Posibilitățile de utilizare a energiei cu abur erau cunoscute la începutul erei noastre. Acest lucru este confirmat de un dispozitiv numit eolipilul lui Geron, creat de vechiul mecanic grec Heron of Alexandria. O invenție antică poate fi atribuită unei turbine cu abur, a cărei bilă se rotea datorită forței jeturilor de vapori de apă.
A devenit posibilă adaptarea aburului la motoarele care funcționează în secolul al XVII-lea. Ei nu au folosit o astfel de invenție mult timp, dar a adus o contribuție semnificativă la dezvoltarea omenirii. În plus, istoria invenției motoarelor cu aburi este foarte fascinantă.
Concept
Un motor cu aburi constă dintr-un motor termic cu ardere externă, care, din energia vaporilor de apă, creează o mișcare mecanică a unui piston, care, la rândul său, rotește arborele. Putere motor cu aburi este obișnuit să se măsoare în wați.
Istoria invenției
Istoria invenției mașinilor cu aburi este asociată cu cunoașterea civilizației antice grecești. Multă vreme, nimeni nu a folosit operele acestei ere. În secolul al XVI-lea, s-a încercat crearea unei turbine cu abur. Fizicianul și inginerul turc Takiyuddin ash-Shami a lucrat la acest lucru în Egipt.
Interesul pentru această problemă a reapărut în secolul al XVII-lea. În 1629, Giovanni Branca a propus propria sa versiune a turbinei cu abur. Cu toate acestea, invențiile au pierdut multă energie. Dezvoltările ulterioare au necesitat condiții economice adecvate care ar apărea ulterior.
Denis Papin este considerat a fi primul care a inventat mașina cu aburi. Invenția a fost un cilindru cu un piston care se ridică din cauza aburului și coboară ca urmare a îngroșării sale. Dispozitivele lui Severy și Newcomen (1705) aveau același principiu de funcționare. Echipamentul a fost folosit pentru a pompa apa din lucrările miniere.
Dispozitivul a fost în cele din urmă îmbunătățit de Watt în 1769.
Invențiile lui Denis Papin
Denis Papin a fost medic de pregătire. Născut în Franța, s-a mutat în Anglia în 1675. Este cunoscut pentru multe dintre invențiile sale. Unul dintre ele este o oală sub presiune numită Cazanul Papen.
El a reușit să identifice relația dintre două fenomene, și anume punctul de fierbere al lichidului (apa) și presiunea care apare. Datorită acestui fapt, a creat un cazan etanș, în interiorul căruia presiunea a crescut, din cauza căreia apa a fiert mai târziu decât de obicei și temperatura de procesare a produselor plasate în ea a crescut. Astfel, viteza de gătit a fost mărită.
În 1674, un inventator medical a creat un motor cu pulbere. Munca sa a constat în faptul că, atunci când praful de pușcă s-a aprins, pistonul s-a deplasat în cilindru. Un vid slab s-a format în cilindru, iar presiunea atmosferică a readus pistonul la locul său. Elementele gazoase rezultate au ieșit prin supapă, iar cele rămase au fost răcite.
Până în 1698, Papen a reușit să creeze o unitate bazată pe același principiu, care funcționează nu pe praf de pușcă, ci pe apă. Astfel, a fost creat primul motor cu aburi. În ciuda progresului semnificativ la care ar putea duce ideea, aceasta nu a adus beneficii semnificative inventatorului său. Acest lucru s-a datorat faptului că mai devreme un alt mecanic, Severy, patentase deja pompa de abur și până atunci nu inventaseră încă o altă aplicație pentru astfel de unități.
Denis Papin a murit la Londra în 1714. În ciuda faptului că prima mașină cu aburi a fost inventată de el, a lăsat această lume în nevoie și singurătate.
Invențiile lui Thomas Newcomen
Englezul Newcomen s-a dovedit a avea mai mult succes în ceea ce privește dividendele. Când Papen și-a creat mașina, Thomas avea 35 de ani. A studiat cu atenție opera lui Savery și Papen și a reușit să înțeleagă neajunsurile ambelor modele. Din acestea a luat toate cele mai bune idei.
Până în 1712, în colaborare cu stăpânul și maestrul sanitar John Callie, a creat primul său model. Așa a continuat istoria invenției mașinilor cu aburi.
Modelul creat poate fi explicat pe scurt după cum urmează:
- Designul combina un cilindru vertical și un piston, ca al lui Papen.
- Aburul a fost creat într-un cazan separat, care a funcționat pe principiul mașinii Savery.
- Etanșeitatea cilindrului de abur a fost obținută datorită pielii, care a fost înfășurată în jurul pistonului.
Unitatea Newcomen a ridicat apa din mine folosind presiunea atmosferică. Mașina sa remarcat prin dimensiunile sale solide și a necesitat o cantitate mare de cărbune pentru a funcționa. În ciuda acestor neajunsuri, modelul lui Newcomen a fost folosit în mine timp de o jumătate de secol. A permis chiar redeschiderea minelor care fuseseră abandonate din cauza inundațiilor de apele subterane.
În 1722, ideea lui Newcomen și-a dovedit eficacitatea, pompând apă de pe o navă din Kronstadt în doar două săptămâni. Un sistem de mori de vânt ar putea face acest lucru într-un an.
Datorită faptului că mașina se baza pe versiunile anterioare, mecanicul englez nu a putut obține un brevet pentru aceasta. Proiectanții au încercat să aplice invenția la mișcarea vehiculului, dar nu au reușit. Istoria invenției mașinilor cu aburi nu s-a încheiat aici.
Invenția lui Watt
James Watt a fost primul care a inventat echipamente compacte, dar puternice. Motorul cu aburi a fost primul de acest gen. Un mecanic de la Universitatea din Glasgow a început să repare generatorul de abur al lui Newcomen în 1763. Ca urmare a renovării, el și-a dat seama cum să reducă consumul de combustibil. Pentru a face acest lucru, a fost necesar să mențineți cilindrul într-o stare încălzită constant. Cu toate acestea, motorul cu aburi al lui Watt nu a putut fi gata până când nu s-a rezolvat problema condensului cu abur.
Soluția a venit atunci când un mecanic a trecut pe lângă spălătorii și a observat că nori de abur ieșeau de sub capacele cazanului. Și-a dat seama că aburul este un gaz și trebuie să se deplaseze într-un cilindru cu presiune redusă.
Prin etanșarea interiorului cilindrului de abur cu o frânghie de cânepă îmbibată cu ulei, Watt a reușit să renunțe la presiunea atmosferică. Acesta a fost un mare pas înainte.
În 1769, un mecanic a primit un brevet, care a declarat că temperatura motorului într-un motor cu aburi ar fi întotdeauna egală cu temperatura aburului. Cu toate acestea, lucrurile pentru nefericitul inventator nu mergeau atât de bine cum se aștepta. El a fost obligat să ipoteceze un brevet pentru datorii.
În 1772 l-a cunoscut pe Matthew Bolton, care era un industrial bogat. El și-a cumpărat și i-a returnat lui Watt brevetele. Inventatorul a revenit la muncă, susținut de Bolton. În 1773, motorul cu aburi al lui Watt a trecut un test și a arătat că consumă mult mai puțin cărbune decât omologii săi. Un an mai târziu, producția de mașini a început în Anglia.
În 1781, inventatorul a reușit să patenteze următoarea sa creație - un motor cu abur pentru conducerea mașinilor-unelte industriale. După un timp, toate aceste tehnologii vor face posibilă mutarea trenurilor și a vaporilor cu ajutorul aburului. Acest lucru va revoluționa complet viața unei persoane.
Unul dintre oamenii care au schimbat viața multora a fost James Watt, al cărui motor cu aburi a accelerat progresul tehnologic.
Invenția lui Polzunov
Proiectul primului motor cu aburi care putea conduce o varietate de mecanisme de lucru a fost creat în 1763. A fost dezvoltat de mecanicul rus I. Polzunov, care lucra la uzinele miniere din Altai.
Șeful fabricilor a fost familiarizat cu proiectul și a primit aprobarea pentru crearea dispozitivului de la Sankt Petersburg. Motorul cu aburi Polzunov a fost recunoscut, iar lucrările la crearea acestuia au fost încredințate autorului proiectului. Acesta din urmă a dorit să asambleze mai întâi modelul în miniatură pentru a identifica și elimina eventualele defecte care nu sunt vizibile pe hârtie. Cu toate acestea, i s-a ordonat să înceapă să construiască o mașină mare și puternică.
Polzunov a primit asistenți, dintre care doi erau înclinați către mecanici, iar doi urmau să efectueze lucrări auxiliare. A fost nevoie de un an și nouă luni pentru a construi mașina cu aburi. Când motorul cu aburi al lui Polzunov era aproape gata, s-a îmbolnăvit de consum. Creatorul a murit cu câteva zile înainte de primele teste.
Toate acțiunile din mașină au avut loc automat, putând funcționa continuu. Acest lucru a fost dovedit în 1766, când studenții lui Polzunov și-au efectuat testele finale. O lună mai târziu, echipamentul a fost pus în funcțiune.
Mașina nu a plătit doar pentru banii cheltuiți, ci a făcut și profit pentru proprietarii săi. Până în toamnă, cazanul a început să scurgă și lucrările s-au oprit. Unitatea a putut fi reparată, dar acest lucru nu i-a interesat pe șefii fabricii. Mașina a fost abandonată, iar un deceniu mai târziu a fost demontată ca inutilă.
Principiul de funcționare
Pentru a opera întregul sistem este necesar un cazan cu abur. Aburul rezultat se extinde și apasă pe piston, rezultând o mișcare mecanică.
Principiul de funcționare este cel mai bine explorat folosind ilustrația de mai jos.
Dacă nu vopsiți detaliile, atunci lucrarea motorului cu aburi este de a converti energia aburului în mișcarea mecanică a pistonului.
Eficienţă
Eficiența unui motor cu aburi este determinată de raportul de lucru mecanic util în raport cu cantitatea consumată de căldură conținută în combustibil. Calculul nu ia în considerare energia care este eliberată în mediu ca căldură.
Eficiența unui motor cu abur este măsurată procentual. Eficiența practică va fi de 1-8%. În prezența unui condensator și a expansiunii căii de curgere, indicatorul poate crește până la 25%.
Avantaje
Principalul avantaj al echipamentelor cu abur este că boilerul poate folosi orice sursă de căldură, atât cărbune, cât și uraniu, ca combustibil. Acest lucru îl diferențiază semnificativ de un motor cu ardere internă. În funcție de tipul acestuia din urmă, este necesar un anumit tip de combustibil.
Istoria invenției mașinilor cu aburi a arătat avantaje care sunt vizibile chiar și astăzi, deoarece energia nucleară poate fi utilizată pentru un analog cu abur. În sine, un reactor nuclear nu își poate transforma energia în lucru mecanic, dar este capabil să genereze cantități mari de căldură. Apoi este folosit pentru a genera abur, care va pune mașina în mișcare. Energia solară poate fi utilizată în același mod.
Locomotivele cu aburi se comportă bine la altitudini mari. Eficiența lor nu suferă de presiunea atmosferică scăzută în munți. Locomotivele cu aburi sunt încă folosite în munții din America Latină.
În Austria și Elveția se utilizează noi versiuni ale locomotivelor cu abur uscat. Acestea arată o eficiență ridicată datorită multor îmbunătățiri. Acestea nu sunt solicitante în ceea ce privește întreținerea și consumă fracțiuni ușoare de ulei drept combustibil. În ceea ce privește indicatorii economici, aceștia sunt comparabili cu locomotivele electrice moderne. În același timp, locomotivele cu aburi sunt mult mai ușoare decât omologele lor diesel și electrice. Acesta este un mare avantaj pe teren montan.
dezavantaje
Dezavantajele includ, în primul rând, eficiența scăzută. La aceasta ar trebui adăugată voluminositatea structurii și viteza redusă. Acest lucru a devenit deosebit de vizibil după apariția motorului cu ardere internă.
Cerere
Cine a inventat motorul cu aburi este deja cunoscut. Rămâne să aflăm unde au fost folosite. Până la mijlocul secolului al XX-lea, motoarele cu aburi erau utilizate în industrie. Au fost folosite și pentru transportul feroviar și cu abur.
Fabrici care au acționat motoarele cu aburi:
- zahăr;
- cutii de chibrituri;
- fabrici de hârtie;
- textile;
- întreprinderile alimentare (în unele cazuri).
Turbinele cu abur fac parte, de asemenea, din acest echipament. Generatoarele de electricitate lucrează în continuare cu ajutorul lor. Aproximativ 80% din electricitatea lumii este generată folosind turbine cu abur.
La timpul potrivit au fost create tipuri diferite transport alimentat de un motor cu aburi. Unii nu s-au înrădăcinat din cauza unor probleme nerezolvate, în timp ce alții continuă să lucreze astăzi.
Transport cu abur:
- auto;
- tractor;
- excavator;
- avion;
- locomotivă;
- navă;
- tractor.
Aceasta este istoria invenției mașinilor cu aburi. Putem lua în considerare pe scurt un bun exemplu de mașină de curse Serpoll, creată în 1902. A stabilit un record mondial de viteză de 120 de kilometri pe oră pe uscat. De aceea, mașinile cu abur au fost competitive în raport cu omologii electrici și pe benzină.
Deci, în SUA în 1900, majoritatea motoarelor cu abur au fost produse. S-au întâlnit pe drumuri până în anii treizeci ai secolului XX.
Majoritatea acestor vehicule au devenit nepopulare după apariția motorului cu ardere internă, a cărui eficiență este mult mai mare. Astfel de mașini erau mai economice, în timp ce ușoare și rapide.
Steampunkul ca o tendință în era mașinilor cu aburi
Apropo de motoarele cu aburi, aș dori să menționez tendința populară - steampunk. Termenul este format din două cuvinte în limba engleză - „abur” și „protest”. Steampunk este un fel de science fiction care spune povestea celei de-a doua jumătăți a secolului al XIX-lea în Anglia victoriană. Această perioadă din istorie este adesea denumită Epoca Aburului.
Toate lucrările au una trăsătură distinctivă- povestesc despre viața celei de-a doua jumătăți a secolului al XIX-lea, stilul narațiunii amintește de romanul lui H.G. Wells „Mașina timpului”. Terenurile descriu peisaje urbane, clădiri publice, tehnologie. Un loc special este acordat dirijabilelor, mașinilor vechi, invențiilor bizare. Toate piesele metalice au fost fixate cu nituri, deoarece sudarea nu a fost încă utilizată.
Termenul „steampunk” își are originea în 1987. Popularitatea sa provine din apariția Difference Engine. A fost scrisă în 1990 de William Gibson și Bruce Sterling.
La începutul secolului XXI, mai multe filme celebre au fost lansate în această direcție:
- "Mașina timpului";
- Liga Domnilor extraordinari;
- "Van Helsing".
Înaintașii steampunkului includ operele lui Jules Verne și Grigory Adamov. Interesul pentru acest domeniu se manifestă din când în când în toate sferele vieții - de la cinematograf la haine de zi cu zi.
Motoarele cu aburi au fost folosite ca motoare în stațiile de pompare, locomotive, nave cu aburi, tractoare, vagoane cu aburi și alte vehicule. Mașinile cu aburi au contribuit la utilizarea comercială pe scară largă a mașinilor în fabrici și au oferit baza energetică pentru revoluția industrială din secolul al XVIII-lea. Mai târziu, motoarele cu aburi au fost înlocuite de motoarele cu ardere internă, turbine cu abur, motoare electrice și reactoare nucleare, a căror eficiență este mai mare.
Motorul cu aburi în acțiune
Invenție și dezvoltare
Primul dispozitiv cunoscut, alimentat de un abur, a fost descris de Heron din Alexandria în primul secol - așa-numita „baie a Heron”, sau „eolipil”. Aburul scăpând tangențial din duzele fixate pe bilă l-a făcut să se rotească. Se presupune că transformarea aburului în mișcare mecanică a fost cunoscută în Egipt în perioada romană și a fost utilizată în dispozitive simple.
Primele motoare industriale
Niciunul dintre dispozitivele descrise nu a fost de fapt folosit ca mijloc de rezolvare a problemelor utile. Prima mașină cu aburi folosită în producție a fost o „mașină de pompieri” proiectată de inginerul militar englez Thomas Severy în 1698. Severy a primit un brevet pentru dispozitivul său în 1698. Era o pompă cu abur cu piston și, evident, nu era foarte eficientă, deoarece căldura aburului se pierdea de fiecare dată când recipientul era răcit și era destul de periculos în funcționare, deoarece datorită presiunii ridicate a aburului, containerele și conductele motorului uneori a explodat. Deoarece acest dispozitiv ar putea fi utilizat atât pentru rotirea roților unei mori de apă, cât și pentru pomparea apei din mine, inventatorul l-a numit „prietenul minerului”.
Apoi fierarul englez Thomas Newcomen și-a demonstrat „motorul atmosferic” în 1712, care a fost primul motor cu aburi pentru care ar putea exista cerere comercială. A fost un motor cu aburi Severy îmbunătățit, în care Newcomen a redus semnificativ presiunea de abur de lucru. Newcomen s-ar fi putut baza pe o descriere a experimentelor lui Papen în Societatea Regală din Londra, la care ar fi putut avea acces prin intermediul colegului său Robert Hooke care a lucrat cu Papen.
Schema motorului cu aburi Newcomen.
- Aburul este afișat în violet, apa este afișat în albastru.
- Supapele deschise sunt afișate în verde, supapele închise în roșu
Prima aplicație a motorului Newcomen a fost de a pompa apă dintr-un arbore adânc. În pompa de mină, balansierul a fost conectat la o forță care a coborât în mină către camera pompei. Mișcările de împingere reciproce au fost transmise pistonului pompei, care a furnizat apă către vârf. Supapele motoarelor Newcomen timpurii au fost deschise și închise manual. Prima îmbunătățire a fost automatizarea supapelor, care au fost acționate chiar de mașină. Legenda spune că această îmbunătățire a fost făcută în 1713 de băiatul Humphrey Potter, care a trebuit să deschidă și să închidă supapele; când s-a săturat de asta, a legat mânerele supapelor cu frânghii și s-a dus să se joace cu copiii. Până în 1715, fusese deja creat un sistem de control al pârghiei, acționat de mecanismul motorului însuși.
Primul motor cu abur cu vid cu două cilindri din Rusia a fost proiectat de mecanicul I.I. Polzunov în 1763 și construit în 1764 pentru a acționa burduful suflantei la fabricile Barnaul Kolyvano-Voskresensk.
Humphrey Gainsborough a construit un model de motor cu abur cu condensator în anii 1760. În 1769, mecanicul scoțian James Watt (folosind eventual ideile lui Gainsborough) a brevetat primele îmbunătățiri semnificative ale motorului de vid al lui Newcomen, care l-au făcut semnificativ mai eficient din punct de vedere al consumului de combustibil. Contribuția lui Watt a fost separarea fazei de condensare a motorului de vid într-o cameră separată, în timp ce pistonul și cilindrul erau la temperatura aburului. Watt a adăugat încă câteva la motorul Newcomen detalii importante: a plasat un piston în interiorul cilindrului pentru a expulza aburul și a transformat mișcarea alternativă a pistonului într-o mișcare de rotație a roții motrice.
Pe baza acestor brevete, Watt a construit o mașină cu aburi la Birmingham. Până în 1782, motorul cu aburi al lui Watt era de peste 3 ori capacitatea mașinii Newcomen. Îmbunătățirea eficienței motorului Watt a condus la utilizarea energiei cu abur în industrie. În plus, spre deosebire de motorul Newcomen, motorul Watt a făcut posibilă transmiterea mișcării de rotație, în timp ce la primele modele de motoare cu aburi, pistonul era conectat la basculă, mai degrabă decât direct la bielă. Acest motor avea deja caracteristicile de bază ale motoarelor moderne cu aburi.
O creștere suplimentară a eficienței a fost utilizarea aburului de înaltă presiune (americanul Oliver Evans și englezul Richard Trevithick). R. Trevithick a construit cu succes motoare industriale cu o singură cursă, de înaltă presiune, cunoscute sub numele de „motoare Cornish”. Au funcționat la 50 psi, sau 345 kPa (3.405 atmosfere). Cu toate acestea, odată cu creșterea presiunii, a existat, de asemenea, un mare pericol de explozie la mașini și cazane, ceea ce a dus inițial la numeroase accidente. Din acest punct de vedere, cel mai important element al mașinii de înaltă presiune a fost supapa de siguranță, care a eliberat excesul de presiune. Funcționarea sigură și sigură a început numai cu acumularea de experiență și standardizarea procedurilor pentru construcția, funcționarea și întreținerea echipamentelor.
Inventatorul francez Nicholas-Joseph Cugno a demonstrat în 1769 primul vehicul cu abur autopropulsat operațional: „fardier à vapeur” (căruța cu aburi). Poate că invenția sa poate fi considerată prima mașină. Tractorul cu aburi autopropulsat s-a dovedit a fi foarte util ca sursă mobilă de energie mecanică, care a pus în mișcare alte mașini agricole: treier, prese etc. În 1788, o barcă cu aburi construită de John Fitch desfășura deja un serviciu regulat. pe râul Delaware între Philadelphia (Pennsylvania) și Burlington (statul New York). A ridicat 30 de pasageri la bord și a mers cu o viteză de 7-8 mile pe oră. Aburiul lui J. Fitch nu a avut succes din punct de vedere comercial, deoarece un drum rutier bun a concurat cu traseul său. În 1802, inginerul scoțian William Symington a construit un abur competitiv, iar în 1807 inginerul american Robert Fulton a folosit motorul cu aburi Watt pentru a alimenta primul vapor cu succes comercial. La 21 februarie 1804, prima locomotivă cu aburi feroviare autopropulsată, construită de Richard Trevithick, a fost expusă la Penidarren Steel Works din Merthyr Tydville, în sudul Țării Galilor.
Motoare cu aburi alternative
Motoarele alternative folosesc energia aburului pentru a deplasa un piston într-o cameră sau cilindru etanș. Acțiunea alternativă a pistonului poate fi transformată mecanic în mișcare liniară a pompelor cu piston sau în mișcare rotativă pentru a acționa părți rotative ale mașinilor-unelte sau ale roților vehiculului.
Mașini cu vid
Primele motoare cu aburi au fost numite inițial „motoare de pompieri” și motoarele „atmosferice” sau „condensate” ale lui Watt. Acestea au funcționat pe un principiu de vid și, prin urmare, sunt cunoscute și sub denumirea de „motoare de vid”. Astfel de mașini au funcționat pentru acționarea pompelor cu piston, în orice caz, nu există dovezi că ar fi fost utilizate în alte scopuri. Când funcționează un motor cu abur de tip vid, la începutul cursei, aburul de joasă presiune este admis în camera de lucru sau în cilindru. Supapa de admisie este apoi închisă și aburul este răcit și condensat. Într-un motor Newcomen, apa de răcire este pulverizată direct în cilindru și condensul se scurge într-un colector de condens. Acest lucru creează un vid în cilindru. Presiunea atmosferică din partea superioară a cilindrului apasă pe piston și determină deplasarea în jos, adică cursa de lucru.
Răcirea și reîncălzirea constantă a cilindrului sclav al mașinii au fost foarte risipitoare și ineficiente, cu toate acestea, aceste motoare cu aburi au putut pompa apa de la adâncimi mai adânci decât era posibil înainte de apariția lor. În an, a apărut o versiune a motorului cu aburi, creată de Watt în colaborare cu Matthew Boulton, a cărei principală inovație a fost îndepărtarea procesului de condensare într-o cameră separată specială (condensator). Această cameră a fost plasată într-o baie de apă rece și conectată la cilindru printr-un tub suprapus de o supapă. O pompă specială mică de vid (un prototip al unei pompe de condens) a fost conectată la camera de condensare, acționată de un basculant și utilizată pentru a îndepărta condensul din condensator. Format apa fierbinte a fost alimentat de o pompă specială (un prototip de pompă de alimentare) înapoi în cazan. O altă inovație radicală a fost închiderea capătului superior al cilindrului de lucru, în partea superioară a căruia se afla acum abur de presiune scăzută. Același abur era prezent în dublul sac al cilindrului, susținându-l temperatura constantă... În timpul mișcării ascendente a pistonului, acest vapor a fost transmis prin țevi speciale către partea inferioară a cilindrului, pentru a fi condensat în cursa următoare. De fapt, mașina a încetat să mai fie „atmosferică”, iar puterea sa depindea acum de diferența de presiune dintre aburul de joasă presiune și vidul pe care îl putea obține. În motorul cu aburi Newcomen, pistonul a fost lubrifiat cu o cantitate mică de apă turnată pe el de sus, în mașina lui Watt acest lucru a devenit imposibil, deoarece acum exista abur în partea superioară a cilindrului, a fost necesar să se treacă la ungere cu un amestec de grăsime și ulei. Aceeași grăsime a fost utilizată în garnitura de etanșare a tijei cilindrului.
Motoarele cu abur cu vid, în ciuda limitelor evidente ale eficienței lor, erau relativ sigure, foloseau abur de joasă presiune, ceea ce era destul de consistent cu nivelul general scăzut al tehnologiei cazanelor din secolul al XVIII-lea. Puterea mașinii a fost limitată de presiunea scăzută a aburului, dimensiunea cilindrilor, rata de ardere a combustibilului și evaporarea apei în cazan, precum și dimensiunea condensatorului. Eficiența teoretică maximă a fost limitată de diferența de temperatură relativ mică pe ambele părți ale pistonului; acest lucru a făcut ca mașinile de vid destinate uzului industrial să fie prea mari și costisitoare.
Comprimare
Orificiul de ieșire al cilindrului motorului cu aburi se închide puțin mai devreme decât pistonul ajunge la poziția sa finală, ceea ce lasă o parte din aburul de evacuare în cilindru. Aceasta înseamnă că există o fază de compresie în ciclul de funcționare, care formează așa-numita „pernă de abur”, care încetinește mișcarea pistonului în pozițiile sale extreme. De asemenea, elimină căderea bruscă de presiune chiar la începutul fazei de admisie atunci când aburul proaspăt intră în cilindru.
Avans
Efectul descris al „pernei cu abur” este, de asemenea, sporit de faptul că admisia de abur proaspăt în cilindru începe ceva mai devreme decât pistonul ajunge la poziția finală, adică există un avans în avans. Acest avans este necesar pentru ca înainte ca pistonul să înceapă cursa de lucru sub acțiunea aburului proaspăt, aburul ar avea timp să umple spațiul mort care a apărut ca urmare a fazei anterioare, adică canalele de admisie-evacuare și volumul cilindrului care nu este utilizat pentru mișcarea pistonului.
Extensie simplă
Expansiunea simplă presupune că aburul funcționează numai atunci când se extinde în cilindru, iar aburul evacuat este eliberat direct în atmosferă sau intră într-un condensator special. În acest caz, căldura reziduală a aburului poate fi utilizată, de exemplu, pentru încălzirea unei încăperi sau a unui vehicul, precum și pentru preîncălzirea apei care intră în cazan.
Compus
În timpul procesului de expansiune în cilindrul mașinii de înaltă presiune, temperatura aburului scade proporțional cu expansiunea sa. Deoarece nu există schimb de căldură în acest caz (proces adiabatic), se dovedește că aburul pătrunde în cilindru cu o temperatură mai mare decât pleacă. Astfel de schimbări de temperatură în cilindru conduc la o scădere a eficienței procesului.
Una dintre metodele de abordare a acestei diferențe de temperatură a fost propusă în 1804 de inginerul englez Arthur Wolfe, care a brevetat Mașină de abur compus de înaltă presiune Wolfe... În această mașină, aburul de temperatură ridicată de la un cazan de abur a fost introdus într-un cilindru de înaltă presiune și, după aceea, aburul evacuat în el cu o temperatură și presiune mai mici a intrat în cilindrul de presiune joasă (sau cilindrii). Acest lucru a redus diferența de temperatură în fiecare cilindru, ceea ce, în general, a redus pierderile de temperatură și a îmbunătățit eficiența generală a motorului cu aburi. Aburul de joasă presiune a avut un volum mai mare și, prin urmare, a necesitat un volum mai mare al cilindrilor. Prin urmare, la mașinile compuse, cilindrii de joasă presiune aveau un diametru mai mare (și uneori mai lung) decât cilindrii de înaltă presiune.
Acest lucru este, de asemenea, cunoscut sub numele de dublă expansiune, deoarece expansiunea aburului are loc în două etape. Uneori, un cilindru de înaltă presiune a fost asociat cu doi cilindri de joasă presiune, rezultând trei cilindri de aproximativ aceeași dimensiune. Acest aranjament era mai ușor de echilibrat.
Mașinile de amestecat cu doi cilindri pot fi clasificate ca:
- Compus încrucișat- Cilindrii sunt amplasați unul lângă altul, conductele lor de abur sunt încrucișate.
- Compus tandem- Cilindrii sunt aranjați în serie și utilizează o tijă.
- Compus de colț- Cilindrii sunt înclinați între ei, de obicei la 90 de grade, și lucrează pe o manivelă.
După anii 1880, motoarele cu aburi compuse s-au răspândit în producție și transport și au devenit practic singurul tip utilizat pe navele cu aburi. Utilizarea lor la locomotivele cu aburi nu a fost atât de răspândită, deoarece s-au dovedit a fi prea dificile, în parte datorită faptului că condițiile de lucru ale motoarelor cu aburi pe transportul feroviar erau dificile. În ciuda faptului că locomotivele compuse nu au devenit niciodată un fenomen de masă (în special în Marea Britanie, unde erau foarte rare și deloc folosite după anii 1930), au câștigat o oarecare popularitate în mai multe țări.
Extensie multiplă
Diagrama simplificată a unui motor cu aburi cu triplă expansiune.
Aburul de înaltă presiune (roșu) din cazan trece prin mașină, lăsând condensatorul la presiune scăzută (albastru).
Dezvoltarea logică a schemei compuse a fost adăugarea de etape de expansiune suplimentare la aceasta, ceea ce a sporit eficiența muncii. Rezultatul a fost o schemă de expansiune multiplă cunoscută sub numele de mașini de expansiune triplă sau chiar cvadruplă. Aceste motoare cu aburi foloseau o serie de cilindri cu efect dublu, al căror volum a crescut cu fiecare treaptă. Uneori, în loc să crească volumul buteliilor de joasă presiune, a fost utilizată o creștere a numărului lor, la fel ca la unele mașini compuse.
Imaginea din dreapta arată funcționarea unui motor cu aburi cu trei expansiuni. Aburul curge prin mașină de la stânga la dreapta. Blocul supapelor fiecărui cilindru este situat în stânga cilindrului corespunzător.
Apariția acestui tip de motoare cu aburi a devenit deosebit de relevantă pentru flotă, deoarece cerințele de mărime și greutate pentru vehiculele navei nu erau foarte stricte și, cel mai important, o astfel de schemă a făcut posibilă utilizarea cu ușurință a unui condensator care returnează aburul uzat în formă de apă proaspătă înapoi la cazan (utilizați sărată apa de mare nu a fost posibilă alimentarea cazanelor). De obicei, motoarele cu aburi de la sol nu au avut probleme cu alimentarea cu apă și, prin urmare, ar putea descărca aburul rezidual în atmosferă. Prin urmare, o astfel de schemă a fost mai puțin relevantă pentru ei, mai ales având în vedere complexitatea, dimensiunea și greutatea sa. Dominanța motoarelor cu aburi cu expansiune multiplă s-a încheiat numai odată cu apariția și utilizarea pe scară largă a turbinelor cu abur. Cu toate acestea, turbinele moderne cu abur folosesc același principiu de a împărți debitul în cilindri cu presiune ridicată, medie și joasă.
Mașini cu abur cu flux direct
Motoarele cu abur cu flux direct au apărut ca urmare a unei încercări de a depăși un dezavantaj inerent motoarelor cu abur cu distribuție tradițională a aburului. Faptul este că aburul dintr-un motor convențional cu aburi își schimbă în mod constant direcția de mișcare, deoarece aceeași fereastră de pe fiecare parte a cilindrului este utilizată atât pentru intrarea cât și pentru ieșirea aburului. Când aburul de evacuare părăsește cilindrul, acesta răcește pereții și canalele de distribuție a aburului. Aburul proaspăt, în consecință, cheltuiește o anumită parte a energiei pentru încălzirea lor, ceea ce duce la o scădere a eficienței. Mașinile cu abur cu flux direct au o fereastră suplimentară, care este deschisă de un piston la sfârșitul fiecărei faze și prin care aburul părăsește cilindrul. Acest lucru crește eficiența mașinii, deoarece aburul se mișcă într-o direcție și gradientul de temperatură al pereților cilindrului rămâne mai mult sau mai puțin constant. Mașinile cu co-flux cu expansiune simplă arată aproximativ aceeași eficiență ca și mașinile compuse cu distribuție convențională a aburului. În plus, pot funcționa la viteze mai mari și, prin urmare, înainte de apariția turbinelor cu abur, erau adesea folosite pentru a conduce generatoare de energie care necesită viteză mare.
Motoarele cu abur cu flux direct sunt disponibile atât cu acțiune simplă, cât și cu acțiune dublă.
Turbine cu abur
O turbină cu abur este o serie de discuri rotative montate pe o singură axă, numită rotor de turbină, și o serie de discuri staționare alternante fixate pe o bază, numite stator. Discurile rotorului au lame în exterior, aburul este furnizat acestor lame și întoarce discurile. Discurile stator au palete similare, stabilite la unghiul opus, care servesc la redirecționarea fluxului de abur către următoarele discuri rotor. Fiecare disc rotor și discul stator corespunzător sunt denumite stadiu de turbină. Numărul și dimensiunea etapelor fiecărei turbine sunt selectate în așa fel încât să maximizeze utilizarea energiei utile a aburului la aceeași viteză și presiune care îi este furnizată. Aburul de evacuare care iese din turbină intră în condensator. Turbinele se rotesc cu o viteză foarte mare și, prin urmare, transmisiile speciale de reducere sunt utilizate de obicei atunci când se transferă rotația către alte echipamente. În plus, turbinele nu pot schimba direcția de rotație și adesea necesită mecanisme suplimentare de inversare (uneori sunt utilizate etape suplimentare de rotație inversă).
Turbinele transformă energia aburului direct în rotație și nu necesită mecanisme suplimentare pentru a transforma mișcarea alternativă în rotație. În plus, turbinele sunt mai compacte decât mașinile cu mișcare alternativă și au o forță constantă pe arborele de ieșire. Deoarece turbinele sunt mai simple ca design, ele necesită în general mai puțină întreținere.
Alte tipuri de motoare cu aburi
Cerere
Mașinile cu aburi pot fi clasificate în funcție de aplicația lor după cum urmează:
Mașini staționare
Ciocan cu aburi
Mașină cu aburi într-o fabrică veche de zahăr, Cuba
Mașinile de abur staționare pot fi împărțite în două tipuri în funcție de modul de utilizare:
- Mașini cu viteză variabilă, care includ mașini de laminat, trolii cu abur și dispozitive similare care trebuie să se oprească frecvent și să schimbe direcția de rotație.
- Mașini electrice care se opresc rar și nu ar trebui să schimbe direcția de rotație. Acestea includ motoare electrice în centrale electrice, precum și motoare industriale utilizate în fabrici, fabrici și căi ferate de cablu înainte de adoptarea pe scară largă a tracțiunii electrice. Motoarele cu putere redusă sunt utilizate pe modelele de nave și dispozitivele speciale.
Troliul cu abur este în esență un motor staționar, dar este montat pe un cadru de bază, astfel încât să poată fi mutat. Poate fi fixat cu un cablu la ancoră și mutat prin propria tracțiune într-un loc nou.
Mașini de transport
Motoarele cu aburi au fost folosite pentru a conduce diferite tipuri de vehicule, printre care:
- Vehicule terestre:
- Mașină cu aburi
- Tractor cu aburi
- Excavator cu abur și chiar
- Avion cu aburi.
În Rusia, prima locomotivă cu abur care a funcționat a fost construită de E. A. și M. E. Cherepanov la uzina de la Nizhne-Tagil în 1834 pentru transportul minereului. El a dezvoltat o viteză de 13 mile pe oră și a transportat peste 200 de pudre (3,2 tone) de marfă. Lungimea primei căi ferate a fost de 850 m.
Avantajele motoarelor cu aburi
Principalul avantaj al motoarelor cu aburi este că pot folosi aproape orice sursă de căldură pentru ao transforma în lucru mecanic. Acest lucru le diferențiază de motoarele cu ardere internă, fiecare tip care necesită utilizarea unui anumit tip de combustibil. Acest avantaj este cel mai vizibil atunci când se folosește energia nucleară, deoarece un reactor nuclear nu este capabil să genereze energie mecanică, ci produce doar căldură, care este utilizată pentru a genera abur care acționează motoarele cu aburi (de obicei turbine cu aburi). În plus, există și alte surse de căldură care nu pot fi utilizate în motoarele cu ardere internă, cum ar fi energia solară. O direcție interesantă este utilizarea energiei diferenței de temperatură a Oceanului Mondial la diferite adâncimi.
Alte tipuri de motoare cu ardere externă, cum ar fi motorul Stirling, au, de asemenea, proprietăți similare, care pot oferi o eficiență foarte mare, dar sunt semnificativ mai mari ca greutate și dimensiune decât tipurile moderne de motoare cu aburi.
Locomotivele cu abur se comportă bine la altitudini mari, deoarece eficiența lor nu scade din cauza presiunii atmosferice scăzute. Locomotivele cu aburi sunt folosite și astăzi în regiunile muntoase din America Latină, în ciuda faptului că pe terenul plat au fost înlocuite de mult timp cu tipuri mai moderne de locomotive.
În Elveția (Brienz Rothhorn) și Austria (Schafberg Bahn), noile locomotive cu abur uscat și-au dovedit valoarea. Acest tip de locomotivă cu abur a fost dezvoltat pe baza modelelor Swiss Locomotive and Machine Works (SLM), cu multe îmbunătățiri moderne, cum ar fi utilizarea rulmenților cu role, izolația termică modernă, arderea fracțiunilor de ulei ușor ca combustibil, liniile de abur îmbunătățite , etc. ... Drept urmare, aceste locomotive au un consum de combustibil cu 60% mai mic și cerințe de întreținere semnificativ mai mici. Calitățile economice ale acestor locomotive sunt comparabile cu cele ale locomotivelor moderne diesel și electrice.
În plus, locomotivele cu aburi sunt semnificativ mai ușoare decât cele diesel și electrice, ceea ce este deosebit de important pentru căile ferate montane. Particularitatea motoarelor cu aburi este că nu au nevoie de transmisie, transmițând puterea direct pe roți.
Eficienţă
Coeficientul de performanță (eficiența) unui motor termic poate fi definit ca raportul dintre lucrările mecanice utile și cantitatea consumată de căldură conținută în combustibil. Restul energiei este eliberat în mediu sub formă de căldură. Eficiența motorului termic este
Istoria mașinilor cu aburi datează din secolul I d.Hr., când Heron din Alexandria a descris pentru prima dată eolipilul. Mai mult de 1.500 de ani mai târziu, în 1551, omul de știință otoman Takyuddin ash-shami a descris turbine primitive conduse de abur, iar în 1629 o descoperire similară a fost făcută de Giovanni Branca. Aceste dispozitive erau scuipătoare pentru prăjirea cu abur sau unelte mici. Practic, astfel de modele au fost folosite de inventatori pentru a demonstra puterea aburului și pentru a demonstra că nu ar trebui subestimată.
În anii 1700, minerii s-au confruntat cu o provocare serioasă - nevoia de a pompa apa din minele adânci. Aceeași putere a aburului a venit în salvare. Cu ajutorul energiei aburului, a fost posibilă pomparea apei din mine. Această aplicație a descoperit puterea potențială a aburului și a condus la inventarea motorului cu abur. Centralele cu abur au apărut mai târziu. Principiul principal din spatele motoarelor cu aburi este „condensarea vaporilor de apă pentru a crea un vid parțial”.
Thomas Severi și primele motoare industriale
Thomas Severi a inventat prima dată pompa de abur în 1698 pentru a pompa apa. Această invenție este adesea denumită „motorul de pompieri” sau motorul pentru „ridicarea apei cu focul”. Pompa de abur, brevetată de Severi, a funcționat prin fierberea apei până când a fost transformată complet în abur. Apoi, fiecare picătură de abur s-a ridicat în rezervor și s-a format un vid în recipientul în care se afla inițial apa. Acest vid a fost folosit pentru a pompa apa din minele adânci. Dar decizia sa dovedit a fi temporară, deoarece energia aburului a fost suficientă doar pentru a pompa apa de la o adâncime de câțiva metri. Un alt dezavantaj al acestui design a fost utilizarea presiunii aburului pentru evacuarea apei aspirate în rezervor. Presiunea a fost prea mare pentru cazane, ceea ce a provocat o serie de explozii violente.
Mașini de joasă presiune
Consumul ridicat de cărbune inerent motoarelor cu aburi de la Newcomen a fost redus datorită inovațiilor lui James Watt. Cilindrul mașinii de joasă presiune a fost echipat cu protecție termică, un condensator separat și un mecanism de scurgere a apei condensate. Astfel, consumul de cărbune la mașinile de joasă presiune a fost redus cu peste 50%.
Ivan Polzunov și primul motor cu două cilindri cu aburi
Prima mașină cu aburi rusească a fost inventată de Ivan Polzunov. Motorul său cu două cilindri cu aburi era mai puternic decât motoarele britanice cu aspirație naturală. Au ajuns la o putere de 24 kW. Un model al motorului cu aburi cu doi cilindri al lui Polzunov este expus la Muzeul Barnaul.
Motorul cu aburi al lui Thomas Newcomen
În 1712, Thomas Newcomen a inventat mașina cu aburi, care a avut un mare succes din punct de vedere practic. Modelul său a constat dintr-un piston sau cilindru care a propulsat un imens bloc de lemn pentru a porni o pompă de apă. Mișcarea înapoi în mașină a acționat datorită gravitației, care a împins capătul punții în jos din partea pompei. Mașina Newcomen este în uz activ de 50 de ani. Apoi a fost recunoscut ca ineficient, deoarece a fost nevoie de multă energie pentru a funcționa activ. A fost necesar să se încălzească cilindrul, deoarece acesta se răcea constant, în urma căruia s-a ars mult combustibil.
Îmbunătățiri de James Watt
James Watt a revoluționat istoria motoarelor cu aburi introducând un condensator separat în designul original. El a introdus această inovație în 1765. Dar numai 11 ani mai târziu, a fost posibil să se realizeze un design care să poată fi folosit la scară industrială. Cel mai o problema mareîn implementarea ideii lui Watt a fost tehnologia creării unui piston uriaș pentru a menține cantitatea necesară de vid. Dar în curând tehnologia a făcut progrese mari și, de îndată ce brevetul a primit fonduri suficiente, motorul cu aburi al lui Watt a început să fie utilizat în mod activ pe căi ferate și nave. În Statele Unite, mai mult de 60.000 de mașini au fost alimentate cu motoare cu aburi în perioada 1897-1927.
Mașini de înaltă presiune
În 1800, Richard Trevithick a inventat motoarele cu abur de înaltă presiune. Comparativ cu toate modelele de aburi inventate anterior, această opțiune a fost cea mai puternică. Dar adevăratul succes a fost designul propus de Oliver Evans. S-a bazat pe ideea de a conduce un motor în mișcare cu abur, mai degrabă decât de condensare a aburului pentru a crea un vid. Evans a inventat primul motor cu abur de înaltă presiune, fără condensare, în 1805. Mașina era staționară și avea 30 rpm. Această mașină a fost inițial utilizată pentru a conduce un ferăstrău. Astfel de mașini erau susținute de rezervoare uriașe de apă, care erau încălzite de o sursă de căldură plasată direct sub rezervor, ceea ce făcea posibilă generarea eficientă a cantității necesare de abur.
În curând, aceste motoare cu aburi au fost utilizate pe scară largă în bărci cu motor și căi ferate, în 1802 și, respectiv, în 1829. Aproape jumătate de secol mai târziu, au apărut primele vagoane cu aburi. Charles Algernon Parsons a inventat prima turbină cu abur în 1880. La începutul secolului al XX-lea, motoarele cu aburi erau utilizate pe scară largă în automobile și în construcțiile navale.
Motoare cu abur din Cornish
Richard Trevetik a încercat să îmbunătățească pompa de abur inventată de Watt. A fost modificat pentru a fi utilizat în cazanele din Cornish inventate de Treveticus. Eficiența motorului cu aburi din Cornwall a fost mult îmbunătățită de William Sims, Arthur Wolfe și Samuel Gruz. Motoarele cu aburi Cornish actualizate au constat din țevi izolate, un motor și cazane pentru o eficiență sporită.
În contact cu
Primul motor cu abur cu două cilindri din Rusia a fost proiectat de mecanicul I.I. Polzunov în 1763 și construit în 1764 în Barnaul. James Watt, care a fost membru al comisiei pentru acceptarea invenției lui Polzunov, în aprilie 1784 la Londra a primit un brevet pentru o mașină cu aburi și este considerat inventatorul ei!Polzunov, Ivan Ivanovici
- un mecanic care a amenajat prima mașină cu aburi din Rusia; fiul unui soldat al companiilor montane din Ekaterinburg, avea zece ani și a intrat în școala de aritmetică din Ekaterinburg, unde a absolvit cursul cu gradul de student la mecanică. Printre mai mulți tineri, Polzunov a fost trimis la Barnaul la fabricile miniere de stat, unde în 1763 era șikhtmeister. Fiind angajat în construcția de mașini cu motoare cu apă folosite la topitoriile și minele, Polzunov a atras atenția asupra dificultății de a aranja astfel de mașini în zone îndepărtate de râuri și s-a stabilit pe ideea utilizării aburului ca motor. Există unele dovezi care sugerează că acest gând nu a apărut în mintea lui în mod independent, ci sub influența cărții lui Schlatter: „A Comprehensive Instruction to Ore Business” (St. Petersburg, 1760), în capitolul al zecelea din care prima descriere a unei mașini cu aburi, și anume o mașină, este tipărită în Newcomen rus. Polzunov a preluat energic implementarea ideii sale, a început să studieze rezistența și proprietățile vaporilor de apă, a întocmit desene, a făcut modele. După ce a fost convins, după îndelungate cercetări și experimente, că era posibil să se înlocuiască forța motrice a apei cu abur și să o demonstreze pe modele, Polzunov în aprilie 1763 s-a îndreptat către șeful fabricilor Kolyvano-Voskresensk, generalul maior AI Poroshin, cu o scrisoare în care, după ce a expus motivele care l-au determinat să găsească o nouă forță, a cerut fonduri pentru a construi „mașina de foc” pe care o inventase. Despre proiectul lui Polzunov a fost raportat Cabinetului Majestății Sale cu o petiție pentru eliberarea sumei necesare construcției mașinii. Potrivit raportului Cabinetului, a urmat un decret al Ecaterinei a II-a, cu care ea, „pentru mare încurajare”, l-a acordat pe Polzunov mecanicilor cu un salariu și gradul de inginer căpitan-locotenent, a ordonat să dea 400 de ruble ca o recompensa. și a subliniat, „dacă nu este nevoie la fabrici, trimiteți-l la Sankt Petersburg, cu argint” timp de doi sau trei ani la Academia de Științe, pentru a completa învățământul. Însă autoritățile nu l-au lăsat pe Polzunov să plece și au cerut să fie trimis la Academia de Științe pentru a fi anulat pentru o perioadă de timp, „pentru că aici, pentru a aduce acea mașină în practică în perechi, este o nevoie extremă”. Având în vedere acest lucru, Polzunov a trebuit să rămână în Siberia până la sfârșitul cazului. Până atunci, eliberarea celor 400 de ruble menționate mai sus a fost, de asemenea, amânată. Potrivit estimării prezentate de acesta, sumele și materialele necesare i-au fost eliberate și i s-a oferit posibilitatea de a începe construcția. La 20 mai 1765, Polzunov anunțase deja că lucrările pregătitoare au fost finalizate și că mașina va fi pusă în funcțiune în octombrie același an. Dar până atunci mașina nu era gata. O masă de dificultăți neprevăzute și lipsa de experiență a lucrătorilor au încetinit progresul lucrării. În plus, multe dintre materialele necesare construirii mașinii nu au putut fi obținute în Siberia. A trebuit să le scriu din Ekaterinburg și să aștept livrarea în câteva luni. În decembrie 1765 Polzunov a terminat mașina, după ce a cheltuit 7435 de ruble pe ea. 51 copeici Cu toate acestea, nu a reușit să-și vadă invenția în acțiune. Testul mașinii a fost programat la Barnaul pe 20 mai 1766, iar pe 16 mai din același an, Polzunov murise deja „din cauza sângerărilor laringiene severe”. Mașina lui Polzunov, sub conducerea studenților săi Levzin și Chernitsin, a topit 9335 p. Minereuri Zmeenogorsk în Barnaul în termen de două luni, dar în curând funcționarea sa în Barnaul a fost întreruptă „ca inutilă” și nu există informații dacă a fost folosită pe cele care nu avea motoare cu apă. Fabrica de la Zmeinogorsk și mina Semyonovsky, unde inițial au fost intenționate chiar de inventator și de superiorii săi, în 1780, „construită de Polzunov, mașina și structura, acționate în perechi, au fost sparte. " Muzeul Mineritului Barnaul are un model al mașinii lui Polzunov. Polzunov nu poate fi recunoscut, ca unii, onoarea de a inventa primul motor cu aburi. Cu toate acestea, mașina lui Polzunov a fost într-adevăr prima mașină cu aburi construită în Rusia, care nu a fost comandată din străinătate; utilizarea unui motor cu abur în 1765, nu pentru ridicarea apei, ci pentru un alt scop industrial, ar trebui considerată o invenție independentă, deoarece în Anglia prima utilizare a unui motor cu abur pentru injecția de aer s-a făcut abia în 1765.
Acumularea de noi cunoștințe practice în secolele XVI - XVII a dus la creșteri nemaiauzite ale gândirii umane. Roțile de apă și vânt rotesc mașinile, pun în mișcare burdufurile, ajută metalurgienii să ridice minereul din mine, adică acolo unde mâinile omului nu pot face față muncii grele, energia apei și a vântului le vine în ajutor. Principalele realizări ale tehnologiei din acea vreme nu se datorează atât oamenilor de știință și științei, cât munca minuțioasă a inventatorilor calificați. Realizările în tehnologia minieră, în extragerea diferitelor minereuri și minerale au fost deosebit de mari. Era necesar să ridicați minereul minat sau cărbunele din mină, pompând tot timpul apele subterane care inundau dezvoltarea, alimentând în mod constant aerul la mină, și era nevoie de multe alte lucrări care necesită multă muncă, pentru a nu opri exploatarea. Astfel, industria în curs de dezvoltare necesita imperios din ce în ce mai multă energie și poate fi furnizată în acele zile în principal de roți de apă. Au învățat deja să construiască suficient de puternic. În legătură cu creșterea puterii roților, metalul a început să fie utilizat din ce în ce mai mult pentru arbori și alte părți. În Franța, pe râul Sena în 1682, maestrul R. Salem sub conducerea lui A. de Ville a construit cea mai mare instalație de atunci, formată din 13 roți cu un diametru de 8 m, care au servit la acționarea a peste 200 de pompe care a furnizat apă la o înălțime de peste 160 m și a furnizat apă pentru fântânile de la Versailles și Marly. Primele fabrici de bumbac foloseau un motor hidraulic. Mașinile de filat ale lui Arkwright au fost alimentate cu apă de la început. Cu toate acestea, roțile de apă nu pot fi instalate decât pe un râu, de preferință cu curgere completă și rapide. Și dacă o fabrică de prelucrare a textilelor sau metalelor ar putea fi construită în continuare pe malurile râului, atunci zăcămintele de minereu sau cusăturile de cărbune trebuiau dezvoltate numai în locurile de apariție. Și energia a fost necesară și pentru a pompa apele subterane care au inundat mina și pentru a ridica minereul minat sau cărbunele la suprafață. Prin urmare, în minele îndepărtate de râuri, a fost necesar să se utilizeze numai puterea animalelor.
Proprietarul unei mine engleze în 1702 a trebuit să păstreze 500 de cai pentru a opera pompele care pompează apa din mină, ceea ce era foarte neprofitabil.
Industria în curs de dezvoltare a necesitat motoare puternice de un nou tip care să permită crearea producției oriunde. Primul impuls pentru crearea de noi motoare care pot funcționa oriunde, indiferent dacă există sau nu un râu în apropiere, a fost tocmai nevoia de pompe și ascensoare în metalurgie și minerit.
Capacitatea aburului de a efectua lucrări mecanice este cunoscută de mult timp de către om. Primele urme ale utilizării inteligente a aburului în mecanică sunt menționate în 1545 în Spania, când era un căpitan de marină
Blasco de Garay a proiectat o mașină cu care a pus în mișcare roțile cu palete laterale ale navei și care, din ordinul lui Carol al V-lea, a fost testată prima dată în portul Barcelonei atunci când transporta 4000 de centenari de marfă cu o navă pe o distanță de trei mile marine în doua ore. Inventatorul a fost recompensat, dar mașina în sine a rămas fără utilizare și a fost trimisă spre uitare.
La sfârșitul secolului al XVII-lea, în țările cu cea mai dezvoltată producție de fabricație, s-au născut elemente ale noii tehnologii de mașini folosind proprietățile și puterea vaporilor de apă.
Încercările timpurii de a crea un motor termic au fost asociate cu necesitatea de a pompa apa din minele în care a fost extras combustibilul. În 1698, englezul Thomas Severi, fost miner și apoi căpitan al marinei comerciale, a propus mai întâi pomparea apei cu ajutorul unui lift cu apă cu aburi. Brevetul lui Severi scria: „Această nouă invenție de creștere a apei și obținerea mișcării pentru toate tipurile de producție cu forța motrice a focului este de o mare importanță pentru scurgerea minelor, furnizarea de apă orașelor și producerea de energie motrice pentru fabrici de toate tipurile care nu pot utiliza puterea apei sau constantă lucrarea vântului. " Ridicatorul de apă Severi a funcționat pe principiul aspirării apei din cauza presiunii atmosferice în cameră, unde a fost creat un vid în timpul condensării aburului cu apă rece. Mașinile cu aburi ale lui Severi erau extrem de neeconomice și incomode în exploatare, nu puteau fi adaptate pentru a opera mașini-unelte, consumau o cantitate uriașă de apă caldă, eficiența lor nu era mai mare de 0,3%. Cu toate acestea, cererea de pompare a apei din mine a fost atât de mare încât chiar și aceste mașini de abur voluminoase, cum ar fi o pompă, au obținut o oarecare acceptare.
Thomas Newcomen (1663-1729) - inventator englez, fierar de profesie. Împreună cu jucătorul J. Cowley, a construit o pompă de abur, experimentele de îmbunătățire care au durat aproximativ 10 ani, până când a început să funcționeze corect. Motorul cu aburi al lui Newcomen nu era un motor universal. Meritul lui Newcomen este că el a fost unul dintre primii care a implementat ideea de a folosi aburul pentru a obține lucrări mecanice. Numele său poartă Societatea istoricilor tehnologici din Marea Britanie. În 1711, Newcomen, Cowley și Severi au format „Compania deținătorilor de drepturi a invenției unei instalații pentru creșterea apei prin foc”. În timp ce acești inventatori dețineau un brevet pentru „utilizarea puterii focului”, toată munca lor privind fabricarea mașinilor cu aburi a fost realizată în cea mai strictă încredere. Suedezul Trivald, care regla mașinile Newcomen, a scris: „... inventatorii Newcomen și Cowley au fost foarte suspicioși și atenți să păstreze secretul construcției și aplicării invenției lor pentru ei și copiii lor. Trimis spaniol la Curtea engleză care a venit din Londra cu un alai mare de străini pentru a vedea noua invenție, nici măcar nu i s-a permis să intre în camera în care erau amplasate mașinile. " Dar în anii 20 ai secolului al XVIII-lea, brevetul s-a încheiat și mulți ingineri au început să fabrice instalații de ridicare a apei. A apărut literatura care descrie aceste atitudini.
Răspândirea motoarelor universale cu abur în Anglia până la începutul secolului al XIX-lea. confirmă importanța enormă a noii invenții. Dacă pentru deceniul din 1775 până în 1785. Au fost construite 66 de mașini cu efect dublu, cu o capacitate totală de 1288 CP, apoi din 1785 până în 1795. Au fost deja create 144 de mașini cu efect dublu, cu o capacitate totală de 2009 CP, iar în următorii cinci ani - între 1795 și 1800. - 79 de mașini cu o capacitate totală de 1296 CP
De fapt, utilizarea industrială a motorului cu aburi a început în 1710, când muncitorii englezi Newcomen și Cowley au construit pentru prima dată un motor cu abur care alimenta o pompă instalată într-o mină pentru a pompa apa din ea.
Cu toate acestea, mașina Newcomen nu era un motor cu aburi în sensul modern al cuvântului, deoarece forța motrice din el nu era încă vapori de apă, ci presiunea atmosferică a aerului. Prin urmare, această mașină a fost numită „atmosferică”. Deși în mașină vaporii de apă au servit, ca și în mașina Severi, în principal pentru a crea un vid în cilindru, un piston mobil a fost deja propus aici - partea principală a unui motor modern cu aburi.
În fig. 4.1 arată ascensorul Newcomen-Cowley. Când tija de ventuză 1 și sarcina 2 au fost coborâte, pistonul 4 s-a ridicat și aburul a intrat în cilindrul 5 prin supapa deschisă 7 din cazanul 8, a cărui presiune a depășit ușor atmosferica. Aburul a servit la ridicarea parțială a pistonului într-un cilindru deschis în partea de sus, dar rolul său principal a fost să creeze un vid în el. În acest scop, când pistonul mașinii a atins poziția superioară, supapa 7 a fost închisă și apă rece a fost injectată din recipientul 3 prin supapa 6 în cilindru. Vaporii de apă s-au condensat rapid și presiunea atmosferică a readus pistonul în partea de jos a cilindrului, determinând ridicarea tijei ventuzei. Condensatul a fost evacuat din cilindru printr-un tub 9, pistonul a fost ridicat din nou din cauza alimentării cu abur și procesul descris mai sus a fost repetat. Mașina Newcomen este un motor de tip batch.
Motorul cu aburi Newcomen era mai perfect decât mașina Severi, mai ușor de utilizat, mai economic și mai productiv. Cu toate acestea, mașinile primelor versiuni au funcționat foarte neeconomic, pentru a crea o putere de un cai pe oră, au fost arși până la 25 kg de cărbune, adică eficiența a fost de aproximativ 0,5%. Introducerea distribuției automate a fluxurilor de abur și apă a simplificat întreținerea mașinii, timpul de cursă a pistonului a fost redus la 12–16 minute, ceea ce a redus dimensiunile mașinii și a redus designul. În ciuda consumului ridicat de combustibil, acest tip de mașină a devenit rapid răspândit. Deja în anii 20 ai secolului al XVIII-lea, aceste mașini funcționau nu numai în Anglia, ci și în multe țări europene - în Austria, Belgia, Franța, Ungaria, Suedia, au fost folosite timp de aproape un secol în industria cărbunelui și pentru furnizarea de apă către orase. În Rusia, prima mașină Newcomen-atmosferică a fost instalată în 1772 în Kronstadt pentru a pompa apa din doc. Prevalența mașinilor Newcomen este evidențiată de faptul că ultima mașină de acest tip din Anglia a fost demontată abia în 1934.
Ivan Ivanovici Polzunov (1728–1766) a fost un talentat inventator rus care s-a născut în familia unui soldat. În 1742, Nikita Bakharev, un mecanic al uzinei din Ekaterinburg, avea nevoie de studenți înțelepți. Alegerea a revenit tânărului de paisprezece ani, I. Polzunov și S. Cheremisinov, care încă studiau la Școala de Aritmetică. Educația teoretică la școală a făcut loc cunoașterii practice a lucrărilor celor mai moderne mașini și instalații de la uzina din Ekaterinburg din Rusia. În 1748 Polzunov a fost transferat la Barnaul pentru a lucra la fabricile Kolyvano-Voskresensk. După auto-studiu cărți despre metalurgie și mineralogie în aprilie 1763, Polzunov a propus un proiect al unei mașini cu aburi complet originale, care se deosebea de toate mașinile cunoscute la acea vreme prin faptul că a fost concepută pentru a acționa burduful suflantei și a fost o unitate cu acțiune continuă. În nota sa privind „mașina care operează focul” din data de 26 aprilie 1763, Polzunov, după propriile sale cuvinte, a dorit „ ... prin plierea mașinii de incendiu să suprime gestionarea apei și, în aceste cazuri, să o distrugă complet și, în loc de baraje pentru baza mobilă a centralei, să o stabilească astfel încât să poată suporta toate poverile impuse asupra sa, care sunt de obicei necesare pentru aprinderea unui foc, pentru a purta și, după bunul plac, ceea ce va fi necesar, pentru a corecta. " Și apoi a scris: „Pentru a obține această glorie (dacă forțele permit) Patria și astfel, în beneficiul întregului popor, datorită cunoașterii mari despre utilizarea lucrurilor care nu sunt prea familiare până în prezent ( ca alte științe), în obicei. " În viitor, inventatorul a visat să adapteze mașina pentru alte nevoi. Proiect I.I. Polzunova a fost introdusă în biroul țarist din Sankt Petersburg. Decizia Ecaterinei a II-a a fost după cum urmează: „Majestatea Sa Imperială nu este numai el, Polzunov, plin de milostiv să fie, dar pentru o încurajare deosebită a demnizat: bun venit Evo, Polzunov, la mecanicii cu gradul și salariul căpitanului- locotenent și dă-i 400 de ruble ca recompensă "...
Mașinile Newcomen, care funcționau perfect ca dispozitive de ridicare a apei, nu puteau în niciun caz să satisfacă nevoia urgentă a unui motor universal. Acestea au pregătit doar calea pentru crearea de motoare cu abur continue versatile.
În stadiul inițial al dezvoltării mașinilor cu aburi, este necesar să se distingă „mașina de pompieri” a maistrului minier rus Polzunov. Motorul a fost destinat să acționeze mecanismele unuia dintre cuptoarele de topire ale uzinei de la Barnaul.
Conform proiectului lui Polzunov (Fig. 4.2), aburul din cazan (1) a fost introdus într-unul, să zicem, cilindrul din stânga (2), unde a ridicat pistonul (3) în poziția extremă superioară. Apoi, un flux de apă rece (4) a fost injectat din rezervor în cilindru, ceea ce a condus la condensarea aburului. Ca urmare a presiunii atmosferice asupra pistonului, acesta a coborât, în timp ce în cilindrul din dreapta, ca urmare a presiunii aburului, pistonul a crescut. Distribuția vaporilor de apă în mașina Polzunov a fost efectuată de un dispozitiv automat special (5). Forța de lucru continuă de la pistoanele mașinii a fost transmisă unei scripete (6) montate pe un arbore, de la care mișcarea a fost transmisă către un dispozitiv de distribuție apă-abur, o pompă de alimentare, precum și un arbore de lucru, din care burduful suflantei era condus.
Motorul Polzunov aparținea tipului „atmosferic”, dar în el inventatorul a introdus pentru prima dată însumarea lucrării a doi cilindri cu pistoane pe un arbore comun, ceea ce a asigurat o cursă a motorului mai uniformă. Când unul dintre cilindri rămânea în gol, celălalt avea o cursă de lucru. Motorul avea distribuție automată a aburului și pentru prima dată nu era conectat direct la mașina de lucru. I.I. Polzunov și-a creat mașina în condiții extrem de dificile, cu propriile mâini, fără fondurile necesare și mașini speciale. Nu existau meșteri calificați la dispoziția sa: conducerea fabricii a atribuit patru studenți lui Polzunov și a desemnat doi muncitori pensionari. Toporul și alte unelte simple folosite la fabricarea mașinilor convenționale de atunci au fost de puțin folos aici. Polzunov a trebuit să proiecteze și să construiască în mod independent echipamente noi pentru invenția sa. Construcția unei mașini mari, de aproximativ 11 metri înălțime, direct de pe tablă, netestată nici măcar pe un model, fără specialiști, a necesitat un efort uriaș. Mașina a fost construită, dar pe 27 mai 1766 I.I. Polzunov a murit din cauza unui consum trecător, nefiind trăit cu o săptămână înainte de testele „mașinii mari”. Mașina în sine, testată de studenții lui Polzunov, nu numai că s-a plătit pentru sine, dar și a obținut profit, a funcționat timp de 2 luni, nu a mai primit nicio îmbunătățire și, după o avarie, a fost abandonată și uitată. După motorul Polzunov, a trecut o jumătate de secol înainte ca motoarele cu abur să înceapă să fie utilizate în Rusia.
James Watt - inventator englez, creator al motorului universal cu aburi, membru al Societății Regale din Londra - s-a născut în Greenock, Scoția. Din 1757 a lucrat ca mecanic la Universitatea din Glasgow, unde s-a familiarizat cu proprietățile vaporilor de apă și a efectuat cercetări privind dependența temperaturii aburului saturat de presiune. În 1763–1764, în timp ce regla modelul motorului cu aburi Newcomen, a propus reducerea consumului de abur prin separarea condensatorului de abur de cilindru. Din acel moment, a început să lucreze la îmbunătățirea motoarelor cu aburi, studiind proprietățile aburului, construind mașini noi etc., care au continuat pe tot parcursul vieții sale. Pe monumentul lui Watt din Abația Westminster, inscripția este sculptată: „... aplicând puterea geniului creator la îmbunătățirea motorului cu aburi, a extins productivitatea țării sale, a sporit puterea omului asupra naturii și a ocupat un loc remarcabil printre cei mai renumiți oameni ai științei și adevărații binefăcători ai omenirii. " În căutarea de fonduri pentru a-și construi motorul, Watt a început să viseze la o slujbă profitabilă în afara Angliei. La începutul anilor '70, el le-a spus prietenilor săi că „s-a săturat de patrie” și a început să vorbească serios despre mutarea în Rusia. Guvernul rus i-a oferit inginerului englez „o ocupație în conformitate cu gustul și cunoștințele sale” și cu un salariu anual de 1.000 de lire sterline. Plecarea lui Watt în Rusia a fost împiedicată de un contract încheiat în 1772 cu capitalistul Bolton, proprietarul unei fabrici de inginerie din Soho, lângă Birmingham. Bolton știa de mult despre invenția unei mașini noi, „aprinse”, dar a ezitat să-și subvenționeze construcția, îndoiindu-se de valoarea practică a mașinii. S-a grăbit să încheie un acord cu Watt numai atunci când exista o amenințare reală a plecării inventatorului în Rusia. Acordul care a legat Watt de Bolton s-a dovedit a fi foarte eficient. Bolton s-a arătat a fi un om inteligent și care gândește înainte. Nu s-a zgârcit la costul construirii mașinii. Bolton și-a dat seama că geniul lui Watt, eliberat de îngrijorarea meschină și epuizantă pentru o bucată de pâine, se va desfășura în deplină forță și va îmbogăți capitalistul întreprinzător. În plus, Bolton însuși a fost un inginer mecanic major. Ideile tehnice ale lui Watt l-au captivat și pe el. Fabrica Soho era faimoasă pentru echipamentele sale de primă clasă la acel moment, avea muncitori calificați. Prin urmare, Watt a acceptat cu entuziasm oferta lui Bolton de a începe producția de noi motoare cu abur la uzină. De la începutul anilor 70 până la sfârșitul vieții sale, Watt a rămas mecanicul șef al uzinei. Prima mașină cu efect dublu a fost construită la uzina Soho la sfârșitul anului 1774.
Mașina Newcomen a fost mult îmbunătățită de-a lungul secolului de existență, dar a rămas „atmosferică” și nu a satisfăcut nevoile tehnologiei de fabricație în creștere rapidă, care a necesitat organizarea mișcării de rotație la viteză mare.
Căutările multor inventatori au avut ca scop atingerea acestui obiectiv. Numai în Anglia, în ultimul sfert al secolului al XVIII-lea, au fost eliberate peste o duzină de brevete pentru motoarele universale ale diferitelor sisteme. Cu toate acestea, doar James Watt a reușit să ofere industriei un motor universal cu abur.
Watt și-a început lucrul la motorul cu aburi aproape simultan cu Polzunov, dar în condiții diferite. În Anglia, în acest moment, industria se dezvolta rapid. Watt a fost susținut în mod activ de Bolton, proprietarul mai multor fabrici din Anglia, care a devenit ulterior însoțitorul său, parlamentul, a avut ocazia de a utiliza personal de inginerie înalt calificat. În 1769, Watt a brevetat un motor cu abur cu un condensator separat și apoi utilizarea excesului de presiune a aburului în motor, ceea ce a redus semnificativ consumul de combustibil. Watt a fost pe bună dreptate creatorul motorului cu piston cu abur.
În fig. 4.3, este o diagramă a unuia dintre primele motoare cu aburi ale lui Watt. Un cazan de abur 1 cu cilindru cu piston 3 este conectat printr-o conductă de abur 2, prin care aburul este admis periodic în cavitatea superioară de deasupra pistonului 4 și în cavitatea inferioară a cilindrului de sub piston. Aceste cavități sunt conectate la condensator printr-o conductă 5, unde aburul rezidual este condensat cu apă rece și se creează un vid. Mașina are o bară de echilibrare 6 care conectează pistonul cu un arbore cu manivelă cu o bielă 7, la capătul căreia este montată o volantă 8.
Pentru prima dată, mașina folosește principiul dublei acțiuni a aburului, care constă în faptul că aburul proaspăt este injectat în cilindrul mașinii alternativ în camerele de pe ambele părți ale pistonului. Introducerea de către Watt a principiului expansiunii aburului a constat în faptul că aburul proaspăt a fost admis în cilindru doar pentru o parte din cursa pistonului, apoi aburul a fost întrerupt și mișcarea ulterioară a pistonului a fost efectuată datorită expansiunea aburului și scăderea presiunii acestuia.
Astfel, în mașina lui Watt, forța motrică decisivă nu a fost presiunea atmosferică, ci elasticitatea vaporilor de înaltă presiune care acționează pistonul. Noul principiu de funcționare a aburului a necesitat o schimbare completă în proiectarea mașinii, în special a cilindrului și a distribuției aburului. Pentru a elimina condensul de abur din cilindru, Watt a introdus mai întâi mantaua de abur a cilindrului, cu care a început să-și încălzească pereții de lucru cu abur și a izolat exteriorul mantaua de abur. Din moment ce Watt nu a putut folosi un mecanism cu manivelă în mașină pentru a crea o mișcare de rotație uniformă (un brevet de protecție a fost luat pentru o astfel de transmisie de către inventatorul francez Picard), atunci în 1781 a obținut un brevet pentru cinci metode de conversie a balansoarului mișcare într-una continuă de rotație. La început a folosit o roată planetară sau solară în acest scop. În cele din urmă, Watt a introdus un regulator de viteză centrifugă pentru a schimba cantitatea de abur furnizată cilindrului mașinii pe măsură ce numărul de rotații s-a schimbat. Astfel, Watt în motorul său cu aburi a stabilit principiile de bază ale structurii și funcționării motorului modern cu aburi.
Motoarele cu aburi ale lui Watt funcționau pe abur saturat, de joasă presiune, de 0,2-0,3 MPa, la turații reduse. Motoarele cu aburi modificate în acest mod au dat rezultate excelente, reducând de câteva ori consumul de cărbune pe CP / oră (cai putere pe oră) în comparație cu mașinile Newcomen și au deplasat roata de apă din industria minieră. La mijlocul anilor 80 ai secolului al XVIII-lea. designul motorului cu aburi a fost în cele din urmă dezvoltat, iar motorul cu aburi cu acțiune dublă a devenit un motor universal cu căldură care a găsit o largă aplicare în aproape toate sectoarele economiei multor țări. În secolul al XIX-lea, s-au răspândit centrale electrice cu abur care ridicau mine, suflante cu abur, centrale cu abur rulant, ciocane cu aburi, pompe cu abur etc.
Creșterea în continuare a eficienței Centrala cu abur a fost realizată de Arthur Wolff, contemporanul lui Watt, în Anglia, prin introducerea expansiunii multiple a aburului în succesiune în 2, 3 și chiar în 4 pași, în timp ce aburul a trecut de la un cilindru al mașinii la altul.
Abandonarea echilibrului și utilizarea expansiunii multiple a aburului au dus la crearea de noi forme constructive de mașini. Motoarele cu dublă expansiune au început să ia forma a doi cilindri - un cilindru de înaltă presiune (HPC) și un cilindru de joasă presiune (LPC), care au primit aburul de evacuare după HPC. Cilindrii au fost amplasați orizontal (mașină compusă, Fig. 4.4, a), sau în serie, atunci când ambii pistoane sunt așezați pe o tijă comună (mașină tandem, Fig. 4.4, b).
Mare valoare pentru îmbunătățirea eficienței. La mijlocul secolului al XIX-lea, motoarele cu aburi au început să utilizeze abur supraîncălzit cu o temperatură de până la 350 ° C, ceea ce a făcut posibilă reducerea consumului de combustibil la 4,5 kg pe CP / oră. Utilizarea aburului supraîncălzit a fost propusă pentru prima dată de savantul francez G.A. Girn.
George Stephenson (1781–1848) s-a născut într-o familie muncitoare și a lucrat în minele de cărbune din Newcastle, unde lucrau și tatăl și bunicul său. A făcut multă autoeducare, a studiat fizică, mecanică și alte științe, a fost interesat de activitatea inventivă. Abilitatea remarcabilă a lui Stephenson l-a condus la funcția de mecanic, iar în 1823 a fost numit inginer șef al companiei pentru construcția primei căi ferate publice, Stockton-Darlington; acest lucru i-a deschis mari oportunități pentru proiectare și lucrări inventive.
În Rusia, primele locomotive cu aburi au fost construite de mecanicii și inventatorii ruși Cherepanov - Efim Alekseevich (tată, 1774-1842) și Miron Efimovich (fiu, 1803-1849), care lucrau la fabricile Nizhniy Tagil și foști iobagi ai crescătorilor Demidov . Prin autoeducare, Cherepanovii au devenit oameni educați, au vizitat fabricile din Sankt Petersburg și Moscova, Anglia și Suedia. Pentru activități inventive, Miron Cherepanov și soția sa au primit libertatea gratuită în 1833. Efim Cherepanov și soția sa au primit libertate în 1836. Cherepanovii au creat aproximativ 20 de motoare cu aburi diferite care funcționau la fabricile Nizhniy Tagil.
Presiunea ridicată a aburului pentru motoarele cu aburi a fost aplicată pentru prima dată de Oliver Evans în America. Acest lucru a dus la o reducere suplimentară a consumului de combustibil de până la 3 kg pe hp / h. Mai târziu, proiectanții de locomotive cu abur au început să folosească motoare cu aburi cu mai mulți cilindri, abur la suprapresiune și un dispozitiv de inversare.
În secolul al XVIII-lea. exista o dorință destul de înțeleasă de a folosi motorul cu aburi în transportul terestru și pe apă. În dezvoltarea motoarelor cu aburi, o direcție independentă a fost făcută de către locomotive - centrale mobile cu abur. Prima instalare de acest tip a fost dezvoltată de constructorul englez John Smith. De fapt, dezvoltarea transportului cu abur a început cu instalarea tuburilor de fum în cazanele cu tuburi de foc, ceea ce a crescut semnificativ producția lor de abur.
S-au făcut multe încercări de a dezvolta locomotive cu aburi - locomotive cu aburi, au fost construite modele de lucru (Fig. 4.5, 4.6). Dintre acestea, se evidențiază locomotiva cu aburi „Raketa” construită de talentatul inventator englez George Stephenson (1781-1848) în 1825 (vezi Fig. 4.6, a, b).
Rocket nu a fost prima locomotivă cu abur proiectată și construită de Stephenson, dar aceasta a depășit altele din multe puncte de vedere și a fost recunoscută ca fiind cea mai bună locomotivă la o expoziție specială din Reyhill și recomandată pentru noua cale ferată Liverpool-Manchester, care în acel moment a devenit unul exemplar. În 1823 Stephenson a organizat prima fabrică de locomotive cu aburi în Newcastle. În 1829, în Anglia a fost organizată o competiție pentru cea mai bună locomotivă cu aburi, câștigătoare a fost mașina J. Stephenson. Locomotiva sa cu aburi „Raketa”, dezvoltată pe baza unui cazan cu fum, cu o masă de tren de 17 tone, a dezvoltat o viteză de 21 km / h. Mai târziu, viteza „Rachetei” a fost mărită la 45 km / h.
Căile ferate au început să se joace în secolul al XVIII-lea. un rol imens. Prima cale ferată de călători din Rusia cu o lungime de 27 km a fost construită de antreprenori străini în 1837 între Sankt Petersburg și Pavlovsk prin decizia guvernului țarist. Calea ferată dublă St. Petersburg-Moscova a început să funcționeze în 1851.
În 1834, tatăl și fiul lui Cherepanov au construit prima locomotivă cu aburi din Rusia (vezi Fig. 4.6, c, d), care transporta o încărcătură de 3,5 tone la o viteză de 15 km / h. Locomotivele cu aburi ulterioare au transportat mărfuri cu greutatea de 17 tone.
Încercările de utilizare a motorului cu aburi în transportul pe apă au fost făcute de la începutul secolului al XVIII-lea. Se știe, de exemplu, că fizicianul francez D. Papin (1647–1714) a construit o barcă condusă de un motor cu aburi. Adevărat, Papen nu a obținut succes în această chestiune.
Problema a fost rezolvată de inventatorul american Robert Fulton (1765–1815), care s-a născut în Little Briton (acum Fulton) în Pennsylvania. Este interesant de remarcat faptul că primele mari succese în crearea motoarelor cu aburi pentru industrie, cale ferată și transport pe apă au revenit multor oameni talentați care stăpânesc cunoștințele prin autoeducare. Fulton nu a făcut excepție în acest sens. Ulterior devenit inginer mecanic, Fulton, care provenea dintr-o familie săracă, a fost inițial angajat într-o mulțime de autoeducare. Fulton a locuit în Anglia, unde s-a angajat în construcția de structuri hidraulice și în rezolvarea unor alte probleme tehnice. În timp ce se afla în Franța (Paris), a construit submarinul „Nautilus” și un vas cu aburi, care a fost testat pe râul Sena. Dar asta a fost doar începutul.
Realul succes a venit la Fulton în 1807: când s-a întors în America, a construit aburul cu roți de 15 tone Claremont, alimentat de un motor cu aburi de 20 de litri. cu., care în august 1807 a făcut primul zbor de la New York la Albany cu o lungime de aproximativ 280 km.
Dezvoltarea în continuare a companiei de transport maritim, atât pe râu, cât și pe mare, a mers destul de repede. Acest lucru a fost facilitat de trecerea de la structurile de lemn la cele de oțel ale navelor, o creștere a puterii și a vitezei motoarelor cu aburi, introducerea unei elice și o serie de alți factori.
Odată cu invenția mașinii cu aburi, omul a învățat să transforme energia concentrată în combustibil în mișcare, în muncă.
Mașina cu aburi este una dintre puținele invenții din istorie care a schimbat dramatic imaginea lumii, a revoluționat industria, transporturile și a dat impuls unei noi ascensiuni a cunoștințelor științifice. A fost un motor versatil pentru industrie și transport pe tot parcursul secolului al XIX-lea, dar capacitățile sale nu se mai potriveau cu cerințele motorului apărute în legătură cu construcția centralelor electrice și utilizarea mecanismelor cu viteze mari la sfârșitul secolului al XIX-lea.
O turbină de mare viteză cu o eficiență mai mare intră în arena tehnică ca un nou motor termic în loc de un motor cu abur cu viteză mică.
