Паровой двигатель ватта сообщение

Обновлено: 30.06.2024

Паровой двигатель Бултона и Ватта привел к замене водяного колеса и лошадей в качестве основных источников энергии для британской промышленности, тем самым освободив ее от географических ограничений и став одним из основных двигателей промышленной революции.

КЛЮЧЕВЫЕ МОМЕНТЫ

В 1763 году Джеймс Ватт, изготовитель приборов из Университета Глазго, получил задание отремонтировать модель двигателя Ньюкомена (на основе более ранней конструкции двигателя Savery) и отметил, насколько он неэффективен. В 1765 году Ватт задумал оборудовать двигатель отдельной камерой конденсации, которую он назвал конденсатором. Поскольку конденсатор и рабочий цилиндр были разделены, конденсация происходила без значительных потерь тепла из цилиндра. Это изобретение резко повысило эффективность двигателя.
Следующим усовершенствованием конструкции Ньюкомена Ватт стал герметизировать верхнюю часть цилиндра и окружить цилиндр рубашкой. Пар пропускался через рубашку перед тем, как попасть под поршень, поддерживая теплоту поршня и цилиндра для предотвращения конденсации внутри него. Эти улучшения привели к созданию полностью разработанной версии 1776 года, которая фактически пошла в производство.
Отдельный конденсатор показал значительный потенциал для усовершенствования двигателя Ньюкомена, но Ватт все еще разочаровывался из-за, казалось бы, непреодолимых проблем, прежде чем продаваемый двигатель мог быть усовершенствован. Это стало реальностью только после заключения партнерства с Мэтью Бултоном. Boulton and Watt превратилась в инжиниринговую компанию, которая сыграла решающую роль в технологических достижениях промышленной революции.
В полностью разработанном виде двигатель Watt потреблял примерно на 75% меньше топлива, чем аналогичный двигатель Newcomen. Практика Бултона и Ватта заключалась в том, чтобы помогать владельцам шахт и другим клиентам строить двигатели, предоставляя людей для их сборки и специализированных деталей. Однако основная прибыль от патента была получена от взимания лицензионного сбора с владельцев двигателей в зависимости от стоимости сэкономленного топлива. Более высокая топливная эффективность их двигателей означала, что они были наиболее привлекательными в областях, где топливо было дорогим.
Более поздние усовершенствования, внесенные Ваттом, включали расположение клапанов, которые могли попеременно впускать пар низкого давления в цилиндр и соединяться с конденсатором (поршень двойного действия); параллельное движение; преобразование действия балки во вращательное движение (сначала с помощью планетарной солнечной и планетарной зубчатой передачи, предложенной сотрудником Уильяма Мердока, а затем путем соединения балки с колесом с помощью кривошипа после истечения срока действия патентных прав на использование кривошипа), и соединение клапана регулятора пара с центробежным регулятором для поддержания постоянной скорости.
Эти улучшения позволили паровой машине заменить водяное колесо и лошадей в качестве основных источников энергии для британской промышленности, тем самым освободив ее от географических ограничений и позволив ей стать одним из основных двигателей промышленной революции.

Джеймс Ватт: Улучшение Двигателя Ньюкомена

В 1698 году английский конструктор-механик Томас Савери изобрел насос, который использовал пар для забора воды непосредственно из колодца с помощью вакуума, создаваемого конденсацией пара. Устройство также было предложено для осушения шахт, но оно могло всасывать жидкость только на высоту примерно 25 футов, что означало, что оно должно было быть расположено на этом расстоянии от пола шахты. По мере того, как шахты становились все глубже, это часто было непрактично.

Решение осушения глубоких шахт было найдено Томасом Ньюкоменом, который разработал атмосферный двигатель, который также работал по принципу вакуума. Двигатель Ньюкомена был мощнее двигателя Savery. Впервые воду удалось поднять с глубины более 150 футов. Однако, хотя двигатели Ньюкомена приносили практическую пользу, они были неэффективными с точки зрения энергопотребления. Система попеременной подачи в цилиндр струй пара, а затем холодной воды означала, что стенки цилиндра попеременно нагревались, а затем охлаждались с каждым ходом. Каждый введенный заряд пара будет продолжать конденсироваться, пока цилиндр снова не достигнет рабочей температуры, поэтому при каждом такте часть потенциала пара теряется.

В 1763 году Джеймс Ватт работал изготовителем инструментов в Университете Глазго, когда ему поручили ремонт модели двигателя Ньюкомена, и он отметил, насколько он неэффективен. В 1765 году Ватт задумал оборудовать двигатель отдельной камерой конденсации, которую он назвал конденсатором. Поскольку конденсатор и рабочий цилиндр были разделены, конденсация происходила без значительных потерь тепла из цилиндра. Конденсатор все время оставался холодным и ниже атмосферного давления, а цилиндр все время оставался горячим. Пар из котла подавался в цилиндр под поршнем. Когда поршень достиг верхней части цилиндра, впускной клапан пара закрылся, а клапан, контролирующий проход к конденсатору, открылся. Нижнее давление конденсатора, втягивал пар в цилиндр, где он охлаждался и конденсировался из водяного пара в жидкую воду, поддерживая частичный вакуум в конденсаторе, который сообщался с пространством цилиндра через соединительный канал. Затем внешнее атмосферное давление толкало поршень вниз по цилиндру.

Разделение цилиндра и конденсатора устранило потерю тепла, которая происходила, когда пар конденсировался в рабочем цилиндре двигателя Ньюкомена. Это дало двигателю Ватта большую эффективность, чем двигатель Ньюкомена, уменьшив количество потребляемого угля при том же объеме работы. В конструкции Ватта холодная вода вводилась только в конденсационную камеру. Этот тип конденсатора известен как струйный конденсатор.

Следующим усовершенствованием конструкции Ньюкомена Ватт стал герметизировать верхнюю часть цилиндра и окружить его рубашкой. Пар пропускался через рубашку перед тем, как попасть под поршень, поддерживая теплоту поршня и цилиндра для предотвращения конденсации внутри него. Ватт не использовал пар высокого давления из соображений безопасности, хотя он знал о его потенциале и включил обширные рабочие знания в свой патент 1782 года. Эти улучшения привели к полностью разработанной версии 1776 года, которая фактически пошла в производство.

Бултон и Ватт объединяют усилия

Отдельный конденсатор продемонстрировал значительный потенциал для усовершенствования двигателя Ньюкомена, но Ватт все еще разочаровывался из-за, казалось бы, непреодолимых проблем, прежде чем продаваемый двигатель мог быть усовершенствован. Это стало реальностью только после заключения партнерства с Мэтью Бултоном. Ватт рассказал Боултону о своих идеях по улучшению двигателя, и Боултон, заядлый предприниматель, согласился профинансировать разработку испытательного двигателя в Сохо, недалеко от Бирмингема. Наконец Ватт получил доступ к оборудованию и практическому опыту мастеров, которые вскоре смогли запустить первый двигатель. В полностью разработанном виде он потреблял примерно на 75% меньше топлива, чем аналогичная модель Newcomen.

Основные компоненты насосного двигателя Ватта, Роберт Х. Терстон, История роста парового двигателя, D. Appleton & Co, 1878 г.

Паровой двигатель Бултона и Ватта (известный также как двигатель Ватта), спорадически разрабатывавшийся с 1763 по 1775 год, был усовершенствованием конструкции двигателя Ньюкомена и стал ключевым моментом в промышленной революции.

На схеме показаны части парового насоса Ватт, в том числе: насос, подача горячей питательной воды в котел, шток пробки, перекачивающая труба, горячий колодец, резервуар для холодной воды, вакуумный насос, конденсатор, вакуумный конец цилиндра, паровая рубашка, поршень. , и конец пара низкого давления цилиндра.

В 1775 году Ватт спроектировал два больших двигателя: один для шахты Блумфилд в Типтоне и один для металлургического завода Джона Уилкинсона в Уилли, Шропшир, оба были построены в 1776 году. год. Практика Болтона и Ватта заключалась в том, чтобы помогать владельцам шахт и другим клиентам строить двигатели, предоставляя людей для их сборки и специализированных деталей. Однако основная прибыль от их патента была получена от взимания лицензионных сборов с владельцев двигателей в зависимости от стоимости сэкономленного топлива. Более высокая топливная эффективность их двигателей означала, что они были наиболее привлекательными в регионах, где топливо было дорогим, особенно в Корнуолле, для которого в 1777 году были заказаны три двигателя.

Поздние Улучшения

Первые двигатели Уатта были двигателями атмосферного давления, такими как двигатель Ньюкомена, но с конденсатом, отделенным от цилиндра. Управление двигателями с использованием пара низкого давления и частичного вакуума повысило вероятность развития поршневых двигателей. Расположение клапанов могло попеременно впускать пар низкого давления в цилиндр и соединяться с конденсатором. Следовательно, направление рабочего хода может быть изменено на противоположное, что упрощает получение вращательного движения. Дополнительными преимуществами двигателя двойного действия были повышенный КПД, более высокая скорость (большая мощность) и более равномерное движение.

До разработки поршня двустороннего действия, балка и шток поршня были связаны цепью, что означало, что мощность могла быть приложена только в одном направлении, путем вытягивания. Это было эффективно в двигателях, используемых для перекачивания воды, но двойное действие поршня означало, что он мог толкать, а также тянуть. Далее не было возможности напрямую соединить шток герметичного цилиндра, к балке, потому что в то время как стержень перемещался вертикально по прямой линии, балка поворачивалась в своем центре так, чтобы каждая сторона вписывала дугу. Чтобы преодолеть противоречивые действия балки и поршня, Ватт разработал свое параллельное движение. В этом шедевре инженерной мысли используется четырехзвенная связь в сочетании с пантографом (тип токосъемника), чтобы производить необходимое прямолинейное движение гораздо дешевле, чем если бы он использовал ползунковый тип связи. Он очень гордился своим решением.

Соединение балки с валом поршня посредством попеременного приложения силы в обоих направлениях также означало, что движение балки можно было использовать для поворота колеса. Самым простым решением для преобразования действия балки во вращательное движение было соединение балки с колесом с помощью кривошипа, но поскольку другая сторона имела патентные права на использование кривошипа, Ватт был вынужден предложить другое решение. Он принял планетарную солнечно-планетарную зубчатую передачу, предложенную сотрудником Уильямом Мердоком, только позже, когда истек срок действия патента, вернулся к более знакомой кривошипной системе, которую сегодня можно увидеть на большинстве двигателей. Основное колесо, прикрепленное к кривошипу, было большим и тяжелым, служившим маховиком, который однажды приводился в движение, с помощью своего импульса поддерживал постоянную мощность и сглаживал действие чередующихся ходов. К его вращающемуся центральному валу можно было прикрепить ремни и шестерни для привода большого количества механизмов. Поскольку заводское оборудование должно было работать с постоянной скоростью, Ватт связал клапан регулятора пара с центробежным регулятором, который он адаптировал из тех, которые используются для автоматического управления скоростью ветряных мельниц.

Эти улучшения позволили паровой машине заменить водяное колесо и лошадей в качестве основных источников энергии для британской промышленности, тем самым освободив ее от географических ограничений и став одним из основных двигателей промышленной революции. Ватт также занимался фундаментальными исследованиями функционирования паровой машины. Его наиболее известным измерительным прибором, который используется до сих пор, является индикатор Ватта, включающий манометр для измерения давления пара внутри цилиндра в зависимости от положения поршня. Это позволило построить диаграмму, представляющую давление пара как функцию его объема на протяжении всего цикла.

Некогда для откачки воды в шахтах и на судоремонтных предприятиях успешно использовалась паровая машина Ньюкомена, что продолжалось более 50 лет. В то же время вся эта конструкция имела внушительные габариты и требовала постоянного пополнения запасов угля. Временами для снабжения паровой машины топливом приходилось задействовать до 50 лошадей. В общем, все указывало на то, что данный агрегат требует усовершенствования, весь вопрос состоял лишь в том, кому эта идея придет в голову первому.

Начало новой эры в механике

Паровая машина Джеймса Уатта

Следующее усовершенствование было направлено на то, чтобы заставить поршень в цилиндре совершать полезную работу не за счет атмосферного давления, а с помощью давления пара. Основная сложность состояла в том, чтобы сделать всю конструкцию герметичной, ведь добиться этого в то время было непросто. Но Уатт и здесь продемонстрировал отличную работу мысли – в своей машине он использовал в качестве уплотнителя пеньковую веревку, пропитанную маслом. Она по специальным углублениям наматывалась вокруг поршня, что позволило в большей части решить эту проблему.

Значение новой паровой машины для паровозостроения

Джеймс Уатт зарегистрировал патент на свое изобретение в 1769 году. При этом в документе значилось, что он изобрел не новую паровую машину, а паровой двигатель, температура которого всегда равнялась температуре пара. Вероятно, талантливый механик тогда и сам не знал, насколько значимым его усовершенствование станет в будущем для паровозов. Благодаря тому, что поршень в новом двигателе перемещался под воздействием пара, можно было многократно увеличить его мощность, просто создав большее давление. Таким образом, не нужно было вновь наращивать габариты – последнее слово оставалось за компактными паровыми машинами, которые совсем скоро стали использоваться во всех отраслях промышленности.

Джеймс Уатт был тем, чья работа стала кульминационной в промышленной революции для Англии и всего мира. Инженер и изобретатель из Шотландии занимался усовершенствованием машины Ньюкомена, в результате чего изобрел свой двигатель универсального назначения.

Ранние годы

Джеймс Уатт родился в семье строителя кораблей и создателя различных механизмов Джеймса. Его мать, Агнес, была представительницей богатого рода, в свое время она получила отличное образование.

На свет будущий изобретатель появился 19.01.1736 г. Мальчик родился очень болезненным, поэтому начальное образование получал дома от родителей. Ребенок не мог играть со сверстниками из-за слабого здоровья, поэтому основную часть своего времени он тратил на самообразование.

В подростковом возрасте его любимыми предметами были астрономия и химия. Также он любил изготавливать модели механизмов, которые создавал его отец.

По достижении возраста выпускника начальной школы Джеймс поступил в гимназию. Он демонстрировал большие успехи в математике. Юноша любил читать и многое из этого он стремился проверить на практике.

В восемнадцатилетнем возрасте юноша потерял мать. Это отразилось на здоровье и делах отца, поэтому Джеймсу пришлось заботиться о себе самостоятельно. Молодой человек на год переехал из Шотландии в Лондон, чтобы обучиться ремеслу, которое имело отношение к измерительным приборам. Официальное обучение должно было проходить на протяжении семи лет, но денег у Джеймса хватило лишь на один год. Начал он свое обучение с изготовления линеек и циркулей. В скором времени молодой ученик уже мог изготавливать квадранты, геодолиты и другие сложные инструменты.

За этот год юноша практически не выходил на улицу. Все время он работал: по утрам - на хозяина, а вечерами - на заказ. Так он мог прокормить себя. К тому же из-за того, что он не числился официальным учеником, на улице его могли насильно забрать в военный флот.

Первая работа

Окончив обучение, Джеймс Уатт с ослабленным здоровьем вернулся в Шотландию. Он решил организовать собственное дело в Глазго, которое заключалось в создании и починке инструментов. Но ему пришлось столкнуться с союзом ремесленников, которые запретили ему заниматься этой работой. Причиной стало то, что Джеймс не прошел официального обучения. Не помогло даже то, что он являлся единственным представителем своего дела в Шотландии.

Но молодого человека спасает случай. В это время в университет Глазго прибыла партия инструментов для занятий астрономией. Они требовали постоянного внимания, включая и установку. Через своих знакомых Уатт получает возможность работать. Его назначили мастером научных инструментов учебного заведения. У него появилась возможность создать свою мастерскую.

В учебном заведении Джеймс знакомится с Джозефом Блэком, который занимался химией. Мастер помогает ученому в разработке некоторых химических приборов, которые продвинули дальнейшие исследования химика.

С 1759 года дела Уатта улучшились. Этому способствовало партнерство с бизнесменом Джоном Крейгом. Они организовали работу по производству различных инструментов и игрушек. Доход изобретателя значительно увеличился. Их партнерство прекратилось через шесть лет из-за смерти Крейга.

Период изобретательства

Паровая машина Ньюкомена существовала уже несколько десятилетий. Чаще всего ее применяли для откачки воды. Никто до этого даже не пытался ее усовершенствовать. С 1759 года идеей применения пара заинтересовался Уатт, но его попытки были неудачными.

В 1763 году к мастеру обратился представитель университета в Глазго с просьбой помочь в ремонте действующего макета творения Ньюкомена. Уатт смог провести с ней ряд экспериментов. Он смог починить макет и убедиться в неэффективности этой машины. Уатт внес в конструкцию определенные усовершенствования, однако этого было недостаточно.

Спустя два года Джеймс Уатт догадался, как можно создать совершенную паровую машину. Он начал внедрять в жизнь задуманное. В 1769 году он оформил патент на изолированную камеру для конденсации. Он смог построить действующую модель, которая работала по этому принципу. Для создания полноразмерной машины у него не было средств. В этом помогли Джозеф Блэк, Джон Робак. Проблемы не закончились, поскольку невозможно было добиться необходимой точности в производстве цилиндра и поршня. К тому же Робак стал банкротом.

Уатт нашел нового спонсора. Им стал Мэттью Болтон, который владел литейным заводом. Проблему в создании цилиндра решил Джон Уилкинсон. Коммерческий успех от своего изобретения Уатт получил благодаря созданию совместной компании с Мэттью Болтоном, которая действовала двадцать пять лет и принесла изобретателю большое состояние.

Уатт стремился не просто усовершенствовать машину Ньюкомена, он хотел создать модель с универсальным двигателем. Все его попытки привели к новому методу в работе паровой машины, который он запатентовал под названием планетное движение. Именно на этом методе стала работать первая паровая машина Джеймса Уатта.

После успеха новой машины начались множественные попытки ее подделать. В борьбе за репутацию собственного дела Уатт и Болтон вынуждены были тратить немалые денежные средства на судебные тяжбы. В результате они смогли отстоять свои права.

Значение изобретения

Значимость изобретения заключалась в том, что в двигателе поршень перемещался под действием пара. Благодаря этому можно было многократно увеличивать мощность, создавая большее давление. Больше не было необходимости наращивать габариты. Благодаря изобретению стало возможным создание паровоза, а чуть позже и парохода.

Признание заслуг

Еще при жизни изобретателя машина Джеймса Уатта произвела революцию в промышленности. Неудивительно, что его избирали представителем многих обществ. Его даже хотели наградить баронским титулом, но он от него отказался.

Общества, в которые был избран Уатт:

Королевское общество в Эдинбурге.
Философское общество в Роттердаме.
Член-корреспондент Французской академии.
Лунное общество в Бирмингеме – неофициальная организация для ученых британского Просвещения.

Последние годы

Биография Джеймса Уатта доказывает, насколько разносторонней личностью он был. Разнородности его познаний искренне удивлялся писатель Вальтер Скотт, который был лично знаком с изобретателем.

В последние годы жизни Уатт занимался машиной собственного производства, которая могла копировать скульптурные произведения, такие как барельефы, статуи, сосуды и прочее.

Умер мастер 19.08.1819 г., на восемьдесят третьем году жизни. Похоронили его в Хэндсворте.

Семья и дети

Джеймс Уатт, изобретения которого совершили прорыв в промышленности, был женат дважды. Его первая жена, Маргарет Миллер, умерла в 1772 году, родив ему их пятого ребенка. Но до зрелой жизни дожили лишь двое детей, которых звали, как и родителей, Джеймс и Маргарет.

Второй женой стала Энн МакГрегор в 1777 году. Их совместных детей звали Грегори и Джэнет.

Интересный факт

Поздняя версия ватта двойного действия паровой двигатель, построен Д. Напье и сын (Лондон) в 1859 году, сейчас в холле Высшей технической школы промышленных инженеров UPM (Мадрид). Такие паровые двигатели приводили в движение Индустриальная революция в Великобритании и мире.

В Паровой двигатель ватта, также известный как Паровой двигатель Бултона и Ватта, был ранним паровой двигатель и был одной из движущих сил Индустриальная революция. Джеймс Ватт разрабатывал дизайн время от времени с 1763 по 1775 год при поддержке Мэтью Бултон. Конструкция Watt позволила сэкономить намного больше топлива по сравнению с более ранними конструкциями, поэтому лицензии на них были основаны на количестве топлива, которое они могли бы сэкономить. Ватт не переставал разрабатывать паровую машину, внедряя конструкции двустороннего действия (с двумя цилиндрами) и различные системы для снятия вращательной мощности. Конструкция Ватта стала синонимом паровых двигателей, и прошло много лет, прежде чем существенно новые конструкции начали заменять базовую конструкцию Ватта.

Ватт понял, что тепло, необходимое для нагрева цилиндра, можно сэкономить, добавив отдельный конденсирующий цилиндр. После того, как силовой цилиндр был заполнен паром, на вторичный цилиндр был открыт клапан, позволяющий пару течь в него и конденсироваться, что влекло пар из главного цилиндра, вызывая рабочий ход. Конденсирующий цилиндр охлаждали водой для поддержания конденсации пара. В конце рабочего хода клапан закрывался, так что силовой цилиндр мог быть заполнен паром, когда поршень перемещался вверх. Конечным результатом был тот же цикл, что и в конструкции Ньюкомена, но без какого-либо охлаждения силового цилиндра, который был немедленно готов к следующему ходу.

Ватт работал над дизайном в течение нескольких лет, представив конденсатор и внося улучшения практически в каждую часть конструкции. Примечательно, что Ватт провел длительную серию испытаний способов уплотнения поршня в цилиндре, что значительно уменьшило утечку во время рабочего хода, предотвращая потерю мощности. Все эти изменения позволили создать более надежную конструкцию, в которой для выработки того же количества энергии использовалось вдвое меньше угля. [1]

Новый дизайн был коммерчески представлен в 1776 году, первый экземпляр был продан Компания Каррон металлургический завод. Ватт продолжал работать над улучшением двигателя, и в 1781 году представил систему с использованием солнечная и планетарная передача чтобы превратить поступательное движение двигателей во вращательное движение. Это сделало его полезным не только в исходной прокачивающей роли, но и как прямую замену в ролях, где водяное колесо использовались бы ранее. Это был ключевой момент промышленной революции, поскольку источники энергии теперь могли располагаться где угодно, вместо того, чтобы, как раньше, требовались подходящие источники воды и топография. Бултон начал разработку множества машин, в которых использовалась эта вращательная сила, и построил первую современную промышленную фабрику. Литейный завод Сохо, которые, в свою очередь, создали новые конструкции паровых машин. Первые двигатели Уатта были похожи на оригинальные конструкции Ньюкомена в том, что в них использовался пар низкого давления, а вся мощность производилась за счет атмосферного давления. Когда в начале 1800-х годов другие компании представили паровые двигатели высокого давления, Уатт не захотел последовать их примеру из соображений безопасности. [2] Желая улучшить характеристики своих двигателей, Ватт начал рассматривать использование пара более высокого давления, а также конструкции с использованием нескольких цилиндров как в концепции двойного действия, так и в концепции множественного расширения. Эти двигатели двойного действия потребовали изобретения параллельное движение, что позволило поршневые штоки отдельных цилиндров, чтобы двигаться по прямым линиям, удерживая поршень в цилиндре, в то время как конец балансира перемещается по дуге, что в некоторой степени аналогично крейцкопф в более поздних паровых двигателях.

Содержание

Введение

В 1698 году английский конструктор-механик Томас Савери изобрел насосный прибор, который использовал пар для забора воды прямо из колодца с помощью вакуума, создаваемого конденсацией пара. Аппарат также предлагался для слива шахты, но он мог поднимать жидкость только примерно на 25 футов, то есть он должен был находиться на таком расстоянии от осушаемого пола шахты. По мере того как шахты становились все глубже, это часто было непрактично. Он также потреблял больше топлива по сравнению с более поздними двигателями. [3]

Двигатель Ньюкомена был мощнее двигателя Savery. Впервые воду удалось поднять с глубины более 100 ярдов (91 м). [4] Первый экземпляр 1712 года смог заменить упряжку из 500 лошадей, которые использовались для откачки шахты. Семьдесят пять насосных двигателей Newcomen были установлены на шахтах в Великобритании, Франции, Голландии, Швеции и России. В последующие пятьдесят лет в конструкцию двигателя были внесены лишь несколько небольших изменений. Это было большим достижением.

Хотя двигатели Ньюкомена приносили практическую пользу, они были неэффективны с точки зрения использования энергии для их питания. Система поочередной подачи в цилиндр струй пара, а затем холодной воды означала, что стенки цилиндра поочередно нагреваются, а затем охлаждаются с каждым ходом. Каждая введенная порция пара будет продолжать конденсироваться до тех пор, пока температура цилиндра снова не достигнет рабочей температуры. Таким образом, при каждом ударе часть потенциала пара терялась.

Отдельный конденсатор

В 1763 г. Джеймс Ватт работал приборостроителем в Университет Глазго когда ему поручили ремонтировать двигатель модели Newcomen, и он отметил, насколько он неэффективен. [5]

В 1765 году Ватт задумал оснастить двигатель отдельным конденсация палату, которую он назвал "конденсатор". Потому что конденсатор и рабочий цилиндр были раздельными, конденсация происходила без значительных потерь тепла от цилиндра. Конденсатор оставался холодным и ниже атмосферное давление при этом цилиндр все время оставался горячим.

Пар из котла поступал в цилиндр под поршень. Когда поршень достиг вершины цилиндра, впускной клапан пара закрылся, а клапан, управляющий проходом к конденсатору, открылся. Конденсатор, находящийся под более низким давлением, втягивал пар из цилиндра в конденсатор, где он охлаждался и конденсировался из водяного пара в жидкую воду, поддерживая частичный вакуум в конденсаторе, который сообщался с пространством цилиндра через соединительный канал. Затем внешнее атмосферное давление толкало поршень вниз по цилиндру.

Разделение цилиндра и конденсатора исключило потерю тепла, которая происходила при конденсации пара в рабочем цилиндре двигателя Ньюкомена. Это дало двигателю Ватта большую эффективность, чем двигатель Ньюкомена, уменьшив количество потребляемого угля, выполняя при этом тот же объем работы, что и двигатель Ньюкомена.

В конструкции Ватта холодная вода впрыскивалась только в конденсационную камеру. Этот тип конденсатора известен как струйный конденсатор. Конденсатор расположен в ванне с холодной водой под цилиндром. Объем воды, поступающей в конденсатор в виде брызг, поглощал скрытую теплоту пара, и был определен как семикратный объем конденсированного пара. Затем конденсат и нагнетаемая вода удалялись воздушным насосом, а окружающая холодная вода служила для поглощения оставшейся тепловой энергии, чтобы поддерживать температуру конденсатора от 30 ° C до 45 ° C и эквивалентное давление от 0,04 до 0,1 бар. [6]

При каждом такте теплый конденсат откачивался из конденсатора и отправлялся в горячий колодец с помощью вакуумного насоса, который также помогал откачивать пар из-под силового цилиндра. Еще теплый конденсат использовался в качестве питательной воды для котла.

Следующим усовершенствованием конструкции Ньюкомена Ватт стал герметизировать верхнюю часть цилиндра и окружить цилиндр рубашкой. Пар пропускался через рубашку, прежде чем попадал под поршень, поддерживая теплоту поршня и цилиндра, чтобы предотвратить конденсацию внутри него. Вторым усовершенствованием было использование расширения пара против вакуума на другой стороне поршня. Подача пара прекращалась во время хода, и пар расширялся против вакуума с другой стороны. Это увеличивало эффективность двигателя, но также создавало переменный крутящий момент на валу, что было нежелательно для многих применений, в частности для перекачивания. Поэтому Ватт ограничил расширение до отношения 1: 2 (то есть подача пара была прекращена на половине хода). Это увеличило теоретический КПД с 6,4% до 10,6% при небольшом изменении давления поршня. [6] Ватт не использовал пар высокого давления из соображений безопасности. [2] : 85

Эти улучшения привели к созданию полностью разработанной версии 1776 года, которая фактически пошла в производство. [7]

Партнерство Мэтью Бултона и Джеймса Ватта

Отдельный конденсатор продемонстрировал значительный потенциал для усовершенствования двигателя Ньюкомена, но Ватт все еще не одобрял, казалось бы, непреодолимых проблем, прежде чем рыночный двигатель мог быть усовершенствован. И только после заключения партнерства с Мэтью Бултон вот такое стало реальностью. Ватт рассказал Бултону о своих идеях по улучшению двигателя, и Бултон, заядлый предприниматель, согласился профинансировать разработку испытательного двигателя в Сохо, около Бирмингем. Наконец Ватт получил доступ к оборудованию и практическому опыту мастеров, которые вскоре смогли запустить первый двигатель. В полностью разработанном виде он потреблял примерно на 75% меньше топлива, чем аналогичный двигатель Ньюкомена.

В 1775 году Ватт сконструировал два больших двигателя: один для Bloomfield Coliery в Типтон, завершенный в марте 1776 г., и один для Джон Уилкинсонметаллургический завод на Broseley в Шропшир, который работал в следующем месяце. Третий двигатель, на Стратфорд-ле-Боу в восточном Лондоне, этим летом тоже работал. [8]

Ватт в течение нескольких лет безуспешно пытался получить цилиндр с точной расточкой для своих паровых двигателей, и был вынужден использовать кованое железо, которое было некруглым и вызывало утечку через поршень. Джозеф Уикхэм Роу заявил в 1916 году: «Когда [Джон] Смитон увидел первый двигатель и сообщил Инженерному обществу, что `` не существует ни инструментов, ни рабочих, которые могли бы изготовить такую сложную машину с достаточной точностью. ' ". [9]

Бултон и ВаттПрактика заключалась в том, чтобы помогать владельцам шахт и другим клиентам строить двигатели, поставляя людей для их сборки и некоторых специализированных деталей. Однако их основная прибыль от патента была получена от взимания лицензионного сбора с владельцев двигателей, исходя из стоимости сэкономленного топлива. Более высокая топливная эффективность их двигателей означала, что они были наиболее привлекательны в областях, где топливо было дорогим, особенно Корнуолл, для которого в 1777 г. было заказано три двигателя, для Уил занят, Тинг Тан, и Chacewater мины. [10]

Более поздние улучшения

Первые двигатели Уатта были двигателями атмосферного давления, такими как двигатель Ньюкомена, но с конденсацией, происходящей отдельно от цилиндра. Управление двигателями с использованием пара низкого давления и частичного вакуума повысило вероятность Поршневой двигатель развитие. [11] Расположение клапанов могло попеременно впускать пар низкого давления в цилиндр и затем соединяться с конденсатором. Следовательно, направление рабочего хода может быть изменено на противоположное, что упрощает получение вращательного движения. Дополнительные преимущества двойное действие Двигатель получил повышенный КПД, более высокую скорость (большую мощность) и более равномерное движение.

До разработки поршня двойного действия связь с балкой и штоком поршня осуществлялась посредством цепи, что означало, что мощность могла быть приложена только в одном направлении, путем вытягивания. Это было эффективно в двигателях, которые использовались для перекачивания воды, но двойное действие поршня означало, что он мог толкать, а также тянуть. Это было невозможно, пока балка и стержень были связаны цепью. Кроме того, невозможно было соединить шток поршня герметичного цилиндра. прямо к балке, потому что в то время как стержень перемещался вертикально по прямой линии, балка поворачивалась в центре, причем каждая сторона вписывала дугу. Чтобы преодолеть противоречивые действия балки и поршня, Ватт разработал свой параллельное движение. В этом шедевре инженерной мысли используется четырехбалочная связь в сочетании с пантограф производить необходимое прямолинейное движение гораздо дешевле, чем если бы он использовал рычажный механизм ползункового типа. Он очень гордился своим решением.

Соединение балки с валом поршня посредством попеременного приложения силы в обоих направлениях также означало, что можно было использовать движение балки для поворота колеса. Самым простым решением преобразования действия балки во вращательное движение было соединение балки с колесом с помощью заводить, но поскольку другая сторона имела патентные права на использование кривошипа, Ватт был вынужден предложить другое решение. [13] Он принял эпициклический солнечная и планетарная передача система, предложенная сотрудником Уильям Мердок, только позже, после истечения срока действия патентных прав, он вернулся к более знакомой рукоятке, которую можно увидеть сегодня на большинстве двигателей. [14] Основное колесо, прикрепленное к кривошипу, было большим и тяжелым, служившим маховик который, будучи однажды приведенным в движение, своим импульсом поддерживал постоянную мощность и сглаживал действие чередующихся ударов. К его вращающемуся центральному валу можно было прикрепить ремни и шестерни, чтобы приводить в движение самые разные механизмы.

Поскольку заводское оборудование должно было работать с постоянной скоростью, Ватт подключил парорегулирующий клапан к центробежный регулятор которые он адаптировал из тех, которые использовались для автоматического управления скоростью ветряных мельниц. [15] Центробежный не был истинной скоростью контролер потому что он не мог поддерживать заданную скорость в ответ на изменение нагрузки. [16]

Эти улучшения позволили паровой машине заменить водяное колесо и лошади в качестве основных источников энергии для британской промышленности, тем самым освобождая ее от географических ограничений и становясь одним из основных двигателей в Индустриальная революция.

Ватт также занимался фундаментальными исследованиями функционирования паровой машины. Его самый известный измерительный прибор, который используется до сих пор, - это Watt. индикатор включение манометр для измерения давления пара внутри цилиндра в соответствии с положением поршня, что позволяет построить диаграмму, представляющую давление пара как функцию его объема в течение всего цикла.

Сохранившиеся двигатели Watt

Самый старый из сохранившихся двигателей Ватта - Старая Бесс 1777 г., сейчас в Музей науки, Лондон. Самый старый рабочий двигатель в мире - это Двигатель Smethwick, введен в строй в мае 1779 г. и сейчас на Thinktank в Бирмингеме (ранее в ныне несуществующей Музей науки и промышленности, БирмингемСамым старым, все еще находящимся в первоначальном машинном отделении и способным выполнять работу, для которой он был установлен, является двигатель Болтона и Ватта 1812 года на заводе. Насосная станция Crofton. Это использовалось для перекачивания воды для Кеннет и Эйвон канал; в определенные выходные в течение года современные насосы отключаются, и две паровые машины в Крофтоне по-прежнему выполняют эту функцию. Whitbread Engine (с 1785 года - третий из когда-либо построенных роторных двигателей), расположен в Музей электростанции в Сиднее, Австралия. Двигатель Болтона-Уотта 1788 года можно найти в Музей науки, Лондон., [17] в то время как 1817 воздуходувная машина, ранее использовавшийся в Netherton Металлургический завод MW Grazebrook теперь украшает Дартмутский цирк, островок безопасности в начале Автомагистраль A38 (M) в Бирмингеме.

Музей Генри Форда в Дирборн, Мичиган в нем находится точная копия роторного двигателя мощностью 1788 Вт. Это полномасштабная рабочая модель двигателя Боултона-Ватта. Американский промышленник Генри Форд заказал копию двигателя у английского производителя Чарльза Саммерфилда в 1932 году. [18] В музее также хранится оригинальный атмосферный насосный двигатель Boulton and Watt, который первоначально использовался для откачки каналов в Бирмингеме. [19] показано ниже, и используется на насосной станции Bowyer Street [20] с 1796 по 1854 год, а затем переехал в Дирборн в 1929 году.

Читайте также: