Джон уатт паровой двигатель

Паровая машина Уатта

Главным двигателем в разных отраслях производства веками оставалось водяное колесо. Но этот двигатель требовал располагать предприятия у рек и для запуска нуждался в дорогостоящих подготовительных работах. Мощность водяных колёс, зависевшую от силы реки, было трудно контролировать: ведь как в засуху, так и при наводнении — двигатель мог встать. Нужда в мощном, дешёвом, легкоуправляемом двигателе, который можно установить в любом месте, привела к созданию паровых машин.

Вспомнить Герона

«Праотцами» паровой машины можно считать два творения Герона Александрийского — поршневый насос и эолипил, в котором сила пара использована как источник энергии. Идею эолипила развил итальянский инженер Джованни Бранка, создав в 1629 г. первую паровую турбину, схожую с водяным колесом, но вращаемую не потоком воды, а давлением струи пара.

Двигатель Бранка был слишком слаб для промышленного использования — мощи паровой струи, поступающей из кипящего котла с водой, не хватало для раскручивания большого колеса. Поршневые насосы в XVI-XVIII вв. широко использовались для откачки грунтовых вод из глубоких шахт и приводились в движение водяным колесом (гидравлическим двигателем). Английский изобретатель Эдвард Сомерсет объединил идею поршня и использование пара в качестве рабочего тела (источника энергии) и в 1655 г. построил паровой насос для подъёма воды на стену замка. Но в те годы его идея не нашла поддержки.

Модель Папена

Серия научных открытий XVII- XVIII вв., познакомившая человечество с воздействием атмосферного давления, свойствами вакуума и расширением объёма тел при нагревании, дала пищу умам конструкторов, стремившихся создать новые типы двигателей. Опираясь на накопленные знания и конструкторский опыт предшественников, французский изобретатель Дени Папен в 1680 г. создал первую модель паровой машины. Рабочий поршень его машины, поднятый паром, образованным в рабочем цилиндре, опускаясь под давлением атмосферы, с помощью системы блоков поднимал груз. Так модель Папена показывала возможность практического применения силы пара.

«Друг рудокопа»

В 1698 г. английский инженер Томас Севери получил патент на «друга рудокопа» — паровой насос для откачки воды из шахт. Всю работу «друга» выполнял пар — там даже не было поршня. Севери, в отличие от Папена, стал производить пар в паровом котле, отделённом от рабочей части машины. Но для действия машины приходилось каждый раз охлаждать паровой котёл, и тепло, на создание которого тратился уголь в нагревательной печи, уходило в воздух.

Турбина — вращающийся (ротационный) двигатель, преобразующий энергию рабочего тела (воды, пара, газа) в механическую работу.Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. После конденсации пар становится водой.

Двигатель Ньюкомена

Английский кузнец, изобретатель-самоучка Томас Ньюкомен, объединив идеи Папена и Севери, в 1711 г. создал машину, в которой пар охлаждался не в котле, а в рабочем цилиндре, сберегая больше тепла и делая процесс непрерывным. Ньюкомен назвал своё детище «пароатмосферным двигателем», т. к. поршень поднимал пар, а опускало его давление атмосферы. Двигатель Ньюкомена приводил в движение коромысло с поршнем насоса, откачивавшего воду из шахты.

Машина потребляла много угля, а полезную работу поршень совершал только при опускании. Но владельцы шахт, не испытывая недостатка в угле, уже к 1733 г. купили 110 машин Ньюкомена.

Паровая революция

Изготовление поршня и цилиндра для паровой машины требовало высокой точности в подгонке деталей, чтобы пар не прорывался в зазоры между ними, грозя обварить окружающих. Для массового производства паровых машин создали высокоточные станки, которые упростили производство и всех других станков — началась цепная реакция развития машиностроения. Машины Уатта внедрялись во все отрасли производства и ставились в любом месте, что позволило перенести промышленные центры в города, где было достаточно рабочей силы. Так создание одной машины сразу подняло на новый уровень всё производство, переведя «машинную революцию» в революцию промышленную. С начала XIX в. варианты паровых машин служили и двигателями для транспорта.

Машина широкого спроса

В 1763 г. шотландскому инженеру Джеймсу Уатту пришлось чинить одну из машин Ньюкомена, и он обнаружил в ней много недочётов. Так, при запуске пара в охлаждённый водой цилиндр часть его тепла тратилась не на работу, а на повторный нагрев цилиндра. Но если держать цилиндр постоянно нагретым, как конденсировать пар? И тогда Уатт понял, что для создания вакуума в рабочем цилиндре можно просто откачать из него пар и отвести его охлаждаться в отдельный резервуар — в конденсатор, а оттуда вернуть воду обратно в котёл, замкнув цикл работы машины. В 1769 г. Уатт запатентовал свой пароатмосферный двигатель, который стал первой машиной, широко используемой в производстве.

Читайте также:  Двигатель ниссан патрол zd30ddti

Двойной пар

В 1770-х гг. Уатт повысил мощность парового двигателя, заменив давление атмосферы на поршень давлением пара. Теперь пар в рабочий цилиндр подавался с двух сторон рабочего поршня, и поднимая, и опуская его. Патент на машину с цилиндром двойного действия Уатт получил в 1776 г. Это был уже не пароатмосферный, а паровой двигатель.

Поршень крутит колесо

Поршни машины Уатта 1765-1776 гг. совершали лишь одно рабочее движение (вниз) и работали рывками. В разработке системы передачи, переводящей прямолинейное движение поршня во вращательное движение рабочего колеса-маховика Уатта опередил некий Пикар, рабочий его завода. Он изобрёл удобный кривошипно-шатунный механизм, передающий движение от поршня к маховику. Теперь, вращая маховик, поршень совершал полезную работу при движении и вниз, и вверх — энергия двигателя стала использоваться полностью. Снабжённые колёсами машины Уатта нашли спрос как двигатели для мельниц, прядильных и ткацких станков, дисковых пил на лесопилках и пр.

Полная автоматизация

Работу первых двигателей Уатта приходилось контролировать. Надо было следить, чтобы машина работала равномерно, не развивая слишком большую мощность, для замедления вращения маховика или качания коромысла время от времени приходилось прикрывать клапан подачи пара. Также вручную открывались и закрывались клапаны подачи и отвода пара из главного цилиндра. В машине 1784 г. Уатт автоматизировал оба эти процесса: регулятор подачи пара он изобрёл сам, а в автоматизации парораспределения Уатту помог его сотрудник, механик Уильям Мердок, придумавший золотник — устройство, направляющее поток пара.

Развитие идеи

Успех первой пароатмосферной машины принёс Уатту и славу, и деньги на продолжение работы. Он поставил перед собой несколько задач по усовершенствованию своей машины: повысить мощность, использовать для выполнения полезной работы не только опускание поршня, но и его подъём, а также полностью автоматизировать управление машиной.

Источник

Паровая машина Джеймса Уатта

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

В середине 60-х годов 18 века талантливый механик Джеймс Уатт работал в университете Глазго. Однажды ему поступил заказ на ремонт паровой машины Ньюкомена, и, разобравшись в конструкции агрегата, Уатт решил попробовать ее немного усовершенствовать. Он предположил, что можно будет сократить расход недешевого топлива, если цилиндр паровой машины будет постоянно оставаться в нагретом состоянии. Ведь до этого поршень двигался вниз и совершал полезную работу благодаря тому, что емкость с паром охлаждалась при помощи впрыска воды. Но чтобы воплотить в жизнь данную идею, следовало разобраться с проблемой конденсации пара, которую Уатт решил достаточно элегантно.
Если верить историческим источникам, мысль о том, как можно сконденсировать пар, пришла Уатту в голову совершенно случайно, когда он увидел, как под давлением вырываются его струи из котлов прачечных. Джеймс сообразил, что пар – это обыкновенный газ, который из цилиндра можно легко направить в другую емкость, создав в ней меньшее давление. Для этих целей Уатт решил использовать откачивающий насос и систему металлических отводящих трубок, которые забирали из цилиндра пар.

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.

Источник

Джеймс Уатт

Фото Все

Видео Все

Джеймс Уатт и паровая машина.

Джеймс Уатт и его паровая машина

Технические изобретения Промышленного переворота (рус.) Новая история

Джеймс Уатт — биография

Джеймс Уатт — гениальный шотландский инженер, механик, изобретатель. Его работы дали толчок к промышленной революции. Его именем названа единица мощности СИ— Ватт, он ввёл понятие первой единицы мощности — лошадиной силы. Ему принадлежит изобретение паровой машины двойного действия.

Читайте также:  Жидкость в цилиндре двигателя

Шотландский инженер, член Лондонского королевского общества, член Парижской академии наук и член Эдинбургского королевского общества. Эти регалии принадлежат великому изобретателю, учёному Джеймсу Уатт. Благодаря его открытиям кардинально изменило развитие промышленности, не только в Великобритании, но и во всём мире.

Мужчины рода Уатт прославляли свою фамилию задолго до рождения Джеймса. Его прадед был известный землевладелец из Абердиншира. Принял участие в войне 1644-1647 годов на стороне ковенантеров. Во время одного из сражений он погиб. Все его земли, имущество, дом было конфисковано. А сын Томас, дед Джеймса, был вынужден переехать к родственнику, проживающего около Гринока.

Благодаря настойчивости и трудолюбию, он достиг уважения в обществе. Преподавал математику и мореходство, позже занял должность окружного судьи, являлся председателем церковного совета. Трудолюбие и тягу к знанию унаследовал его сын Джеймс, отец будущего всемирно известного изобретателя. Джеймс –старший был очень разносторонним человеком. Его любимым занятием было что-то мастерить руками. И его пристрастие переросло в бизнес. Он строил корабли, чинил различные механизмы, занимался морской торговлей. Его жена Агнес Мюрхед принадлежала к богатому роду, и была образованна.

Детство

Портрет Джеймса Уатта в детстве

Особо счастливым детство юного Джеймса назвать трудно. Почти год он провёл в четырёх стенах своей комнаты где самостоятельно изучал различные науки сам. Гулять вместе с детьми он не мог, единственным увлечением вне дома это была рыбалка.

Как-то присутствующий в гостях у Уаттов знакомый заметил, что Джеймс младший рисует что-то мелом на очаге, и возмутился говоря, что ребёнок попросту тратит время. Но отец ответил, что в начале нужно разобраться, что это за рисунки. Какого же было удивление взрослых, когда они поняли, что Джеймс пытается найти решение задачи Эвклида.

Немного повзрослев юный математик, увлекается астрономией и его начинают интересовать химические опыты. К тому времени отец передал ему своё самое главное богатство — умение работать руками. Позже знакомые его называли «мастер на все руки». В подарок от отца он получил столярные инструменты. И стал с упорством присущим всем Уатт, изготовлять различные устройства и механизмы, придуманные его отцом. По достижению возраста, он поступает в гимназию. Учит латынь, совершенствует свои знания в области математике.

Образование

Устроится официально нет финансовых возможностей, и он договаривается об обучении у мастера Моргана. Средств хватило на оплату только одного года. Он начинает с упорством осваивать профессию, и скоро он от изготовления самых простых линеек и циркулей, переходит к изготовлению более сложных инструментов. Ему подвластно сделать квадрант и сектор, теодолит. Всё это время он почти не покидает дом, так как на это просто нет времени. Живёт впроголодь.

Джеймс Уатт в молодости

По истечении года он вернулся в Шотландию. Джеймс поселяется у своего дяди в Глазго, и решает открыть своё дело. Начинает ремонтировать телескопы, октанты, барометры. Но союз ремесленников заставляет его прекратить работу, так как по сути у него не было должного образования. Но ему подворачивается счастливый случай. Его приглашают в университет Глазго для ремонта и настройки астрономических инструментов будущей обсерватории. Позже его назначат мастером научных инструментов при университете. Наступает долгожданное время, когда он стал достаточно зарабатывать на жизнь.

Архитектор и бизнесмен Джон Крейг в 1759 году приглашает Джеймса стать его партнёром. Совместно они организовали производство по изготовлению разных устройств и механизмов. Их совместная работа принесла ему полное избавление от нужды. Появившиеся средства позволили ему нанять себе помощников. Вместе они проработали ещё шесть лет, до самой смерти предпринимателя.

Изобретательство

Джон Робинсон, давний приятель Джеймса Уатта, заинтриговав его как – то вопросом по использованию пара в качестве двигательной энергии. Созданная пятьдесят лет назад паровая машина Ньюкомена использовалась только для откачки воды из шахт. За всё время её существования никто не пытался её как-то усовершенствовать. И Джеймс начинает исследование пара с нуля. Первые попытки создания новой паровой машины потерпели неудачу.

Паравая машина Джеймса Уатта

Но в 1763 году по просьбе профессора из университета он ремонтирует действующую паровую машину Ньюкомена. Он вносит в конструкцию много усовершенствований. Первую свою идею он запатентовал в 1769 году. Это изолированная камера для конденсата. Но создать полноценную машину он не может. Нужны деньги. Ему оказывают помощь Джозеф Блэк и Джона Роубака.

А через год это изобретение стало работать на предприятиях, к примеру эта машина была востребована на пивоварнях. Именно там и появилось понятие «лошадиная сила», так до появления этого механизма воду накачивали с помощью лошадей. Для точности эксперимента на одном пивоваренном заводе, хозяин в течении рабочей смены использовал одну самую выносливую лошадь. Джеймс выяснил, что она за час перегнала 75 кг воды. Это и стало единицей измерения мощности— лошадиная сила равняется 75 килограмм-силам на метр в секунду.

Читайте также:  Когда нужна капиталка двигателя

Первые созданные машины были очень громоздкие, и для них строили отдельное помещение. Но позднее Уатт модернизировал не только внутренние механизма агрегата, но и внешний вид.

В конце XVIII века значения разработанного двигателя оказалось по истине неоценимым вкладом в развитие промышленности и прогресса. По аналогии он создал копировальный пресс, который он запатентовал в 1780 году.

Копировальный пресс Джеймса Уатта

В 1800 году Джеймс Уатт уходит на пенсию, к этому времени уже закончился срок его патента, но это не значит, что великий изобретатель прекратил свои изыскания. Он ещё создаст эйдограф — прибор для «клонирования» скульптур, медальонов, сосудов и прочих предметов искусства.

Личная жизнь

В 1763 году состоялась свадьба, Уатт взял себе в жёны свою кузину Маргарет (Пегги) Миллер. В браке родилось 5 детей. При последних родах в 1772 году его жена умерла. Второй брак состоялся в 1777 году. Его избранницей стала Энн МакГрегор. У пары родилось ещё двое детей.

Смерть

Жизнь великого учёного закончилась 25 августа 1819 года. Он умер на 83 году жизни. Джеймс Уатт захоронен на кладбище возле церкви Святой Марии в Хэндсворте. На сегодняшний день церковь расширили и его захоронение находится под его сводами.

Память Джеймса Уатта увековечена памятником в Вестминстерском аббатстве. Великий изобретатель высечен сидящем, с бумагой и пером в руках.

Ссылки

Источник

vova_91

Всё самое интересное в одном журнале

Фото: Wikimedia Commons

Выдающийся шотландский инженер, изобретатель-механик Джеймс Уатт, труды которого положили начало промышленной революции сначала в Англии, а затем и во всем мире.

В полном смысле этого слова Джеймс Уатт не был первым человеком, который изобрел паровую машину. Подобное устройство было описано Героном Александрийским в I веке н.э. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским инженером XVI века, который предложил метод вращения вертела силой потока пара, направляемого на лопасти, закрепленные по ободу колеса. Джеймс Уатт изобрел универсальную паровую машину, усовершенствовав паровую машину Ньюкомена, которую во времена Уатта использовали для откачки воды из угольных шахт. Первым таким значительным новшеством стала изолированная камера для конденсации: 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. Следующее усовершенствование было направлено на то, чтобы заставить поршень в цилиндре совершать полезную работу не за счет атмосферного давления, а с помощью давления пара. Позднее он также изолировал паровой цилиндр, а в 1782 году изобрел машину двойного действия, которая позволила увеличить производительность паровой машины в четыре раза, что дало 75% экономию в себестоимости угля. В дополнение к другим различным усовершенствованиям паровой машин Уатт также изобрел центробежный регулятор, при помощи которого осуществлялся автоматический контроль за скоростью машины, манометр и дроссельный клапан.


Мастерская Джеймса Уатта Фото: Frankie Roberto/Wikimedia Commons

В 1780 году Уатт изобрел и запатентовал портативный копировальный пресс, который состоял из коробки, в которой были отделения для карандашей, ручки, линейки и бумаги, а также специальный отсек для копировальной бумаги. В металлизированной коробке был запас краски и воды на 24 листа копирования. Для зажима листа оригинала использовалась металлическая крышка. До начала работы копировальные листы 12 часов выдерживались в специальном составе. Фактическое копирование производилось поворотом ручки аппарата, вращавшей два латунных валика, расположенных в нижней части корпуса. Оригинал документа помещался на копировальную пластину между подъемными крышками. Его прижимали к влажной копировальной бумаге для получения оттиска, и, таким образом, на копировальных листах получалась зеркальная копия документа, которая после 24 часов сушки была готова к использованию. Компания, основанная Уаттом, выпускала подобные машины до конца XIX века, ее использовали в своей работе такие известные люди, как Бенджамин Франклин, Джордж Вашингтон и Томас Джефферсон.
В преклонных годах изобретатель также трудился над машиной для копирования скульптурных произведений, эйдографом — механическим приспособлением, позволяющим с высокой точностью копировать барельефы, медальоны, статуи и прочие вещи самой сложной формы.

Механизм, изобретенный Уаттом в 1784 году для придания поршню паровой машины прямолинейного движения. Параллелограмм состоит из двух горизонтальных рычагов, шарнирно прикрепленных к концам вертикального рычага, который закреплен в центре балки моста и имеет возможность вращения. За счет поворота вертикального рычага компенсируется неравномерность движения в поворотах. В наши дни используется на задней оси в некоторых автомобильных подвесках.


Паровая машина Уатта. Фото: Eclipse.sx/Wikimedia Commons

В качестве измерения мощности Уатт предложил использовать понятие «лошадиная сила». Эта единица измерения использовалась при большинстве расчетов до 1882 года, пока Британская ассоциация инженеров решила назвать единицу мощности именем Уатта — Ватт. Это был первый в истории техники случай присвоения собственного имени единице измерения.

Источник

Ответы на популярные вопросы