
4.Уатту и Болтону пришлось бороться с многочисленными некачественными подделками паровой машины. В то время каждый, кто имел хоть какое-то представление о подобной конструкции, пытался сделать ее самостоятельно, чтобы заработать на волне популярности. Зачастую подделки были опасны в эксплуатации: это портило имидж производителей. Они выиграли тысячи судебных разбирательств.
5.Российская академия наук предложила Уатту, при условии переезда, занятие, «сообразное с его вкусом и познаниями» и приличным ежегодным жалованьем в 1000 фунтов стерлингов. Узнав об этом, поэт Эразм Дарвин умолял изобретателя не ездить: «Я надеюсь, что Ваша огненная машина оставит Вас здесь».
В Россию Уатт так и не поехал.
6.Изначально, для того, чтобы продвинуть на рынке свою паровую машину, Уатту понадобилось наглядно представить ее преимущества. Изобретатель рассчитал, какой груз, в среднем, в минуту поднимает обычная лошадь, приводя в действие водяной насос. Эту единицу мощности он обозначил как «лошадиную силу». Таким образом, Уатт наглядно показал, во сколько раз паровая машина эффективнее лошади.
7.В 1882 году Британская ассоциация инженеров решила, впервые в истории техники, присвоить имя собственное единице измерения и, таким образом, увековечить Джеймса Уатта. С тех пор мощность в Международной системе единиц измеряется в ваттах.
паровой двигатель | Определение, история, влияние и факты
паровой двигатель
Посмотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Роберт Фултон Джеймс Ватт Оливер Эванс Ричард Тревитик Джордж Стефенсон
- Похожие темы:
- кочегар паровая машина ватт составной двигатель Корнуоллский двигатель двигатель двойного действия
Просмотреть весь соответствующий контент →
Резюме
Прочтите краткий обзор этой темы
паровая машина машина, использующая энергию пара для выполнения механической работы за счет тепла.
Далее следует краткое описание паровых двигателей. Для полного описания энергии и производства пара, а также паровых двигателей и турбин, см. Преобразование энергии: Паровые двигатели .
Британская викторина
Изобретатели и изобретения
Наши первые предки человека изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение при вращении? Пусть крутятся колеса в вашей голове, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.
В паровой машине горячий пар, обычно подаваемый котлом, расширяется под давлением, и часть тепловой энергии превращается в работу. Остальному теплу можно позволить уйти, или, для максимальной эффективности двигателя, пар можно сконденсировать в отдельном аппарате, конденсаторе, при сравнительно низких температуре и давлении. Для достижения высокой эффективности пар должен проходить через широкий диапазон температур в результате его расширения в двигателе. Наиболее эффективная работа, т.
е. наибольшая производительность по отношению к подведенному теплу, обеспечивается за счет использования низкой температуры конденсатора и высокого давления в котле. Пар можно дополнительно нагреть, пропустив его через пароперегреватель на пути от котла к двигателю. Обычный пароперегреватель представляет собой группу параллельных труб, поверхность которых подвергается воздействию горячих газов топки котла. С помощью пароперегревателей пар может быть нагрет выше температуры, при которой он производится кипящей водой.
В паровом двигателе поршневого и цилиндрового типа пар под давлением подается в цилиндр с помощью клапанного механизма. Когда пар расширяется, он толкает поршень, который обычно соединен с кривошипом на маховике для создания вращательного движения. В двигателе двойного действия пар из котла поступает попеременно к каждой стороне поршня. В простой паровой машине расширение пара происходит только в одном цилиндре, тогда как в составной машине имеется два или более цилиндров увеличивающегося размера для большего расширения пара и повышения эффективности; первый и самый маленький поршень приводится в действие начальным паром высокого давления, а второй — паром более низкого давления, выходящим из первого.
В паровой турбине пар выбрасывается с высокой скоростью через сопла, а затем проходит через серию неподвижных и движущихся лопастей, заставляя ротор двигаться с высокой скоростью. Паровые турбины более компактны и обычно допускают более высокие температуры и большую степень расширения, чем поршневые паровые двигатели. Турбина является универсальным средством, используемым для выработки большого количества электроэнергии с помощью пара.
Джеймс Уатт: паровой двигатель
Посмотреть все видео к этой статье Первыми паровыми двигателями были научные новинки Героя Александрийского в 1 веке н.э., такие как эолипил, но только в 17 веке были предприняты попытки использовать пар для практических целей. В 1698 году Томас Савери запатентовал насос с ручными клапанами для подъема воды из шахт за счет всасывания, создаваемого конденсирующимся паром. Примерно в 1712 году другой англичанин, Томас Ньюкомен, разработал более эффективную паровую машину с поршнем, отделяющим конденсирующийся пар от воды.
В 1765 году Джеймс Уатт значительно усовершенствовал двигатель Ньюкомена, добавив отдельный конденсатор, чтобы избежать нагрева и охлаждения цилиндра при каждом такте. Затем Уатт разработал новый двигатель, который вращал вал вместо простого движения насоса вверх-вниз, и добавил много других улучшений, чтобы создать практическую силовую установку.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подписаться сейчас
Громоздкий паровой вагон для дорог был построен во Франции Николасом-Жозефом Кюньо еще в 1769 году. Ричард Тревитик в Англии первым использовал паровой вагон на железной дороге; в 1803 году он построил паровоз, который в феврале 1804 года совершил успешный пробег по маршруту конки в Уэльсе. Адаптация парового двигателя к железным дорогам стала коммерчески успешной с Rocket 9.0030 английского инженера Джорджа Стефенсона в 1829 году. Первым практичным пароходом был буксир Charlotte Dundas, , построенный Уильямом Саймингтоном и опробованный на канале Форт и Клайд в Шотландии в 1802 году.
Роберт Фултон применил паровой двигатель на пассажирском судне в Соединенные Штаты в 1807 году.
Хотя паровая машина уступила место двигателю внутреннего сгорания в качестве средства движения транспортных средств, интерес к ней возродился во второй половине 20-го века из-за увеличения проблем загрязнения воздуха, вызванных горением ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно пересмотрена и обновлена Адамом Августином.
Кто изобрел паровой двигатель?
Живая наука поддерживается своей аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.
Паровой двигатель способствовал крупным достижениям в области добычи полезных ископаемых, производства, сельского хозяйства и транспорта. (Изображение предоставлено: Баптист | Shutterstock) В мире, движимом двигателями внутреннего сгорания, газовыми турбинами и ядерными реакторами, паровой двигатель может показаться пережитком прошлого.
Но без этого революционного изобретения современный мир был бы совсем другим.
Паровой двигатель, возможно, самое важное достижение промышленной революции, способствовал крупным достижениям в области добычи полезных ископаемых, производства, сельского хозяйства и транспорта. И хотя разработка и усовершенствование парового двигателя приписывают нескольким выдающимся деятелям 18-го и 19-го веков, история паровых машин на самом деле восходит почти за 2000 лет до промышленной революции.
Древние паровые турбины
В начале первого века нашей эры греческий изобретатель Герой Александрийский сконструировал первую в мире эолипилу, или примитивную паровую турбину. Эолипил Герона состоял из полого шара, закрепленного на паре трубок. Нагретые снизу огнем трубы доставляли пар к сфере, где он выпускался через другую серию труб, выступающих из экватора сферы. Это движение пара через устройство заставляло сферу вращаться, демонстрируя возможность использования пара в качестве движущей силы.
Хотя эолипил Героя был создан как новинка, а не как средство ускорения производства, тем не менее, это первое известное устройство, преобразующее пар во вращательное движение. Но только в 17 веке были предприняты попытки использовать силу эолипила Герона в практических целях.
В первом веке нашей эры Герой Александрийский изобрел эолипил, или примитивную паровую турбину. (Изображение предоставлено общественным достоянием.)Steam: идеальное решение
Первые практические паровые двигатели были разработаны для решения очень специфической проблемы: как удалить воду из затопленных шахт. Поскольку европейцы 17 века перешли с дерева на уголь в качестве основного источника топлива, шахты углублялись и, как следствие, часто затапливались после проникновения подземных источников воды.
Считается, что испанский управляющий горнодобывающей промышленностью по имени Херонимо де Аянс первым решил проблему затопленных шахт. В 1606 году де Аянц зарегистрировал первый патент на машину, которая использовала силу пара для выталкивания воды из шахт.
Испанский изобретатель, которому также приписывают изобретение одной из первых в мире систем кондиционирования воздуха, использовал свой паровой двигатель для удаления воды из серебряных рудников на Гуадалканале в Севилье.
В то время как испанец первым запатентовал паровую машину для использования в горнодобывающей промышленности, изобретение первого парового двигателя обычно приписывают англичанину. В 1698 году Томас Савери, инженер и изобретатель, запатентовал машину, которая могла эффективно извлекать воду из затопленных шахт с помощью давления пара. Савери использовал принципы, изложенные Дени Папеном, британским физиком французского происхождения, который изобрел скороварку. Идеи Папена, связанные с паровым двигателем с цилиндром и поршнем, ранее не использовались для создания работающего двигателя, но к 1705 году Савери превратил идеи Папена в полезное изобретение.
Используя два паровых котла, Савери разработал практически непрерывную систему откачки воды из шахт.
Но, несмотря на ранний успех системы Савери, вскоре было обнаружено, что его двигатель способен брать воду только с небольшой глубины, и эту проблему необходимо было решить, если паровые двигатели должны были работать в глубоких шахтах.
К счастью для европейских шахтеров, в 1711 году другой англичанин, Томас Ньюкомен, разработал лучший способ откачки воды из шахт. В его системе использовался модернизированный паровой двигатель, который устранял необходимость в аккумулированном давлении пара — недостаток в системе Савери, который приводил ко многим неудачным взрывам. «Атмосферный» двигатель Ньюкомена, названный так потому, что уровень давления пара, который он использовал, приближался к атмосферному давлению, был первой коммерчески успешной машиной, в которой пар использовался для работы водяного насоса.
Несмотря на то, что атмосферный двигатель Ньюкомена был улучшен по сравнению с первоначальным рендерингом паровой машины Савери, у него были свои недостатки. Машина была крайне неэффективной, ей требовался постоянный поток холодной воды для охлаждения важнейшего парового цилиндра (часть двигателя, где давление пара преобразуется в движение), а также постоянный источник энергии для повторного нагрева цилиндра.
Несмотря на этот существенный недостаток, конструкция двигателя Ньюкомена оставалась неизменной в течение следующих 50 с лишним лет и, помимо откачки шахт, также использовалась для осушения заболоченных земель, снабжения водой городов и даже электроснабжения заводов и мельниц путем перекачивания воды. снизу водяного колеса кверху для повторного использования.
В 1698 году Томас Савери запатентовал машину, которая могла эффективно извлекать воду из затопленных шахт с помощью давления пара. (Изображение предоставлено общественным достоянием.)Сила промышленной революции
Но к 1765 году судьба двигателя Ньюкомена была решена. В том же году Джеймс Уатт, шотландский производитель инструментов, нанятый Университетом Глазго, начал ремонт небольшой модели двигателя Ньюкомена. Уатт был озадачен большим количеством пара, потребляемого машиной Ньюкомена, и понял, что для устранения этой неэффективности ему придется покончить с постоянным охлаждением и повторным нагревом парового цилиндра.
Для этого Уатт разработал отдельный конденсатор, который позволял поддерживать постоянную температуру парового цилиндра и значительно улучшал функциональность двигателя Ньюкомена.
По финансовым причинам Ватт не смог сразу изготовить свой новый улучшенный атмосферный двигатель. Но к 1776 году он сформировал партнерство с Мэтью Бултоном, английским промышленником и инженером, решительно настроенным использовать паровые двигатели не только для откачки воды из шахт.
При финансовой поддержке Бултона Уатт разработал ротационную паровую машину одностороннего действия (а позже и двойного действия), которая, наряду с фирменным отдельным конденсатором Ватта, отличалась механизмом параллельного движения, который удвоил мощность существующего парового цилиндра. Двигатель Боултона-Ватта был также первым, который позволил оператору машины контролировать скорость двигателя с помощью устройства, называемого центробежным регулятором. В улучшенном двигателе использовалась новая система передач, разработанная сотрудником Бултона и Уоттса Уильямом Мердоком, известная как солнечная и планетарная передача, для преобразования возвратно-поступательного (линейного) движения во вращательное.