краткая история возникновения и развития паровой машины

Наука и техника
Богдан Циж
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ
ИС ТОРИЯ НАУКИ
Тепловой двигатель (паровая машина) сыграл и продолжает
играть чрезвычайно важную роль в развитии нашей цивилизации.
Его изобретение и внедрение в производство, транспорт и другие
сферы деятельности человека послужили причиной промышленной
революции XVIII столетия, открыли новые горизонты в нашей жизни.
Как же возникла паровая машина? Кто ее сконструировал, и с чего все
началось? Об этом наш короткий рассказ.
Работа теплового двигателя базируется на действии водяного пара
или других газов. Устройства с использованием упругого действия
воздуха и водяного пара были известны еще в античном мире.
Известнейшие из них сконструировали древнегреческие изобретатели
из города Александрии: Ктезибий, Филон и Герон.
Рассмотрим некоторые из них.
Термоскоп Филона (рис. 1)
состоит из двух изолированных
от окружающей среды шаров,
соединенных между собой трубкой. Шар q частично заполнен
водой. Если нагревать другой,
b
пустой шар (а), то воздух расширяется и по трубке b проникает
в шар q. В этот момент можно
заметить появление пузырьков
a
в воде. Вследствие этого над
поверхностью воды создается
избыточное давление воздуха, которое служит причиной
q
перехода части воды в шар а в
процессе его охлаждения. ПоРис.1. Термоскоп Филона
вторное нагревание приведет к
(Древняя Греция, 210 г. до н.э.)
обратному перекачиванию и созданию избыточного давления.
4
Наука и техника
И РАЗВИТИЯ ПАРОВОЙ МАШИНЫ
Способность воздуха расширяться во
время нагревания использовал Герон для
„чудотворного” отворения дверей Александрийского храма (рис. 2). Зажженный
на жертвеннике огонь нагревал воздух в
резервуаре, частично заполненном водой.
Под действием давления нагретого воздуха
часть воды перекачивалась в другой резервуар и своим весом через систему блоков
отворяла двери храма, преодолевая противовес. Гашение жертвенного огня приводило к противоположному действию закрытию дверей, и создавало „магический”
эффект, так как все элементы, кроме жертвенника и дверей, были скрыты под землей.
Большое значение для будущей техники имело создание Героном шара Эола
или эолипила (рис. 3). В плотно закрытом
котле а β вода доводилась до кипения. Пар
направлялся через трубки ε и μ в небольшой шар, закрепленный так, что он мог
оборачиваться вокруг оси η λ. Внутренняя
часть шара соединялась с внешней средой
коленчатыми трубками. В процессе кипения воды шар оборачивался вследствие
реактивного действия пара. Очевидно,
в этом случае мы имеем модель паровой турбины. Тем не менее, Герон даже не
обдумывал возможность использования
механического действия пары для хозяйства. Вместе с тем, на основании наблюдаемого эффекта он придумывал фокусы и
конструировал игрушки.
Рис. 2. Устройство для отворения врат
Александрийского храма (Древняя Греция,
ІІ-ІІІ столетие до н. э.)
Рис. 3. Эолипил Герона (Древняя
Греция, ІІ-ІІІ столетие до н. э.)
5
Наука и техника
Известны описания многих приборов, основанных на действии сжатого и
разреженного воздуха, кипении воды, передачи силы через жидкость. Тем не
менее, они не нашли в те времена практического использования. Вместе с тем
многочисленные эксперименты античных механиков сопровождались теоретическими толкованиями. Например, при толковании пустоты Герон считал,
что сплошная пустота невозможна, возможна лишь пустота между частичками.
Такая пустота объясняет сменную плотность тел, в частности, воздуха: когда
происходит процесс расширения, расстояние между частичками увеличивается и, наоборот, расстояние между ними уменьшается при сжатии. В то же время частички стараются вернуться в исходное положение – этим объясняются
упругие свойства тел. Такая концепция объясняла наблюдаемые явления, а
со временем в классической физике появилась более совершенная теория.
Таким образом, античные ученые уже владели и техническими знаниями, и научным пониманием, достаточным для того, чтобы создавать
индустриальные паровые машины XVIII столетия. Но этого не произошло. В
определенной степени это можно объяснить низким уровнем технологии, недостаточной мощностью металлостроительной и топливной промышленности
и некоторыми другими причинами. Но самой весомой причиной разрыва
между наукой и техникой в древнем мире был социальный аспект.
В условиях производственных отношений рабовладельческого порядка не
было еще настоятельной потребности заменять человеческую работу машиной,
производственные силы еще не выросли до
технической революции. К середине XVIII
столетия все промышленные производства были привязаны к естественным источникам энергии, чаще всего – на основе
гидравлических устройств, водных колес.
Наука и техника
Развитие промышленности требовало создания двигателя нового типа,
мощного, универсального, независимого от естественных условий. Им стал
тепловой двигатель – паровая машина, вклад
которой в развитие техники сложно переоценить.
Способность пара выполнять механическую
работу, как мы уже показали, была известна людям
еще в глубокой древности, но лишь с конца XVII
столетия начали создавать первые реальные
тепловые двигатели.
Большое значение в этой области имело
творчество французского физика Дени Папена,
который работал в Великобритании. В 1679 году
он изобрел первую тепловую пароатмосферную
машину для подъема грузов – паровой котел с
предохранительным клапаном (рис. 4). Папен
также открыл зависимость точки кипения воды
от давления (1680 г.), первым правильно описал
замкнутый термодинамический цикл парового
4. Схема парового котла
двигателя (1690 г.), сделал ряд других изобретений. Рис.
Д. Папена (Франция, 1680 г.)
Рис. 5. Схема паровой помпы
Т. Севери
(Великобритания, 1698 г.)
Модель первой паровой машины
6
Первым практическим применением теплового двигателя в промышленности было использование паровой помпы для поднимания
воды из шахт, изобретенной англичанином
Т. Севери (патент 1698 года) (рис. 5). Она так
и называлась – „Друг рудокопа” и состояла из
котла 2 и резервуара 1, соединенных трубой 3 с
краном 4. Пар сначала поступал в резервуар 1,
после охлаждения конденсировался, создавая
разрежение. За счет этого вода под действием
атмосферного давления поднималась из шахты в
резервуар. В паровой машине Севери, в отличие
от машины Папена, паровой котел был отделен
от рабочего резервуара. Тем не менее, машина
Севери была еще крайне неэкономичной, так как
поочередное нагревание и охлаждение одного
и того же резервуара требовало большого
количества топлива. Она расходовала приблизительно 100 кг угля на 1 кВт•час и поднимала воду
с глубины всего 10 м.
7
Наука и техника
Следующий шаг в усовершенствовании парового двигателя сделал английский кузнец Томас Ньюкомен, который в 1711 году предложил свою конструкцию пароатмосферной машины для шахтовых помп (рис. 6). Эта машина
объединяла преимущества устройств Папена и
Севери. В ней при конденсации пара в цилиндре поршень двигался вниз, поднимая балансир,
соединенный со штангами водоотливной помпы.
Мощность такой паровой машины уже превышала
5 кВт, она расходовала приблизительно 35 кг угля
на 1 кВт•час и поднимала воду с глубины 80 м.
Подобные устройства испытали много усовершенствований и получили широкое применение в XVIII
столетии в Европе и Америке. Однако паровые двигатели были еще очень несовершенными: громоздкиРис. 6. Пароатмосферная машина
ми, неэкономичными, с неравномерным ходом.
Т. Ньюкомена (Великобритания, 1705 г.)
Первым шагом к созданию универсального теплового двигателя была
разработка двухцилиндровой пароатмосферной машины русского теплотехника Ивана Ползунова 1763 года (рис. 7). В этом двигателе за счет автоматического устройства, разделяющего воду и пар 5, пар поочередно подавался то в левый, то в правый цилиндры 2, поднимая и опуская поршни
3. Это обеспечивало непрерывное рабочее
чее усилие на шкив 6 и
дальше – на рабочий
вал. Универсальный
паровой двигатель
изобрел английский
теплотехник Джеймс
Уатт. Он много работал над усовершенствованием тепловых
машин и ввел ряд
принципиальных ноРис. 7. Схема паровой машины
таких
И. Ползунова (Россия, 1763 г.) вовведений,
как: специальный конденсор для конденсации пара, двустороннее действие на
поршень. Первую паровую машину двойного
действия Уатт построил в 1774 году (рис.
8), а уже в 1780 году их изготовили 40 штук. Рис. 8. Схема паровой машины Д. Уатта
(Великобритания, 1769 г.)
8
Наука и техника
Уатт постоянно совершенствовал свои изобретения. В 1784 году он получил патент на универсальный тепловой двигатель двойного действия,
изображенный на рис. 9. Ключевыми моментами усовершенствования
были: использование золотника для подачи пара и махового колеса для
выравнивания движения, а также несколько устройств для преобразования поступательного движения во вращательное и качательного движения
в непрерывное, в частности, параллелограмма Уатта.
Начиная с 80-х годов XVIII столетия, универсальный тепловой двигатель Уатта нашел широкое применение во всех отраслях хозяйства многих
стран. Например, в Великобритании создали свыше 300 таких двигателей
для текстильной, горной, металлургической, пищевой отраслей. Паровой
двигатель стимулировал развитие новых рабочих машин, транспорта.
Рис. 9. Универсальный тепловой двигатель двойного действия
Так родилась и утвердилась в разных сферах паровая машина. С
того времени тепловой двигатель постоянно совершенствовался, яркими примерами чего является развитие паровозов, двигателей внутреннего сгорания. Но это уже совсем другие истории. И, несмотря на
то, что с конца XIX столетия во многих случаях паровая машина была
заменена электрическим двигателем, она сыграла особую роль в техническом прогрессе человечества, а сотни мастерских конструкций
тепловых двигателей XVIII-XX столетий представляют собой образцы
высокого взлета научно-технического и инженерного гения человека.
9