атмосферный двигатель Ньюкомена

редактировать
Ранний двигатель, изобретенный Томасом Ньюкоменом.

Схема двигателя Ньюкомена.. - Пар (розовый), вода (синий). - Клапаны открыты (зеленый), клапаны закрыты (красный)

атмосферный двигатель был изобретен Томасом Ньюкоменом в 1712 году, и его часто называют просто Движок Ньюкомена . Двигатель работал за счет конденсации пара, всасываемого в цилиндр, тем самым создавая частичный вакуум, который позволял атмосферному давлению толкать поршень в цилиндр. Это было первое практическое устройство, использующее пар для производства механической работы. Двигатели Ньюкомена использовались повсюду в Британии и Европе, в основном для откачки воды из шахт. Сотни были построены в 18 веке.

Более поздняя конструкция двигателя Джеймса Уатта представляла собой улучшенную версию двигателя Ньюкомена, которая примерно вдвое увеличивала топливную эффективность. Многие атмосферные двигатели были преобразованы в конструкцию Watt по цене, основанной на небольшой части экономии топлива. В результате Ватт сегодня более известен, чем Ньюкомен, в отношении происхождения паровой машины.

Содержание

  • 1 Предшественники
    • 1.1 «Друг шахтера» Савери
    • 1.2 Экспериментальный паровой цилиндр Дениса Папина и поршень
  • 2 Введение и распространение
  • 3 Технические характеристики
    • 3.1 Компоненты
    • 3.2 Работа
      • 3.2.1 Дыхательный клапан
    • 3.3 Автоматизация
    • 3.4 Насосы
  • 4 Разработка и применение
  • 5 Преемник
  • 6 Выжившие примеры
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Дополнительная литература
  • 10 Внешние ссылки

Предшественники

До Newcomen ряд Были созданы маленькие паровые устройства различного типа, но большинство из них были, по сути, новинками. Около 1600 года ряд экспериментаторов использовали пар для питания небольших фонтанов, работающих как перколятор для кофе. Сначала контейнер наполнялся водой через трубу, которая проходила через верхнюю часть контейнера почти до дна. Нижняя часть трубы будет погружена в воду, что сделает контейнер герметичным. Затем контейнер нагревали, чтобы вода закипела. Образующийся пар создавал давление в контейнере, но внутренняя труба, погруженная внизу жидкостью и не имеющая герметичного уплотнения наверху, оставалась при более низком давлении; Расширяющийся пар заставлял воду на дне контейнера проникать в трубу и подниматься вверх по трубе, чтобы бежать из сопла наверху. Эти устройства имели ограниченную эффективность, но продемонстрировали жизнеспособность принципа.

В 1606 году испанец, Херонимо де Аянц и Бомонт продемонстрировал и получил патент на паровой водяной насос. Насос был успешно использован для осушения затопленных шахт Гуадалканала, Испания.

В 1662 году Эдвард Сомерсет, второй маркиз Вустерский, опубликовал книгу, содержащую несколько идей, над которыми он работал. Один был для парового насоса для подачи воды в фонтаны; в устройстве поочередно использовались частичный вакуум и давление пара. Два контейнера поочередно наполнялись паром, а затем орошались холодной водой, в результате чего пар внутри конденсировался; это создавало частичный вакуум, в результате которого вода по трубе втягивалась вверх из колодца в контейнер. Свежий заряд пара под давлением затем гнал воду из контейнера по другой трубе в коллектор более высокого уровня, прежде чем этот пар конденсировался и цикл повторялся. Путем работы двух контейнеров поочередно можно увеличить скорость подачи в напорный бак.

«Друг шахтера» Савери

В 1698 году Томас Савери запатентовал паровой насос, который он назвал «Друг шахтера», по сути идентичный дизайну Сомерсета и почти наверняка прямая копия. Процесс охлаждения и создания вакуума был довольно медленным, поэтому позже Савери добавил внешнюю струю холодной воды, чтобы быстро охладить пар.

Изобретение Савери не может строго рассматриваться как первая паровая «машина», поскольку она не имеет движущихся частей и не может передавать свою энергию никакому внешнему устройству. Очевидно, были большие надежды на «Друг горняков», что побудило парламент продлить срок действия патента на 21 год, так что срок действия патента 1699 года истекает только в 1733 году. К сожалению, устройство Савери оказалось гораздо менее успешным, чем ожидалось.

Теоретическая проблема с устройством Savery проистекает из того факта, что вакуум может поднимать воду только на максимальную высоту около 30 футов (9 м); к этому можно добавить еще 40 футов (12 м) или около того, поднятых давлением пара. Этого было недостаточно для откачки воды из шахты. В брошюре Савери он предлагает установить котел и контейнеры на выступе в шахте и даже установить серию из двух или более насосов для более глубоких уровней. Очевидно, это были неудобные решения, и какой-то механический насос, работающий на уровне поверхности, который поднимал воду непосредственно, а не «всасывал» ее, был желательным. Такие насосы уже были обычным явлением, приводились в движение лошадьми, но требовали вертикального возвратно-поступательного движения, которого система Savery не обеспечивала. Более практическая проблема заключалась в том, чтобы котел работал под давлением, что было продемонстрировано, когда взорвался котел двигателя в Веднсбери, возможно, в 1705 году.

Экспериментальный паровой цилиндр и поршень Дениса Папина

Луи Фигье в своем монументальном труде приводит полную цитату из статьи Дени Папена, опубликованной в 1690 году в журнале Acta eruditorum в Лейпциге и озаглавленной «Nouvelle méthode pour obtenir à bas prix des forceonsidérables» (Новый способ недорого получения значительных сил). Похоже, идея пришла к Папину во время работы с Робертом Бойлом в Королевском обществе в Лондоне. Папен описывает сначала заливку небольшого количества воды на дно вертикального цилиндра, вставку поршня на шток и, после первого откачивания воздуха под поршнем, размещение огня под цилиндром, чтобы выкипела вода и создавалось давление пара, достаточное для поднимите поршень до верхнего конца цилиндра. Затем поршень временно блокировался в верхнем положении пружинным фиксатором, входящим в паз в штоке. Затем огонь был устранен, что позволило цилиндру остыть, в результате чего пар конденсировался обратно в воду, создав таким образом вакуум под поршнем. К концу штока поршня был прикреплен шнур, проходящий через два шкива, а с конца шнура свисал груз. После освобождения защелки поршень резко опускался к дну цилиндра из-за разницы давлений между атмосферой и создаваемым вакуумом; Таким образом, было создано достаточно силы, чтобы поднять вес 60 фунтов (27 кг). Хотя двигатель определенно работал до конца, он был разработан просто для демонстрации принципа, и, зайдя так далеко, Папен так и не развил его дальше, хотя в своей статье он действительно писал о потенциале лодок, приводимых в движение «пожарными трубами». Вместо этого он позволил себе отвлечься на разработку варианта двигателя Savery.

Введение и распространение

Ньюкомен развил эксперимент Папина и сделал его работоспособным, хотя информации о том, как именно это произошло, мало. Основная проблема, которую Папен не решал, заключалась в том, как сделать действие повторяемым через равные промежутки времени. Путь вперед состоял в том, чтобы предоставить, как это сделал Savery, бойлер, способный обеспечить непрерывную подачу пара в цилиндр, обеспечить вакуумный рабочий ход за счет конденсации пара и отвод воды после ее конденсации. Силовой поршень подвешивался цепями за конец качающейся балки. В отличие от устройства Савери, перекачивание было полностью механическим, работа паровой машины заключалась в подъеме утяжеленного стержня, подвешенного с противоположного конца качающейся балки. Штанга опускалась по стволу шахты под действием силы тяжести и приводила в действие силовой насос или полюсный насос (или чаще всего группу из двух) внутри шахты. Такт всасывания насоса был только на длину хода вверх (заправки), следовательно, больше не было 30-футового ограничения вакуумного насоса, и вода могла вытесняться вверх по колонне с гораздо большей глубины. Котел подавал пар с очень низким давлением и сначала располагался непосредственно под силовым цилиндром, но также мог быть размещен за разделительной стенкой с соединительной паровой трубой. Для выполнения всей этой работы требовалось умение инженера-практика; Работа Ньюкомена в качестве «скобяника» или торговца металлами дала бы ему значительные практические знания о том, какие материалы будут подходить для такого двигателя, и познакомила бы его с людьми, обладающими еще более подробными знаниями.

Возможно, первая машина Ньюкомена находилась в Корнуолле. Его местонахождение не известно, но известно, что один из них эксплуатировался на руднике Уил-Вор в 1715 году. Самыми ранними примерами, по которым существуют надежные записи, были два двигателя в Черной стране, г. из которых наиболее известен тот, что был построен в 1712 году на угольном заводе Конигри на Блумфилд-роуд Типтон, ныне место расположения компании «Энгл Ринг Компани Лимитед», Типтон. Это принято считать первым успешным двигателем Ньюкомена, но ему, возможно, предшествовала одна, построенная в полутора милях к востоку от Вулверхэмптона. Оба они использовались Ньюкоменом и его партнером Джоном Калли для откачки воды из угольных шахт, заполненных водой. Действующую копию сегодня можно увидеть в близлежащем Живом музее Черной страны, который стоит в другой части того, что было парком Конигри лорда Дадли.

Вскоре поступали приказы из мокрых шахт по всей Англии, и некоторые предполагали, что слухи о его достижении распространились через его баптистские связи. Поскольку срок действия патента Savery еще не истек, Newcomen была вынуждена прийти к соглашению с Savery и работать под патентом последнего, поскольку срок его действия был намного дольше, чем любой Newcomen мог бы легко получить. В последние годы своего существования патент принадлежал некорпоративной компании The Proprietors of the Invention для подъема воды с помощью огня.

Хотя его сначала использовали в угледобывающих районах, двигатель Ньюкомена также использовался для откачки воды из металлических рудников в его родной Западной стране, таких как оловянные рудники Корнуолла. К моменту его смерти Ньюкомен и другие установили более сотни его двигателей не только в Уэст-Кантри и Мидлендс, но и в северном Уэльсе, недалеко от Ньюкасла и в Камбрии. Небольшие количества были построены в других европейских странах, в том числе во Франции, Бельгии, Испании и Венгрии, а также в Даннемора, Швеция. Доказательства использования парового двигателя Ньюкомена, связанного с ранними угольными шахтами, были обнаружены в 2010 году в Мидлотиане, штат Вирджиния, (место расположения некоторых из первых угольных шахт в США). (Опрос Dutton and Associates от 24 ноября 2009 г.).

Схема парового двигателя Ньюкомена

Технические детали

Компоненты

Несмотря на то, что двигатель Ньюкомена был основан на простых принципах, он был довольно сложным и демонстрировал признаки постепенного развития, проблемы заключались в эмпирически обращались по мере их возникновения. Он состоял из котла A, обычно стога сена, расположенного непосредственно под цилиндром. Это произвело большое количество пара очень низкого давления, не более 1-2 фунтов на квадратный дюйм (0,07-0,14 бара) - максимально допустимое давление для котла, который в более ранних версиях был сделан из меди с куполообразной верхней частью из свинца, а позже полностью собран из небольшие приклепанные железные пластины. Действие двигателя передавалось через качающуюся «Большую сбалансированную балку», опора Eкоторой опиралась на очень прочную торцевую стену специально построенного машинного отделения с сторона насоса выступает за пределы здания, двигатель находится внутри здания. Насосные штоки подвешивались цепью к арочной головке F большой балки. К головке дуги D собственного производства был подвешен поршень P, работающий в цилиндре B, верхний конец которого был открыт в атмосферу над поршень и нижний конец закрыты, за исключением короткого впускного патрубка, соединяющего цилиндр с котлом; Ранние цилиндры изготавливались из литой латуни, но вскоре выяснилось, что чугун более эффективен и намного дешевле в производстве. Поршень был окружен уплотнением в виде кожаного кольца, но поскольку расточка цилиндра была обработана вручную, а это не совсем так, слой воды должен был постоянно поддерживаться сверху поршня. Высоко в машинном отделении был установлен водяной бак C (или напорный бак), питаемый небольшим внутренним насосом, сброшенным с арочной головки меньшего размера. В напорный бак холодная вода под давлением подавалась через стояк для конденсации пара в цилиндре с небольшим патрубком для подачи затворной воды в цилиндр; при каждом верхнем ходе поршня избыточная теплая уплотнительная вода переливалась по двум трубам, одна - в собственный колодец, а другая - для подпитки котла самотеком.

Эксплуатация

Насосное оборудование было тяжелее парового поршня, поэтому положение балки в состоянии покоя было стороной насоса вниз / стороной двигателя вверх, что называлось «вне дом".

Для запуска двигателя регулирующий клапан Vоткрывался и пар из котла впускался в цилиндр, заполняя пространство под поршнем. Затем регулирующий клапан закрывали, а клапан нагнетания воды V 'на короткое время открывался и закрывался, посылая струю холодной воды в цилиндр. Это конденсирует пар и создает частичный вакуум под поршнем. Перепад давления между атмосферой над поршнем и частичным вакуумом ниже затем опускал поршень, создавая рабочий ход, в результате чего балка попадала «в дом» и поднималась шестерня насоса.

Затем пар повторно поступал в цилиндр, разрушая вакуум и вытесняя конденсат по опускной или «отводящей» трубе. Когда пар низкого давления из котла поступал в цилиндр, вес насоса и шестерни возвращали балку в исходное положение, в то же время выталкивая воду из шахты.

Этот цикл повторялся примерно 12 раз в минуту.

Нюхательный клапан

Ньюкомен обнаружил, что его первый двигатель перестанет работать через некоторое время, и в конце концов обнаружил, что это произошло из-за того, что в цилиндр попало небольшое количество воздуха с паром. Вода обычно содержит растворенный воздух, и кипячение воды высвобождает его вместе с паром. Этот воздух не мог конденсироваться из-за водяных брызг и постепенно накапливался, пока двигатель не стал «задетым». Чтобы предотвратить это, рядом с нижней частью цилиндра был добавлен выпускной клапан, называемый «snifting clack» или «snifter valve». Это открылось на короткое время, когда в цилиндр впервые был введен пар, а неконденсирующийся газ вышел из цилиндра. Его название произошло от звука, который он производил, когда выпускал воздух и пар, «как человек, обнюхивающий холод».

Автоматизация

В ранних версиях клапаны или пробки, как их тогда называли, управлялись вручную специалистом по пробке, но повторяющееся действие требовало точного времени, что делало желательным автоматическое действие. Это было достигнуто с помощью штанги, которая представляла собой балку, подвешенную вертикально рядом с цилиндром на небольшой головке дуги с помощью перекрещенных цепей, функция которой заключалась в автоматическом открытии и закрытии клапанов, когда балка достигала определенных положений, с помощью толкателей и спусковые механизмы с утяжелителями. На двигателе 1712 года насос подачи воды был прикреплен к нижней части стержня вилки, но более поздние двигатели имели насос снаружи, подвешенный на отдельной небольшой арочной головке. Существует распространенная легенда о том, что в 1713 году мальчик-петух по имени Хамфри Поттер, в обязанности которого входило открывать и закрывать клапаны двигателя, за которым он работал, сделал двигатель самодействующим, заставив саму балку открывать и закрывать клапаны подходящими способами. шнуры и защелки (известные как «гончарный шнур»); однако устройство в виде пробкового дерева (первая форма клапанного механизма ), скорее всего, было установившейся практикой до 1715 года и ясно изображено на самых ранних известных изображениях двигателей Ньюкомена, сделанных Генри Бейтоном (1717 г.)) (считается, что Халс изображает двигатель угольной шахты Гриффа 1714 года) и Томас Барни (1719 год) (изображает двигатель замка Дадли 1712 года). Из-за очень большой потребности в паре двигатель приходилось периодически останавливать и перезапускать, но даже этот процесс был автоматизирован посредством подъема и опускания буя в вертикальной стояке, прикрепленной к котлу (первый манометр ?). Буй был прикреплен к скоггену, утяжеленному рычагу, который срабатывал упор, блокируя закрытие клапана нагнетания воды до тех пор, пока не будет поднят больше пара.

Насосы

На большинстве изображений показана только сторона двигателя, без информации о насосах. Текущее мнение состоит в том, что, по крайней мере, на ранних двигателях использовались насосы силы собственного веса, при этом работа двигателя заключалась исключительно в том, чтобы поднять сторону насоса, готовую к следующему ходу насоса вниз. Это устройство, используемое для копии замка Дадли, которая эффективно работает с первоначально заявленной скоростью 12 движений в минуту / 10 галлонов (54,6 литра), поднимаемых за один ход. Более поздние двигатели Ватта работали подъемные насосы, приводимые в действие ходом двигателя, и, возможно, более поздние версии двигателя Ньюкомена сделали то же самое.

Разработка и применение

Карандашный набросок паровой машины Ньюкомена, улучшенный Смитоном, из ежемесячника Popular Science около 1877 года

К концу своей карьеры, атмосферный двигатель был значительно улучшен в его механических деталях и пропорциях Джоном Смитоном, который построил много больших двигателей этого типа в 1770-х годах. Ощущалась острая необходимость в двигателе, который приводил бы во вращение, и это было сделано с ограниченным успехом Уэсборо и Пикардом, используя двигатель Ньюкомена для приведения в движение маховика через кривошип. Хотя принцип работы кривошипа был известен давно, Пикарду удалось получить в 1780 году 12-летний патент на специальное применение кривошипа в паровых двигателях; это было неудачей для Боултона и Ватта, которые обошли патент, применив движение Солнца и планеты к своему усовершенствованному ротационному двигателю двойного действия 1782 года.

К 1725 году двигатель Ньюкомена был в моде. обычное применение в горнодобывающей промышленности, в частности, угольные шахты. Он сохранил свое место с небольшими материальными изменениями до конца века. В некоторых местах двигатель Ньюкомена был расширен для перекачки муниципальной воды; например, первый двигатель Ньюкомена во Франции был построен в Пасси в 1726 году для перекачивания воды из Сены в город Париж. Он также использовался для косвенного питания механизмов, путем возврата воды из-под водяного колеса в резервуар над ним, чтобы та же самая вода могла снова вращать колесо. Один из первых примеров этого был в Coalbrookdale. Насос с приводом от лошади был установлен в 1735 году для возврата воды в бассейн над старой доменной печью. В 1742–1742 годах он был заменен двигателем Ньюкомена. Несколько новых печей, построенных в Шропшире в 1750-х годах, питались аналогичным образом, в том числе Horsehay и Ketley Furnaces и Madeley Wood или Bedlam Furnaces. У последнего, похоже, не было бассейна над печью, а просто резервуар, в который закачивали воду. В других отраслях перекачка двигателя была менее распространена, но Ричард Аркрайт использовал двигатель для обеспечения дополнительной мощности своей хлопчатобумажной фабрики.

. Были предприняты попытки привести машины в движение двигателями Ньюкомена, но это были безуспешно, поскольку одиночный рабочий ход приводил к очень рывкам.

Преемник

двигатель в стиле Newcomen в Elsecar Heritage Center в 2006 году

Основная проблема с Newcomen конструкция заключалась в том, что он неэффективно использовал энергию и, следовательно, был дорогим в эксплуатации. После того, как водяной пар внутри был достаточно охлажден для создания вакуума, стенки цилиндра стали достаточно холодными, чтобы конденсировать часть пара, впущенную во время следующего такта впуска. Это означало, что значительное количество топлива использовалось только для того, чтобы нагреть цилиндр до точки, когда пар снова начал заполнять его. Поскольку тепловые потери были связаны с поверхностями, в то время как полезная работа связана с объемом, увеличение размера двигателя увеличивало эффективность, а двигатели Ньюкомена со временем становились больше. Однако эффективность не имела большого значения в контексте шахты, где уголь был в свободном доступе.

Двигатель Ньюкомена был заменен только тогда, когда Джеймс Ватт улучшил его в 1769 году, чтобы избежать этой проблемы (Университет Глазго попросил Ватта отремонтировать модель двигателя Ньюкомена. ; маленькая модель, которая преувеличивала проблему). В паровой машине Ватта конденсация происходила во внешнем конденсаторе, присоединенном к паровому цилиндру через трубу. Когда клапан на трубе открывался, вакуум в конденсаторе, в свою очередь, откачивал часть цилиндра под поршнем. Это исключило охлаждение стенок главного цилиндра и тому подобное, а также резко сократило расход топлива. Это также позволило разработать цилиндр двустороннего действия с рабочим ходом как вверх, так и вниз, увеличивая мощность двигателя без значительного увеличения его габаритов.

Конструкция Уатта, представленная в 1769 году, не сразу устранила двигатели Ньюкомена. Решительная защита Ваттом своих патентов привела к продолжению использования движка Newcomen, чтобы избежать выплаты роялти. Когда в 1800 г. истек срок действия его патентов, двигатели Ватта начали спешно устанавливать, а двигатели Ньюкомена затмили, даже на угольных шахтах.

Сохранившиеся примеры

Мемориальный двигатель Ньюкомена можно увидеть работающим в родном городе Ньюкомена Дартмут, куда он был перемещен в 1963 году ньюкоменами. Общество. Считается, что это датируется 1725 годом, когда он был первоначально установлен на шахте Грифф возле Ковентри.

Двигатель был установлен на шахте в Эштон-андер-Лайн примерно в 1760 году. в местном масштабе как Fairbottom Bobs он сейчас хранится в Музее Генри Форда в Дирборне, Мичиган.

Действующая копия двигателя Ньюкомена в Живом музее Черной страны

Единственный паровоз в стиле Ньюкомена, сохранившийся на своем первоначальном месте, находится в том, что сейчас является Центром наследия Эльсекара, недалеко от Барнсли в Южном Йоркшире. Вероятно, это был последний коммерчески используемый двигатель типа Newcomen, поскольку он работал с 1795 по 1923 год. Двигатель подвергся обширным работам по консервации вместе с его оригинальным валом и машинным отделением, которые были завершены осенью 2014 года.

В 1986 году в Живом музее Черной страны в Дадли была завершена полномасштабная действующая реплика паровоза Ньюкомена 1712 года. Это единственная существующая полноразмерная рабочая копия двигателя. «Пожарная машина», как ее называли, представляет собой впечатляющее кирпичное здание, из одной стены которого выступает деревянная балка. Штанги свешиваются с внешнего конца балки и приводят в действие насосы в нижней части шахты, которые поднимают воду на поверхность. Сам двигатель простой, только котел, цилиндр, поршень и управляющие клапаны. Угольный огонь нагревает воду в котле, который представляет собой немного больше, чем закрытый поддон, и образующийся пар затем проходит через клапан в латунный цилиндр над котлом. Цилиндр имеет длину более 2 метров и диаметр 52 сантиметра. Пар в цилиндре конденсируется за счет нагнетания холодной воды, и вакуум под поршнем тянет внутренний конец балки вниз и заставляет насос двигаться.

Статический пример двигателя Ньюкомена находится в Музей науки.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

  • Ролт, LTC; Дж. С. Аллен (1977). Паровоз Томаса Ньюкомена. Хартингтон: Морланд. п. 160. ISBN 0-88202-171-0.
  • Перепечатка: Rolt, L. T. C.; Дж. С. Аллен (1998). Паровоз Томаса Ньюкомена. Эшборн Дербс: Издательство Landmark. п. 160. ISBN 1-901522-44-X.
  • Канефски, Джон; Джон Роби (1980). «Паровые двигатели в Британии XVIII века: количественная оценка». Технологии и культура. 21 (2): 161–186. DOI : 10.2307 / 3103337. ISSN 0040–165X. JSTOR 3103337.
  • Халс, Дэвид К. (1999). Раннее развитие паровой машины. Лимингтон-Спа, Великобритания: TEE Publishing. ISBN 1-85761-119-5.
  • «Развитие паровой машины II». Popular Science Monthly. Vol. 12. декабря 1877 г. ISSN 0161-7370 - через Wikisource.

Внешние ссылки

На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с движками Newcomen.
Последняя правка сделана 2021-05-31 07:23:09
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте