Хто придумав паровий двигун - коли винайшли

15 ряд чи хтось сумнівається, що однією з головних рушійних сил прогресу є людська лінь і прагнення до комфорту. Це підтверджується численними казками, де транспорт пересувається «по щучому велінню», а у щасливчиків є чарівні помічники, які позбавляють господаря від необхідності зробити хоч якесь фізичне зусилля. Але оскільки в реальності «само» нічого не робиться, на протязі всієї історії людства кращі уми сиділи над винаходами, які допомогли б втілити ці мрії в життя.

Якщо говорити мовою фізики та техніки, потрібно було винайти пристрій, яке змогло б перетворити той або інший вид енергії в корисну механічну роботу. З найдавніших часів головним і основним джерелом енергії була м'язова сила людини і тварин, а всі наявні технічні пристосування в кращому випадку допомагали використовувати її більш раціонально і продуктивно. Пізніше люди навчилися застосовувати силу вітру і води, що тече або падає з висоти, змусивши їх працювати в вітряних і водяних двигунах. Однак потужність таких двигунів була невелика, і треба було освоювати більш перспективні види енергії теплову, хімічну та електричну.

Перше відоме теплове пристрій, яке працювало за рахунок сили пара, було побудовано грецьким вченим Архімедом в III в. до н. е. Це була гармата, один кінець якої нагрівали, а потім заливали туди воду. Миттєво нагріваючись, вода перетворювалася на пару, яка, розширюючись, виштовхував з жерла ядро. Через два століття інший грецький вчений Герон Олександрійський створив і описав ще одну теплову машину порожнистий залізна куля, здатний обертатися навколо горизонтальної осі. З закритого котла з киплячою водою пар по трубці надходив в кулю, звідки виходив назовні через зігнуті сопла, при цьому куля приходив в обертання.

Пароплав «Мейфлауер» на річці Міссісіпі. 1855 р

Півтора тисячоліття «Герон куля» був всього лише забавною іграшкою, і тільки в XVI ст. вчені задумалися про можливість практичного застосування теплової енергії. Знаменитий винахідник Леонардо да Вінчі був першим, хто припустив, що пар може виконувати корисну роботу. Про це свідчать малюнки в його рукописах, що зображують циліндр і поршень. Да Вінчі стверджував, що якщо під поршень в циліндр помістити воду, а сам циліндр нагріти, то утворюється водяна пара буде розширюватися, що змусить його шукати вихід і переміщати поршень вгору. Паралельно арабська інженер Таги аль Дін розробив проект пристрою, в якому пар, що направляється на закріплені за обода колеса лопаті, обертав рожен. У XVII ст. схожу машину побудував італійський винахідник Джованні Бранка. Приводиться в рух парою анкерний пристрій по черзі піднімав і опускала пару Пестов в ступах, в результаті чого можна було дробити зерно. Однак в цих прообразах парових турбін потік пара був занадто розсіяним, в результаті чого відбувалася значна втрата енергії.

До кінця XVII в. створювані парові машини були скоріше одиничними технічними диковинками, оскільки економічних передумов для їх масового використання ще не було. У 1б70-х роках французький винахідник Дені Папен і голландський фізик Християн Гюйгенс працювали над машиною, в якій поршень піднімався за рахунок розширення газів при вибуху пороху. У 1680 р Папен створив варіант двигуна, в якому замість пороху використовувалася вода. Її наливали в циліндр під поршень, а сам циліндр розігрівали знизу, при цьому утворюється пар піднімав поршень. Потім циліндр охолоджували, і що знаходиться в ньому пар конденсировался, знову перетворюючись на воду.

Паровий двигун Д. Папена.

Поршень, як і в разі порохового двигуна, під дією своєї ваги і атмосферного тиску опускався. Папен також вважається винахідником парового котла, оскільки саме він зрозумів, що для автоматизації циклу пар повинен подаватися в циліндр ззовні (тому паровий двигун вважається двигуном зовнішнього згоряння: паливо, що розігріває воду спалюється поза робочим циліндра).

Першим паровим двигуном, який був не без успіху використаний на виробництві, стала сконструйована 1698 р англійським військовим інженером Томасом Севери «пожежна установка». Це пристрій, самим винахідником назване «друг рудокопа», являло собою паровий насос, який використовувався для обертання коліс водяного млина і для відкачування води з шахт. Машина була не надто ефективною через великі втрат тепла під час охолодження контейнера і досить небезпечною в експлуатації, оскільки через високий тиску пара трубопроводи і ємності двигуна нерідко вибухали.

У 1712 р англійський коваль Томас Ньюкомен продемонстрував свій «атмосферний двигун». Це був вдосконалений паровий двигун Севери, в якому робочий тиск пара вдалося значно знизити, отже, двигун став більш безпечним. Пара з котла надходив у підставу циліндра і піднімав поршень.

Поняття кінської сили як одиниці потужності парової машини ввів Дж. Уатт. Але першим термін став застосовувати Т. Севери ще в 1698 г. При цьому підхід у них був різний. Севери оцінював потужність свого насоса, виходячи з того, що для його роботи в добу потрібно 10 мінливих в міру втоми коней. Уатт ж враховував тільки працюють на даний момент пару запряжених коней. У підсумку виходило, що потужність майже однакових парових машин Севери оцінював в 10 «конячок», а Уатт тільки в дві.

Відкачування води з вугільної шахти за допомогою парової машини Т. Ньюкомена. Ілюстрація з The Universal Magazine. 1747 р

К. Ф. фон Бреда. Потрет Джеймса Ватта. 1792 р

При уприскуванні в циліндр холодної води пар конденсировался, утворювався вакуум, і під впливом атмосферного тиску поршень опускався. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з'єднаної з коромислом, піднімав шток насоса. Саме машина Ньюкомена стала першим паровим двигуном, з яким прийнято пов'язувати початок промислової революції в Англії. Вона виявилася настільки вдалою, що використовувалася в Європі більше 50 років. Проте в конструкцію вносилися деякі важливі зміни. Зокрема, в 1718 р англієць Генрі Бейтон винайшов розподільний механізм, який автоматично включав або відключав пар і впускав воду. Він же доповнив паровий котел запобіжним клапаном.

Проект першої у світі парової машини, здатної безпосередньо пускати в хід будь-які робочі механізми, запропонував в 1763 р український винахідник Іван Іванович Повзунів, механік на Коливано-Воскресенських гірничорудних заводах Алтаю. Його машина була двоциліндровий вакуумний агрегат з поршнями, з'єднаними ланцюгом, перекинутої через шків. Всі дії в ньому відбувалися автоматично. Замість досвідченого зразка заводське начальство вимагало відразу побудувати велику машину для могутньої повітродувки. Двигун будували майже два роки, і до запуску винахідник не дожив. Машина успішно пройшла випробування і була запущена в експлуатацію. Вже через три місяці вона не тільки виправдала витрати, але і дала прибуток. Однак через деякий час котел дав текти, і з незрозумілих міркувань лагодити машину не стали.

Приблизно в цей же час в Англії над створенням парової машини працював шотландець Джеймс Уатт. Він займався удосконаленням двигуна Ньюкомена. Було ясно, що основний недолік машини Ньюкомена складався в поперемінному нагріванні і охолодженні циліндра. Уатт припустив, що циліндр може постійно залишатися гарячим, якщо до конденсації відводити пар в окремий резервуар через трубопровід з клапаном. Більш того, циліндр може залишатися гарячим, а конденсатор холодним, якщо зовні їх покрити теплоізоляційним матеріалом. У 1768 році він отримав на свій винахід патент, але побудувати машину зміг тільки в 1776 р Вона виявилася вдвічі ефективніше машини Ньюкомена.

Парова машина Ползунова.

У 1782 р з'явилася створена Уаттом перша універсальна парова машина подвійної дії. Її кришка була оснащена сальником, що забезпечував поршня вільний рух штока і в той же час запобігав витоку пара з циліндра. Пара надходила в циліндр з двох сторін поршня поперемінно, таким чином, поршень робив за допомогою пари і робочий, і зворотний хід, чого не було в колишніх машинах. Уатт отримав на свою «ротативних парову машину» патент, і вона почала широко застосовуватися для приведення в дію верстатів і машин спочатку на прядильних і ткацьких фабриках, а потім і на інших промислових підприємствах.

Паровоз «Пихкаючий Біллі».

Макет парової машини Дж. Уатта.

Крім промисловості парові машини міцно зайняли місце в сільському господарстві і на транспорті. Ще в 1850 р англійський винахідник Вільям Говард використовував для оранки локомобіль компактний пересувний паровий двигун. У 1879 р селянин Федір Блінов з Сумиской губернії побудував і запатентував перший у світі гусеничний трактор, що приводиться в дію паровою машиною потужністю 20 л. с.

Перший зразок автомобіля з паровим двигуном в 1769 р випробував французький винахідник Ніколя Жозе Кюньо, його творіння отримало популярність як «мала парова віз Кюньо». Рік по тому публіці представили вже «велику парову віз Кюньо». У 1788 р в США було організовано пароплавне повідомлення по річці Делавер між містами Філадельфія і Берлінгтон. Сконструйований Джоном Фітч пароплав міг прийняти на борт 30 пасажирів і везти їх зі швидкістю 7-8 миль на годину. А в 1804 р Річард Тревітік продемонстрував перший самохідний залізничний локомотив на паровій тязі, побудований на металургійному заводі Пенідаррен в Мер-тир-Тідвіле (Південний Уельс).

Незважаючи на всі зусилля інженерів, досить низький ККД парових двигунів підвищити так і не вдалося, і вже до кінця XIX в. з повною віддачею послужили технічному прогресу машини почали поступово здавати свої позиції. На автомобільному транспорті вони поступилися місцем двигунів внутрішнього згоряння, на залізниці і в промисловості електродвигунів. Однак в теплоенергетиці і на окремих видах транспорту парові машини (особливо парові турбіни) як і раніше використовуються досить широко.

Парова турбіна сталеливарного заводу.