На этой фотографии, сделанной в 1880-х годах, двигатель виден уже установленным, но уже в полуразрушенном состоянии, так как он не использовался в течение пятидесяти лет. Эта фотография была скопирована с сайта Эштон-андер-Лайн на северо-западе Англии, где стоял оригинальный двигатель. К 1920-м годам двигатель был заброшен и пришел в полную негодность. Он был куплен Генри Фордом в 1929 году и привезен в Америку, где сегодня находится в Музее Генри Форда в Дирборне, штат Мичиган, наряду с другими машинами, которые помогли добиться перемен. Суммарная выходная мощность этого двигателя составляет примерно 20 лошадиных сил. Двигатель работал со скоростью примерно 14 тактов в минуту, имел диаметр цилиндра 28 дюймов и ход поршня 72 дюйма.

Один из посетителей этого сайта (Ричард Холлидей), живущий в этом районе, сказал мне, что шахта имеет глубину около 200 футов. Он добывал шахты Каннел, которые были частью группы угольных шахт Фэрботтом (Мэри, Парк и, возможно, шахта Стаббса). Бобс входил в группу шахт Фэрботтом, в которую входили шахта Фэрботтом / мостовая яма / домашняя шахта Копера (позже вудпарк) и карьер Бардсли … все они были угольными шахтами в средних угольных шахтах, единственная, уцелевшая до 20-го века, была шахта Вудпарк. который закрылся в 1957 и имел глубину 510 ярдов. Сегодня (2008 г.) этот район изображен ниже (фото Ричарда). Четко показаны две закрытые шахты и основание дымохода.

Можно предположить, что Fairbottom Bobs был двухступенчатым насосом из-за расположения угольных пластов – шахты должны были откачиваться в ложу шахты Парк/Стаббс в первом подъеме, затем на поверхность во втором поднять, поскольку Фэрботтом был самым низким и последним пластом, который должен был быть обработан в этом районе.

Рядом с районом Бобс была яма под названием Роше Вейл, в которой также был ранний балочный двигатель, а в районе Бобса есть 15 старых валов, возможно, намного больше. Девяносто процентов этих шахт были одноствольными ямами, вырытыми до 1800 года, и шахта Бобс использовала некоторые из них в качестве вентиляционных шахт. Сообщалось также, что примерно в 50 футах к западу от шахт, показанных на сегодняшней фотографии местности (сделанной в 2008 г.), в русле реки есть несколько струй ржавой воды, бьющей через трещины в нижележащих пластах горных пород, когда затопленные угольные выработки находятся на большей высоте, и вода находится под большим давлением … окрашивая реку в оранжевый цвет.

Показанный здесь двигатель имел выходную мощность приблизительно 14,9 кВт (20 л. диаметр цилиндра и ход поршня 72 дюйма

Двигатель сегодня

Весь двигатель состоит из круглого котла (слева, как видно на фото ниже), приводящего в движение главный цилиндр, который находится за массивной каменной опорой балки. В передней части балки находится двухступенчатый насос, используемый для откачки воды из шахты.Этот двигатель 1760 года является более усовершенствованной моделью, чем тот, что показан на пояснительной схеме, и имеет вспомогательный насос, который наполнял резервуар наверху. опорной колонны для обеспечения распыления воды для конденсации пара в цилиндре, а также автоматического механизма подачи воды в котел, чтобы котел оставался заполненным водой. 

«Оригинал ??» …из-за крайне ветхого состояния машины при доставке в музей некоторые элементы двигателя были переделаны для экспонирования. Первоначальная каменная колонна, поддерживающая балку, была сохранена, но сама деревянная балка сгнила, поэтому представленная на выставке является репродукцией. Кирпичная кладка, как и короткая круглая стена вокруг вала насоса, была реконструирована в музее, чтобы изобразить двигатель в его первоначальном состоянии. Наконец, котел не оригинальный, а снят с другого двигателя. Старые фотографии 19 века. 20-е показывают Генри Форда на месте старого двигателя непосредственно перед снятием со старым котлом рядом с двигателем: он был цилиндрической формы, а оригинал был, как видно на старой фотографии, ржавым до невозможности (хотя даже это, возможно, не имело был действительно «оригинальным», так как двигатель, возможно, когда-то перебирали) ^1,3 .

, здесь видны тяги, ведущие к шахтным насосам, а также к вспомогательному резервуарному насосу. Насос резервуара поддерживает резервуар наверху опорной колонны заполненным: вода в резервуаре используется для впрыска воды в цилиндр (для конденсации пара), а также для пополнения котла.

Хотя это не оригинальный котел ¹  (поскольку на нескольких фотографиях двигателя на исходном месте показан цилиндрический котел), этот пример был бы исторически правильным для двигателя этого типа.

Идея использования круглого котла для удержания давления первоначально была позаимствована у пивоваров, которые использовали круглые сосуды, которые могли выдерживать давление лучше, чем другие формы. Кирпич также помогает концентрировать тепло от огня для производства огромного количества пара, необходимого для двигателя. Несмотря на это, двигатель Ньюкомена был неэффективным и потреблял большое количество топлива во время работы.

В верхней части этого конкретного котла (слева) можно увидеть клапан сброса давления, а также систему подачи воды для поддержания высокого уровня воды справа. В самых ранних двигателях Ньюкомена поршень располагался прямо над котлом, но в более поздних двигателях, таких как этот, котел был отдельным и соединялся через трубу для подачи пара к двигателю.

Рядом с большим цилиндром (со стороны котла) установлен впускной клапан для пара, который впускал пар в цилиндр, когда он находился в нижней части хода. Клапан в квадратной коробке в нижней части вертикальной питательной трубы приводился в действие стальным стержнем, ведущим вправо. Когда поршень вдавливал в цилиндр, вторичный рычаг, прикрепленный к балке, также опускался — на этом рычаге был штифт, который открывал клапан, пропуская пар в цилиндр. Поршень поднялся в результате набегающего пара, и второй штифт на рычаге закрыл впускной клапан, когда поршень достиг верхней точки хода.

Этот Y-образный привод, который переключался, чтобы впустить пар в цилиндр, а затем переключался обратно, чтобы закрыть клапан, был вдохновлен приводом Newcomen ⁴ , который обеспечивал полностью автоматическую работу двигателя (в отличие, например, от более раннего насосного двигателя Савери). что требовало, чтобы оператор постоянно открывал и закрывал клапаны). Чтобы заставить его работать должным образом, требовалась точность, а в 1700-х годах его можно было полностью обработать вручную.

Привод этого двигателя крупным планом показывает, как он работает. Как показано, паровой клапан открыт, и поршень находится в верхней точке хода. Немного выше показанный толкатель поднимет штифт, который, в свою очередь, перевернет изогнутый металлический рычаг вверх, толкая стержень с левой стороны вниз. Когда шток толкается вниз, груз на конце клапана откидывается назад, закрывая впускной клапан пара и удерживая его закрытым, в то время как клапан впрыска воды открыт, и поршень падает в цилиндр. Когда поршень находится внизу, другой штифт будет толкать изогнутый рычаг вниз, что в конечном итоге заставит груз на дальней левой стороне перевернуться вперед и удерживать паровой клапан открытым до тех пор, пока снова не будет достигнут максимальный ход.

Клапан, похожий на клапан впуска пара, на другой стороне большого цилиндра, впрыскивает воду из резервуара на опоре балки. Опять же, штифты на толкателе привели к открытию клапана (в верхней части хода), на мгновение впрыскивая небольшое количество воды для конденсации пара внутри цилиндра.

Линия подачи воды, показанная в крайней правой части цилиндра (фото вверху), помимо подачи воды, впрыскиваемой в цилиндр для конденсации пара, также питает небольшую течь, которая заливает верхнюю часть поршня водой – в другом искра механического гения, Ньюкомен использовал воду, чтобы герметизировать поршень от утечек.

Излишняя вода, заливающая поршень, просто переливалась через верхнюю часть цилиндра в колодец под ним.

Водяной насос, который приводил в действие этот двигатель, представлял собой сдвоенный набор насосов, расположенных бок о бок. Силовой насос использует поршень, всасывая воду из шахты в поршень и выталкивая ее вверх. Ход всасывания равен длине поршня и составляет менее 30 футов, поэтому воду можно перекачивать с большой глубины (30 футов были пределом насосов, которые были до этого).

Примерно через 65 лет после того, как Ньюкомен изобрел этот двигатель, Джеймс Уатт внес усовершенствование, которое должно было повысить эффективность машины. Добавление второго цилиндра, конденсатора, позволило главному цилиндру работать при достаточно высокой температуре без охлаждения и предварительной конденсации пара. Это было основной проблемой двигателя Ньюкомена, поскольку вода, распыляемая в цилиндр для конденсации пара, также охлаждала цилиндр. Таким образом, эффективность последующих ударов снижалась. Пар из горячего главного цилиндра двигателя Уатта всасывается в цилиндр конденсатора, где конденсируется в воду, образуя вакуум в главном цилиндре. Другой проблемой двигателя Ньюкомена было качество главного цилиндра. При литье внутренняя поверхность была шероховатой, поэтому было трудно получить хорошее уплотнение поршня к цилиндру. Ватт использовал расточенные цилиндры (метод, разработанный примерно в 1775 году для изготовления стволов пушек из цельной литой детали вместо двух половинок), которые лучше герметизировались и, следовательно, создавали лучший вакуум.

В этом более позднем двигателе Ватта, насосном двигателе канала 1796 года, главный цилиндр, показанный здесь, не сильно изменился по сравнению с двигателем Ньюкомена, за исключением того, что он предварительно нагревается паром, чтобы оставаться максимально горячим. Кроме того, методы обработки и материалы со временем улучшались, поэтому цилиндр производился со значительно большей точностью, чем более ранние цилиндры Ньюкомена. Двигатель Ватта потреблял примерно половину топлива сопоставимого двигателя Ньюкомена, а мощность двигателя, показанного здесь, составляла около 40 л. с.

Добавление этого небольшого цилиндра конденсатора, который был погружен в воду для охлаждения, было улучшением, внесенным Уаттом в двигатель Ньюкомена. Трубка в левом нижнем углу фотографии вела к главному цилиндру — именно по этой трубе пар из главного цилиндра устремлялся в небольшой цилиндр с водяным охлаждением при открытии выпускного клапана. Благодаря тому, что главный цилиндр оставался горячим, двигатель потреблял на 75% меньше топлива, чем двигатель Ньюкомена.

К чести Ватта, он изобрел «ротационный двигатель» в 1780-х годах. Этот двигатель преобразовал движение насосного двигателя вверх и вниз во вращательное движение, которое вращало вал. Этот двигатель нашел широкое применение на заводах по всему миру, управляя машинами, и действительно положил начало «промышленной революции».

Более подробная историческая информация

Хотя существует не так много документации по Fairbottom Bobs, представление о двигателе Ньюкомена можно получить из некоторых документов по другому двигателю Ньюкомена до 1741 года, первоначально использовавшемуся в поместье Черч Лоутон (Чешир, Англия) для подачи насосов из соляной шахты.

Подробные отчеты, составленные Гаем Лоутоном, автором «Судебных списков поместья Черч Лоутон 1631-1860» ⁵ , включают полную разбивку затрат на компоненты двигателя Ньюкомена. Возможно, наиболее интересной частью этого списка является тот факт, что многие из перечисленных компонентов можно найти на бобах Fairbottom.

Стоимость указана в старой британской системе, где 1 фунт = 20 шиллингов, а 1 шиллинг = 12 пенсов. Общая стоимость двигателя составляла 145 фунтов в начале 1700-х… неплохо, учитывая, что двигатели Ньюкомена были лицензированы для владельцев шахт по цене до 300 фунтов в год ⁵ !

Функция некоторых элементов в списке является чем-то вроде предположения, однако «Паровая машина Томаса Ньюкомена» Rolt & Allen (1977, Moorland Publishing) предлагает отличное описание таких двигателей, которые можно применить здесь:

• Ранние двигатели Ньюкомена использовали котел типа «улей» с паровым куполом, в котором главный цилиндр располагался непосредственно над ним. «Регулятором» в таком двигателе был впускной клапан, расположенный над паровым куполом, который регулировал подачу пара в цилиндр. Двигатель в музее Генри Форда имеет другую компоновку с отдельным котлом.
• Цилиндр был особенно дорогим элементом, особенно с учетом того, что на ранних двигателях внутренняя часть не была гладкой, что требовало уплотнения поршня, которое требовало частой замены.
• «Бочки с литым металлом» были загадкой до тех пор, пока не были рассмотрены ранние насосы, которые часто состояли из нескольких бочек (многие до 9 футов в длину), которые составляли подъемный насос длиной более 200 футов. Судя по описаниям ранних насосов, эти бочки представляли собой настоящую часть, толкаемую вверх и вниз, действуя как «насосные ведра», которые наполняются водой. Потребовалось бы несколько сегментов подъема, поскольку давление воздуха не позволяет одному элементу подниматься выше 30 футов или около того. Вода проталкивалась через односторонний клапан (часто сделанный из кожи) при движении вниз и поднималась вверх, когда поршень (на противоположном конце балки) под действием атмосферной силы толкался вниз в цилиндр. Несколько других пунктов в списке, такие как «латунные хлопки», подтверждают эту теорию — хлопки представляют собой отрезок трубы под корпусом насоса с расширенным концом, в который входит хлопковый клапан.
• «Y:» представлял собой железный стержень в форме перевернутой буквы «Y» с грузом на одном конце. Он качался взад и вперед, открывая клапан, когда это требовалось в цикле, поэтому потребовалось два таких стержня. В двигателе Генри Форда таких стержней две — одна для впускного клапана, а другая для выпускного клапана.
• «Горячий колодец» служит выпуском для цилиндра, в который выбрасывается накопленный в цилиндре горячий конденсат, часто через односторонний клапан, изготовленный из кожи.
• «Чашка вокруг цилиндра» представляла собой рудиментарное уплотнение между штоком поршня и верхней частью цилиндра, смачиваемое водой, просачивающейся из цистерны.
• «Пистолетные цепи», вероятно, использовались для соединения поршня и штоков насоса с арками на концах большой балки, а «Центральный штифт» — большой металлический штифт, служивший точкой поворота для большой балки. Обычно насос располагался снаружи машинного отделения, что позволяло получить доступ к самому насосу, если необходимо снять штоки.
• Во многих случаях штоки насоса изготавливались из дерева для снижения веса. Это вполне могут быть «девять деревьев», упомянутые в списке компонентов.

Ссылки

Подробнее об основных принципах работы движка Newcomen можно узнать здесь в статье Wiki. а более подробную информацию об этом конкретном движке можно найти в этой Вики статье.

Несколько избранных выдержек из различных источников о двигателе Ньюкомена с подробным описанием работы двигателя и насосов.

Автор

Надеюсь, вам понравилось это описание старейшего из сохранившихся двигателей Ньюкомена, машины, положившей начало промышленной революции. Профессор Ниагарского колледжа в Канаде, мои личные интересы распространяются на историю технологий.

Если у вас есть какие-либо комментарии, вы можете связаться со мной по ссылке на моей «Контактной странице» в верхней части этой страницы. Пожалуйста, обратитесь к движку Newcomen в строке темы.

Все фотографии (кроме оригинальной фотографии двигателя, сделанной в 1880-х годах, и сегодняшней фотографии места), сделанные профессором Марком Челе в музее Генри Форда, Дирборн, Мичиган, США, в 2007 году.

Сноски

¹  Паровоз, возможно, находился в другом месте и был перемещен на участок недалеко от Эштон-андер-Линн, откуда Генри Форд приобрел его и перевез в музей в 19 году. 30. Записи Генри Форда (ID объекта 29.1506.1) указывают на то, что двигатель, возможно, первоначально находился на угольных заводах Норбери недалеко от Стокпорта в Чешире, был продан в 1764 году и перемещен в мае 1765 года. из шахты глубиной восемьдесят ярдов, и двигатель, по-видимому, был продан, поскольку была затоплена нижняя шахта и требовался двигатель большего размера. Если это правда, двигатель был перевезен в 1765 году в Эштон, в девяти милях от первоначального места.

² Две отмеченные диаграммы взяты из  Наука для гражданина: самоучитель на основе социального фона научного открытия Ланселота Хогбена, иллюстрации Дж. Ф. Хоррабина (Лондон: Джордж Аллен и Анвин Лтд., 1938), с. 555, рис. 247. PDF-файл доступен здесь (75 МБ).

³ Дополнительную информацию о возможном «исходном» местоположении этого двигателя можно найти на странице Poynton Collieries .

⁴ Самая мощная идея в мире Уильяма Розена, Random House, 2010 г.