Войти
Последняя версия паровой машины Ватта двойного действия , построенная Д. Napier Son (Лондон) в 1859 году, сейчас в холле Высшей технической школы промышленных инженеров UPM (Madrid ). Такие паровые машины привели к промышленной революции в Великобритании и по всему миру. паровой двигатель Уатта, также известный как паровой двигатель Бултона и Уатта, была ранней паровой машиной и была одной из движущих сил промышленной революции. Джеймс Уотт время от времени разрабатывал дизайн с 1763 по 1775 год при поддержке Мэтью Бултона. Конструкция Watt позволила сэкономить намного больше топлива по сравнению с более ранними конструкциями, поэтому лицензии на них были основаны на количестве топлива, которое они могли бы сэкономить. Ватт никогда не переставал разрабатывать паровую машину, внедряя конструкции двустороннего действия (с двумя цилиндрами) и различные системы для снятия вращательной мощности. Конструкция Ватта стала синонимом паровых двигателей, и прошло много лет, прежде чем существенно новые конструкции начали заменять базовую конструкцию Ватта.
Первые паровые машины, представленные Томасом Ньюкоменом в 1712 году, имели «атмосферную» конструкцию. В конце рабочего такта вес объекта, перемещаемого двигателем, подтягивал поршень к верхней части цилиндра, так как пар вводился. Затем цилиндр охлаждали струей воды, в результате чего пар конденсировался, создавая частичный вакуум в цилиндре. Атмосферное давление на верхнюю часть поршня толкало его вниз, поднимая рабочий объект. Ватт заметил, что требуется значительное количество тепла, чтобы нагреть цилиндр до точки, при которой пар может входить в цилиндр без немедленной конденсации. Когда цилиндр стал достаточно теплым, чтобы наполняться паром, можно было начинать следующий рабочий ход.
Ватт понял, что тепло, необходимое для нагрева цилиндра, можно сэкономить, добавив отдельный конденсирующий цилиндр. После того, как силовой цилиндр был заполнен паром, во вторичный цилиндр открыли клапан, позволяя пару течь в него и конденсироваться, что влекло пар из главного цилиндра, вызывая рабочий ход. Конденсирующий цилиндр охлаждали водой для поддержания конденсации пара. В конце рабочего хода клапан закрывался, так что силовой цилиндр мог быть заполнен паром, когда поршень двигался вверх. Конечным результатом был тот же цикл, что и конструкция Ньюкомена, но без какого-либо охлаждения силового цилиндра, который был немедленно готов к следующему ходу.
Ватт работал над дизайном в течение нескольких лет, представил конденсатор и внес улучшения практически во все части конструкции. Примечательно, что Ватт провел длительную серию испытаний способов уплотнения поршня в цилиндре, что значительно уменьшило утечку во время рабочего хода, предотвращая потерю мощности. Все эти изменения привели к созданию более надежной конструкции, в которой для выработки того же количества энергии использовалось вдвое меньше угля.
Новая конструкция была представлена на коммерческой основе в 1776 году, и первый образец был продан компании Carron Company. металлургический завод. Ватт продолжал работать над усовершенствованием двигателя и в 1781 году представил систему, в которой использовались солнечная и планетарная шестерня для преобразования линейного движения двигателей во вращательное движение. Это сделало его полезным не только в исходной роли перекачки, но и как прямую замену в ролях, где раньше использовалось водяное колесо. Это был ключевой момент промышленной революции, поскольку теперь источники энергии можно было располагать где угодно, вместо того, чтобы, как раньше, требовались подходящий источник воды и топография. Боултон начал разработку множества машин, в которых использовалась эта вращательная сила, разработав первую современную промышленную фабрику, Soho Foundry, которая, в свою очередь, производила новые конструкции паровых двигателей. Первые двигатели Ватта были похожи на оригинальные конструкции Ньюкомена в том, что в них использовался пар низкого давления, а вся мощность производилась за счет атмосферного давления. Когда в начале 1800-х годов другие компании представили паровые двигатели высокого давления, Ватт не захотел последовать их примеру из соображений безопасности. Желая улучшить характеристики своих двигателей, Ватт начал рассматривать использование пара более высокого давления, а также конструкции с использованием нескольких цилиндров как в концепции двойного действия, так и в концепции множественного расширения. Эти двигатели двойного действия потребовали изобретения параллельного движения, которое позволяло штокам поршней отдельных цилиндров двигаться по прямой линии, сохраняя поршень в цилиндре, в то время как Конец балансира перемещался по дуге, что в некоторой степени аналогично траверсе в более поздних паровых машинах.
В 1698 году английский конструктор-механик Томас Савери изобрел насос, который использовал пар для забора воды непосредственно из колодца с помощью вакуума, создаваемого конденсацией пара. Устройство также было предложено для осушения шахт, но оно могло всасывать жидкость только на высоту примерно 25 футов, что означало, что оно должно было располагаться на этом расстоянии от осушаемого пола шахты. По мере того, как шахты становились все глубже, это часто было непрактично. Он также потреблял большое количество топлива по сравнению с более поздними двигателями.
Модель двигателя Ньюкомена, на которой экспериментировал Ватт Решение осушения глубоких шахт было найдено Томасом Ньюкоменом который разработал «атмосферный» двигатель, который также работал по принципу вакуума. В нем использовался цилиндр, содержащий подвижный поршень, связанный цепью с одним концом качающейся балки, которая приводила в действие механический подъемный насос с противоположного конца. В конце каждого хода пар поступал в цилиндр под поршнем. Когда поршень поднимался внутри цилиндра, подтягиваясь вверх за счет противовеса, он втягивал пар при атмосферном давлении. В верхней части хода паровой клапан был закрыт, и в цилиндр на короткое время впрыснули холодную воду для охлаждения пара. Эта вода конденсировала пар и создавала частичный вакуум под поршнем. Атмосферное давление снаружи двигателя тогда было больше, чем давление внутри цилиндра, что толкало поршень в цилиндр. Поршень, прикрепленный к цепи и, в свою очередь, прикрепленный к одному концу «качающейся балки», опускал конец балки, поднимая противоположный конец балки. Следовательно, приводился в действие насос глубоко в шахте, прикрепленный к противоположному концу балки с помощью тросов и цепей. Насос толкал, а не тянул столб воды вверх, поэтому он мог поднимать воду на любое расстояние. Когда поршень оказался внизу, цикл повторился.
Двигатель Ньюкомена был более мощным, чем двигатель Savery. Впервые воду удалось поднять с глубины более 100 ярдов (91 м). Первый экземпляр 1712 года смог заменить упряжку из 500 лошадей, которые использовались для откачки шахты. Семьдесят пять насосных двигателей Newcomen были установлены на шахтах в Великобритании, Франции, Голландии, Швеции и России. В последующие пятьдесят лет в конструкцию двигателя были внесены лишь несколько небольших изменений. Это было большим достижением.
Хотя двигатели Ньюкомена приносили практическую пользу, они были неэффективны с точки зрения использования энергии для их питания. Система поочередной подачи в цилиндр струй пара, а затем холодной воды означала, что стенки цилиндра поочередно нагреваются, а затем охлаждаются с каждым ходом. Каждая введенная порция пара будет продолжать конденсироваться до тех пор, пока температура цилиндра снова не достигнет рабочей температуры. Таким образом, при каждом ударе часть потенциала пара терялась.
Основные компоненты насосного двигателя Ватта В 1763 году Джеймс Ватт работал изготовителем приборов в Университете Глазго, когда ему была поручена работа по ремонту модели двигателя Ньюкомена, и он отметил, насколько он неэффективен.
В 1765 году Ватт задумал оборудовать двигатель отдельной камерой конденсации, которую он назвал а "конденсатор". Поскольку конденсатор и рабочий цилиндр были разделены, конденсация происходила без значительной потери тепла из цилиндра. Конденсатор все время оставался холодным и ниже атмосферного давления, в то время как цилиндр все время оставался горячим.
Пар поступал из котла в цилиндр под поршнем. Когда поршень достиг вершины цилиндра, впускной клапан пара закрылся, а клапан, управляющий проходом к конденсатору, открылся. Конденсатор, находящийся под более низким давлением, втягивал пар из цилиндра в конденсатор, где он охлаждался и конденсировался из водяного пара в жидкую воду, поддерживая частичный вакуум в конденсаторе, который сообщался с пространством цилиндра через соединительный канал. Затем внешнее атмосферное давление толкало поршень вниз по цилиндру.
Разделение цилиндра и конденсатора устранило потерю тепла, которая происходила, когда пар конденсировался в рабочем цилиндре двигателя Ньюкомена. Это дало двигателю Ватта большую эффективность, чем двигатель Ньюкомена, уменьшив количество потребляемого угля, выполняя при этом тот же объем работы, что и двигатель Ньюкомена.
В конструкции Ватта холодная вода впрыскивалась только в камеру конденсации. Этот тип конденсатора известен как струйный конденсатор. Конденсатор расположен в ванне с холодной водой под цилиндром. Объем воды, поступающей в конденсатор в виде брызг, поглощал скрытую теплоту пара, и был определен как семикратный объем конденсированного пара. Затем конденсат и впрыскиваемая вода удалялись воздушным насосом, а окружающая холодная вода служила для поглощения оставшейся тепловой энергии для поддержания температуры конденсатора от 30 ° C до 45 ° C и эквивалентного давления от 0,04 до 0,1 бар <72.>
При каждом такте теплый конденсат отводился из конденсатора и отправлялся в горячий колодец с помощью вакуумного насоса, который также помогал откачивать пар из-под силового цилиндра. Еще теплый конденсат использовался в качестве питательной воды для котла.
Следующим усовершенствованием конструкции Ньюкомена Ватт стал герметизировать верхнюю часть цилиндра и окружить цилиндр рубашкой. Пар пропускался через рубашку перед тем, как попасть под поршень, поддерживая теплоту поршня и цилиндра для предотвращения конденсации внутри него. Вторым усовершенствованием было использование расширения пара против вакуума на другой стороне поршня. Подача пара прекращалась во время хода, и пар расширялся против вакуума с другой стороны. Это увеличивало эффективность двигателя, но также создавало переменный крутящий момент на валу, что было нежелательно для многих применений, в частности для перекачивания. Поэтому Ватт ограничил расширение до соотношения 1: 2 (то есть подача пара была прекращена на половине хода). Это увеличило теоретический КПД с 6,4% до 10,6% при небольшом изменении давления поршня. Ватт не использовал пар высокого давления из соображений безопасности.
Эти улучшения привели к полностью разработанной версии 1776 года, которая фактически пошла в производство.
Отдельный конденсатор продемонстрировал значительный потенциал для усовершенствования двигателя Ньюкомена, но Ватт все еще разочаровывался из-за, казалось бы, непреодолимых проблем, прежде чем продаваемый двигатель мог быть усовершенствован. Это стало реальностью только после заключения партнерства с Мэтью Бултоном. Ватт рассказал Боултону о своих идеях по улучшению двигателя, и Бултон, заядлый предприниматель, согласился профинансировать разработку испытательного двигателя в Сохо, недалеко от Бирмингема. Наконец Ватт получил доступ к оборудованию и практическому опыту мастеров, которые вскоре смогли запустить первый двигатель. В полностью разработанном виде он потреблял примерно на 75% меньше топлива, чем аналогичный двигатель Ньюкомена.
В 1775 году Ватт спроектировал два больших двигателя: один для завода Типтон, завершенный в марте 1776 года, и один для металлургического завода Джона Уилкинсона в Брозли в Шропшир, который был на работе в следующем месяце. Третий двигатель, в Стратфорд-ле-Боу в восточном Лондоне, также работал тем летом.
Ватт в течение нескольких лет безуспешно пытался получить точно расточенный цилиндр для своих паровых двигателей, и был вынужден использовать кованое железо, которое было некруглым и вызывало утечку через поршень. Джозеф Уикхэм Роу заявил в 1916 году: «Когда [Джон] Смитон увидел первый двигатель, он сообщил Инженерному обществу, что« не существует ни инструментов, ни рабочих, которые могли бы изготовить такую сложную машину с достаточной точностью »
В 1774 году Джон Уилкинсон изобрел сверлильный станок, в котором вал, удерживающий режущий инструмент, поддерживался с обоих концов и проходил через цилиндр, в отличие от консольных сверл, которые использовались тогда.. Боултон писал в 1776 году, что «мистер Уилкинсон почти безошибочно просверлил нам несколько цилиндров; цилиндр диаметром 50 дюймов, который мы установили в Типтоне, ни в какой части не совпадает с толщиной старого шиллинга».
Практика Бултона и Ватта заключалась в том, чтобы помогать владельцам шахт и другим заказчикам строить двигатели, поставляя людей для их сборки и некоторых специализированных деталей. Однако их основная прибыль от патента была получена от взимания лицензионного сбора с владельцев двигателей в зависимости от стоимости сэкономленного топлива. Более высокая топливная эффективность их двигателей означала, что они были наиболее привлекательными в регионах, где топливо было дорогим, особенно в Корнуолле, для которого в 1777 году были заказаны три двигателя, для Wheal Busy и Chacewater mines.
параллельное движение Ватта на двигателе с насосом Первыми двигателями Уатта были двигатели атмосферного давления, такие как двигатель Ньюкомена, но причем конденсация происходит отдельно от цилиндра. Работа двигателей с использованием пара низкого давления и частичного вакуума повысила вероятность разработки поршневого двигателя. Расположение клапанов могло попеременно впускать пар низкого давления в цилиндр и затем соединяться с конденсатором. Следовательно, направление рабочего хода может быть изменено на противоположное, что упрощает получение вращательного движения. Дополнительные преимущества двигателя двойного действия заключались в повышении эффективности, более высокой скорости (большей мощности) и более равномерном движении.
До разработки поршня двойного действия связь с балкой и штоком поршня осуществлялась посредством цепи, что означало, что мощность могла быть приложена только в одном направлении, путем вытягивания. Это было эффективно в двигателях, которые использовались для перекачивания воды, но двойное действие поршня означало, что он мог толкать, а также тянуть. Это было невозможно, пока балка и стержень были соединены цепью. Кроме того, было невозможно соединить шток поршня герметичного цилиндра непосредственно с балкой, потому что, когда шток перемещался вертикально по прямой линии, балка поворачивалась в центре, причем каждая сторона вписывала дугу. Чтобы преодолеть противоречивые действия балки и поршня, Ватт разработал свое параллельное движение. Этот шедевр инженерной мысли использует четырехстворчатую связь в сочетании с пантографом, чтобы производить необходимое прямолинейное движение гораздо дешевле, чем если бы он использовал ползунковый тип связи. Он очень гордился своим решением.
Паровая машина Ватта Наличие балки, соединенной с поршневым валом посредством попеременного приложения силы в обоих направлениях, также означало, что можно было использовать движение балки для поворота колеса. Самым простым решением для преобразования действия балки во вращательное движение было соединение балки с колесом с помощью рукоятки кривошипа, но поскольку другая сторона имела патентные права на использование рукоятки, Ватт был вынужден придумайте другое решение. Он принял эпициклическую солнечную и планетарную шестерни, предложенную сотрудником Уильямом Мердоком, но позже, когда истек срок действия патентных прав, вернулся к более знакомой рукоятке. встречается сегодня на большинстве двигателей. Основное колесо, прикрепленное к кривошипу, было большим и тяжелым, служило в качестве маховика , который, будучи приведенным в движение, своим импульсом поддерживал постоянную мощность и сглаживал действие чередующихся ходов. К его вращающемуся центральному валу можно было прикрепить ремни и шестерни для привода большого количества механизмов.
Поскольку заводское оборудование должно было работать с постоянной скоростью, Ватт связал клапан регулятора пара с центробежным регулятором, который он адаптировал из тех, которые используются для автоматического управления скоростью ветряных мельниц. Центробежный двигатель не был истинным регулятором скорости , потому что он не мог поддерживать заданную скорость в ответ на изменение нагрузки.
Эти улучшения позволили паровой машине заменить водяное колесо и лошади в качестве основных источников энергии для британской промышленности, тем самым освободив ее от географических ограничений и став одним из основных двигателей промышленной революции.
Ватт также занимался фундаментальными исследованиями функционирования паровой двигатель. Его наиболее известным измерительным прибором, который используется до сих пор, является индикатор Ватта , включающий в себя манометр для измерения давления пара в цилиндре в соответствии с положением поршня, что позволяет отображать диаграмму. произведено, представляющее давление пара как функцию его объема в течение всего цикла.
Самый старый из сохранившихся двигателей Ватта - Старая Бесс 1777 года, сейчас находится в Музее науки в Лондоне. Самый старый действующий двигатель в мире - Smethwick Engine, введенный в эксплуатацию в мае 1779 года и теперь находящийся в Thinktank в Бирмингеме (бывший в ныне несуществующем Музее науки и промышленности, Бирмингем ). Самым старым, все еще находящимся в первоначальном машинном отделении и способным выполнять работу, для которой он был установлен, является двигатель Болтона и Ватта 1812 года на насосной станции Крофтон. Это использовалось для перекачки воды для канала Кеннет и Эйвон ; в определенные выходные в течение года современные насосы отключаются, и две паровые машины в Крофтоне по-прежнему выполняют эту функцию. Самый старый из сохранившихся ротационных паровых машин, Whitbread Engine (с 1785 года, третий когда-либо построенный роторный двигатель), находится в Музее электростанции в Сиднее, Австралия. Двигатель Boulton-Watt 1788 г. можно найти в Музее науки в Лондоне., А двигатель 1817 , ранее использовавшийся на металлургическом заводе Netherton MW Грейзбрук теперь украшает Дартмутский цирк, островок безопасности в начале автомагистрали A38 (M) в Бирмингеме.
Музей Генри Форда в Дирборне, Мичиган хранит копию роторного двигателя мощностью 1788 Вт. Это полномасштабная рабочая модель двигателя Бултон-Ватта. Американский промышленник Генри Форд заказал копию двигателя у английского производителя Чарльза Саммерфилда в 1932 году. В музее также хранится оригинальный атмосферный насосный двигатель Боултона и Ватта, который первоначально использовался для откачки каналов в Бирмингеме, как показано ниже, и в использовался на месте на насосной станции Боуер-стрит с 1796 по 1854 год, а затем был перевезен в Дирборн в 1929 году.
Двигатель 1817 года в Бирмингеме, Англия
атмосферный насосный двигатель Ватта (1796) в Музей Генри Форда
В 1880-х годах Hathorn Davey and Co / Leeds выпустили атмосферный двигатель мощностью 1 л.с. / 125 об / мин с внешним конденсатором, но без парового расширения. Утверждалось, что это был, вероятно, последний коммерческий атмосферный двигатель, который был произведен. Как атмосферный двигатель, он не имел котла под давлением. Он был предназначен для малого бизнеса.
Daveys Engine 1885 Expansion Engine Уатта обычно считается историческим интересом. Однако есть некоторые недавние разработки, которые могут привести к возрождению технологии. Сегодня в промышленности образуется огромное количество отработанного пара и отработанного тепла с температурами от 100 до 150 ° C. Кроме того, солнечные тепловые коллекторы, источники геотермальной энергии и реакторы на биомассе производят тепло в этом диапазоне температур. Существуют технологии для использования этой энергии, в частности Органический цикл Ренкина. В принципе, это паровые турбины, в которых используется не вода, а жидкость (хладагент), которая испаряется при температуре ниже 100 ° C. Однако такие системы довольно сложны. Они работают при давлении от 6 до 20 бар, поэтому вся система должна быть полностью герметичной.
Двигатель расширения может предложить здесь значительные преимущества, в частности, для более низких номинальных мощностей от 2 до 100 кВт: при коэффициенте расширения 1: 5 теоретический КПД достигает 15%, что находится в диапазоне систем ORC.. Двигатель расширения использует воду в качестве рабочей жидкости, которая является простой, дешевой, нетоксичной, негорючей и неагрессивной. Он работает при давлении близком и ниже атмосферного, так что герметизация не проблема. И это простая машина, предполагающая экономическую эффективность. Исследователи из Университета Саутгемптона / Великобритания в настоящее время разрабатывают современную версию двигателя Ватта для выработки энергии из отработанного пара и отработанного тепла. Они улучшили теорию, продемонстрировав, что теоретический КПД до 17,4% (и фактический КПД 11%) возможен.
25-ваттный экспериментальный конденсаторный двигатель, созданный и испытанный в Саутгемптонском университете Чтобы продемонстрировать принцип, Был построен и испытан экспериментальный образец двигателя мощностью 25 Вт. Двигатель включает в себя расширение пара, а также новые функции, такие как электронное управление. На рисунке показана модель, построенная и испытанная в 2016 году. В настоящее время разрабатывается проект по созданию и испытанию увеличенного двигателя мощностью 2 кВт.
СМИ, связанные с . паровыми двигателями Ватта на Викискладе
