История создания паровых двигателей

Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III в. до нашей эры, великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара.Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя восемнадцать столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.

Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому, как поршень, скользило ядро.

Вот некоторые идеи, известные человеку к тому времени, когда он начал работать над созданием настоящего рабочего теплового двигателя, способного приводить в действие различные машины и механизмы.

Над изобретением паровой машины в XVII—XVIII вв. трудились многие — англичане Томас С е в е р и и Томас Ньюкомен,француз Дени П а п е н, русский И. И. Ползунови многие другие.

Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который тоже вслед за поршнем подымался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю, откидывающуюся часть цилиндра насыпали порох, который затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После этого поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и давление их на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и наружного атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Но для практических целей он не годился. Немыслимо было каждый раз насыпать в цилиндр порох, поджигать его, затем пускать воду, и так все время, пока двигатель работает. Кроме того, применение взрыва для поднятия поршня было далеко не безопасно.

В двигателе, построенном Папеном, проглядываются основные черты современного двигателя внутреннего сгорания. Однако потребовалось много времени и труда большого числа изобретателей, чтобы двигатель внутреннего сгорания был построен. Сам Папен пошел по другому пути — пути создания поршневых паровых машин.

В новом двигателе (рис. 1) Папен вместо пороха использовал воду. Воду наливали под поршень, и цилиндр снизу разогревали.

Образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали и находящийся в нем пар конденсировался — превращался снова в воду. Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше, чем пороховой. Но для практического использования он был также мало пригоден: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлаждающую воду, ждать, когда пар сконденсируется, закрывать воду... Были еще хлопоты с отводом воздуха, остановкой поршня в крайних положениях

...Эти недостатки были главным образом связаны с тем, что приготовление пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре.

А что если в цилиндр впускать уже готовый пар, полученный, например, в отдельном котле? Тогда достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлаждающую воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и меньшим потреблением топлива.

Дени Папен этого не сделал. Об этом догадался его современник англичанин Томас Севери, построивший паровой насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара происходило вне цилиндра — в котле.

Наиболее удачной была машина, построенная англичанами Т. Нюкоменом и его помощником Коули. Их машина начала работать в 1711 г. Она приводила в движение насос. Пар получали в котле 1 (рис. 2). Когда под действием силы тяжести спускались штанга насоса и груз 7, то поднимался поршень 4, подвешенный на другом конце балансира 8, а пар из парового котла поступал в цилиндр 2. Когда поршень достигал своего высшего положения, кран 3 закрывался, из сосуда 5 через кран 6 в цилиндр вспрыскивалась холодная вода, пар конденсировался и образовывался вакуум. Атмосферное давление заставляло поршень опускаться, а груз 7 подниматься. Затем снова в цилиндр впускался пар. Машина Ньюкомена — Коули использовалась свыше 90 лет, однако она имела серьезные недостатки: КПД ее был низок, а рабочие ходы поршня машины разделялись длительными промежутками; она могла приводить в действие только насос.

Русский техник Иван Иванович Ползунов значительно усовершенствовал паровую машину. Постройку своей машины Ползунов завершил в 1765 г., а пущена она была в 1766 г. после смерти изобретателя.

Машина Ползунова имела два цилиндра (рис. 3). Когда один из цилиндров сообщался с паровым котлом, вдругой впускалась охлаждающая вода; поршни опускались под действием атмосферного давления. В то время, как один из них опускался, под другой поступал пар, ион поднимался. Движение поршней передавалось на шкив, поэтому шкив непрерывно поворачивался то в одну, то в другую сторону. Возвратно-вращательное движение шкива могло быть преобразовано во вращение рабочего вала. Это давало возможность приводить в движение станки и другие механизмы. Таким образом, машина Ползунова была первым в мире универсальным паровым двигателем.

Создателем универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джемс Уатт. Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 г. построил двигатель, который годился для любой машины (рис. 4). А нужда в таком двигателе была огромная. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на капиталистических фабриках и заводах все больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан.

В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм для превращения поступательно-возвратного движения поршня во вращательное движение колеса. От этого колеса вращательное движение передается любому станку. Кривошипно-шатунный механизм (рис. 5) состоит из шатуна 3 (шатающаяся тяга) и кривошипа 4 (кривой шип). Кривошип закреплен на валу колеса 5 и может вращаться вместе с ним. Шатун одним концом связан с балансиром 2, а другим концом — с кривошипом. Поршень 1 машины приводит в колебательное движение балансир, шатун передает это колебание кривошипу.

Итак, к концу XVIII в. в общих чертах существовали все основные виды тепловых двигателей: паровые машины, двигатель внутреннего сгорания (прообразом которого является машина Дени Папена с пороховыми зарядами), паровые турбины Джио-ванни Бранка и реактивные двигатели (вспомните Геронов шар). Однако степень совершенства, а потому и применение этих машин были далеко не одинаковыми. Если паровые машины после усовершенствований, внесенных Уаттом, получили широкое распространение на заводах и фабриках, пароходах и электростанциях, то паровые турбины, реактивные двигатели были всего лишь забавными игрушками, а двигатель внутреннего сгорания существовал только в проектах, часто не осуществимых.

К середине XIX в. паровые машины, как очень не экономичные (КПД самых совершенных тепловых машин не более 15—20)%, начинают вытесняться другими двигателями — паровыми и газовыми турбинами и двигателями внутреннего сгорания. Однако в последнее время конструкторы вновь обратились к паровым машинам. В основном это связано с тем, что отработанные газы других двигателей сильно загрязняют окружающую среду, создавая угрозу природе и людям. Сейчас уже разработано несколько вариантов паровых двигателей для установки их на автомобили.

Рис.1

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Рис.5

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Большая школьная энциклопедия, т.1 Естественные науки (автор-составитель С. Исмаилова) - М.: Русское энциклопедическое общество, 2003г.

2. Книга для чтения по физике 7-8 класс. Составитель Кириллова И.Г. Москва «Просвещение» 1978г.

3. Физика-юным: Теплота. Электричество. Кн. Для внеклассного чтения. Сост. М.Н. Алексеева.- М.: Просвящение,1980.