Ποιος εφηύρε το ατμόπλοιο. Ιστορία της δημιουργίας ατμομηχανών

01.11.2023

Η διαδικασία της εφεύρεσης της ατμομηχανής, όπως συμβαίνει συχνά στην τεχνολογία, διήρκεσε σχεδόν έναν αιώνα, επομένως η επιλογή της ημερομηνίας για αυτό το γεγονός είναι αρκετά αυθαίρετη. Ωστόσο, κανείς δεν αρνείται ότι η σημαντική ανακάλυψη που οδήγησε στην τεχνολογική επανάσταση έγινε από τον Σκωτσέζο James Watt.

Οι άνθρωποι σκέφτονταν να χρησιμοποιήσουν τον ατμό ως λειτουργικό υγρό από την αρχαιότητα. Ωστόσο, μόνο στα τέλη του XVII-XVIII αιώνα. κατάφερε να βρει έναν τρόπο να παράγει χρήσιμο έργο χρησιμοποιώντας ατμό. Μία από τις πρώτες προσπάθειες να τεθεί ο ατμός στην υπηρεσία του ανθρώπου έγινε στην Αγγλία το 1698: η μηχανή του εφευρέτη Savery προοριζόταν για την αποστράγγιση ορυχείων και την άντληση νερού. Είναι αλήθεια ότι η εφεύρεση του Savery δεν ήταν ακόμα κινητήρας με την πλήρη έννοια της λέξης, αφού, εκτός από μερικές βαλβίδες που άνοιγαν και έκλειναν χειροκίνητα, δεν είχε κινούμενα μέρη. Το μηχάνημα του Savery λειτούργησε ως εξής: πρώτα, μια σφραγισμένη δεξαμενή γεμίστηκε με ατμό, στη συνέχεια η εξωτερική επιφάνεια της δεξαμενής ψύχθηκε με κρύο νερό, προκαλώντας τη συμπύκνωση του ατμού και τη δημιουργία μερικού κενού στη δεξαμενή. Μετά από αυτό, το νερό - για παράδειγμα, από το κάτω μέρος του άξονα - αναρροφήθηκε στη δεξαμενή μέσω του σωλήνα εισαγωγής και, αφού εισαχθεί το επόμενο τμήμα ατμού, πετάχτηκε έξω.

Η πρώτη ατμομηχανή με έμβολο κατασκευάστηκε από τον Γάλλο Denis Papin το 1698. Το νερό θερμαινόταν μέσα σε έναν κατακόρυφο κύλινδρο με ένα έμβολο και ο ατμός που προέκυψε ώθησε το έμβολο προς τα πάνω. Καθώς ο ατμός ψύχθηκε και συμπυκνωνόταν, το έμβολο κινήθηκε προς τα κάτω υπό την επίδραση της ατμοσφαιρικής πίεσης. Μέσω ενός συστήματος μπλοκ, η ατμομηχανή του Papen μπορούσε να κινήσει διάφορους μηχανισμούς, όπως αντλίες.

Ένα πιο προηγμένο μηχάνημα κατασκευάστηκε το 1712 από τον Άγγλο σιδηρουργό Thomas Newcomen. Όπως και στη μηχανή του Papin, το έμβολο κινούνταν σε κάθετο κύλινδρο. Ατμός από το λέβητα εισήλθε στη βάση του κυλίνδρου και ανέβασε το έμβολο προς τα πάνω. Όταν εγχύθηκε κρύο νερό στον κύλινδρο, ο ατμός συμπυκνώθηκε, σχηματίστηκε κενό στον κύλινδρο και υπό την επίδραση της ατμοσφαιρικής πίεσης το έμβολο έπεσε κάτω. Αυτή η αντίστροφη διαδρομή αφαίρεσε το νερό από τον κύλινδρο και, μέσω μιας αλυσίδας συνδεδεμένης με έναν βραχίονα που κινούνταν σαν κούνια, σήκωσε τη ράβδο της αντλίας προς τα πάνω. Όταν το έμβολο βρισκόταν στο κάτω μέρος της διαδρομής του, ο ατμός εισήλθε ξανά στον κύλινδρο και με τη βοήθεια ενός αντίβαρου συνδεδεμένου με τη ράβδο της αντλίας ή τον βραχίονα, το έμβολο ανέβηκε στην αρχική του θέση. Μετά από αυτό, ο κύκλος επαναλήφθηκε.

Το μηχάνημα Newcomen χρησιμοποιήθηκε ευρέως στην Ευρώπη για περισσότερα από 50 χρόνια. Στη δεκαετία του 1740, μια μηχανή με κύλινδρο μήκους 2,74 μ. και διαμέτρου 76 εκ. ολοκλήρωσε σε μια μέρα το έργο που μια ομάδα 25 ανδρών και 10 αλόγων, που δούλευαν σε βάρδιες, ολοκλήρωσε σε μια εβδομάδα. Και όμως η αποτελεσματικότητά του ήταν εξαιρετικά χαμηλή.

Η βιομηχανική επανάσταση εκδηλώθηκε με μεγαλύτερη σαφήνεια στην Αγγλία, κυρίως στην κλωστοϋφαντουργία. Η ασυμφωνία μεταξύ της προσφοράς υφασμάτων και της ταχέως αυξανόμενης ζήτησης προσέλκυσε τα καλύτερα σχεδιαστικά μυαλά στην ανάπτυξη μηχανών νηματοποίησης και ύφανσης. Τα ονόματα των Cartwright, Kay, Crompton και Hargreaves θα μείνουν για πάντα στην ιστορία της αγγλικής τεχνολογίας. Αλλά οι μηχανές κλώσης και ύφανσης που δημιούργησαν χρειάζονταν έναν ποιοτικά νέο, γενικό κινητήρα που θα οδηγούσε συνεχώς και ομοιόμορφα (αυτό ακριβώς δεν μπορούσε να προσφέρει ένας τροχός νερού) τις μηχανές σε μονοκατευθυντική περιστροφική κίνηση. Ήταν εδώ που το ταλέντο του διάσημου μηχανικού, «του μάγου από το Greenock» James Watt, εμφανίστηκε σε όλη του τη λαμπρότητα.

Ο Watt γεννήθηκε στην πόλη Greenock της Σκωτίας στην οικογένεια ενός ναυπηγού. Δουλεύοντας ως μαθητευόμενος σε εργαστήρια στη Γλασκώβη, τα δύο πρώτα χρόνια ο James απέκτησε τα προσόντα του χαράκτη, ενός πλοιάρχου στην κατασκευή μαθηματικών, γεωδαιτικών, οπτικών οργάνων και διαφόρων οργάνων πλοήγησης. Με τη συμβουλή του θείου του καθηγητή, ο Τζέιμς μπήκε στο τοπικό πανεπιστήμιο ως μηχανικός. Ήταν εδώ που ο Watt άρχισε να εργάζεται σε ατμομηχανές.

Ο James Watt προσπάθησε να βελτιώσει την ατμοσφαιρική μηχανή του Newcomen, η οποία, γενικά, ήταν κατάλληλη μόνο για άντληση νερού. Του ήταν ξεκάθαρο ότι το κύριο μειονέκτημα της μηχανής της Newcomen ήταν η εναλλασσόμενη θέρμανση και ψύξη του κυλίνδρου. Το 1765, ο Watt σκέφτηκε ότι ο κύλινδρος θα μπορούσε να παραμείνει συνεχώς ζεστός εάν, πριν από τη συμπύκνωση, ο ατμός εκτρέπεται σε ξεχωριστή δεξαμενή μέσω ενός αγωγού με βαλβίδα. Επιπλέον, ο Watt έκανε αρκετές ακόμη βελτιώσεις που τελικά μετέτρεψαν την ατμοσφαιρική μηχανή σε ατμομηχανή. Για παράδειγμα, εφηύρε έναν μηχανισμό άρθρωσης - το "παραλληλόγραμμο του Watt" (ονομάζεται έτσι επειδή μέρος των συνδέσμων - μοχλοί που περιλαμβάνονται στη σύνθεσή του - σχηματίζει ένα παραλληλόγραμμο), ο οποίος μετέτρεψε την παλινδρομική κίνηση του εμβόλου στην περιστροφική κίνηση του κύριου άξονα. Τώρα οι αργαλειοί μπορούσαν να λειτουργούν συνεχώς.

Το 1776, η μηχανή του Watt δοκιμάστηκε. Η απόδοσή του ήταν διπλάσια από αυτή της μηχανής της Newcomen. Το 1782, ο Watt δημιούργησε την πρώτη καθολική ατμομηχανή διπλής ενέργειας. Ο ατμός έμπαινε στον κύλινδρο εναλλάξ από τη μία πλευρά του εμβόλου και μετά από την άλλη. Ως εκ τούτου, το έμβολο έκανε τόσο τη διαδρομή εργασίας όσο και την επιστροφή με τη βοήθεια ατμού, κάτι που δεν συνέβαινε στα προηγούμενα μηχανήματα. Δεδομένου ότι σε μια ατμομηχανή διπλής ενέργειας η ράβδος του εμβόλου εκτελούσε μια ενέργεια έλξης και ώθησης, το προηγούμενο σύστημα μετάδοσης κίνησης των αλυσίδων και των βραχιόνων, που ανταποκρίνονταν μόνο στην πρόσφυση, έπρεπε να επανασχεδιαστεί. Ο Watt ανέπτυξε ένα σύστημα συζευγμένων ράβδων και χρησιμοποίησε έναν πλανητικό μηχανισμό για να μετατρέψει την παλινδρομική κίνηση της ράβδου του εμβόλου σε περιστροφική κίνηση, χρησιμοποίησε έναν βαρύ σφόνδυλο, έναν φυγοκεντρικό ελεγκτή ταχύτητας, μια βαλβίδα δίσκου και ένα μανόμετρο για τη μέτρηση της πίεσης ατμού. Η κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας «περιστροφική ατμομηχανή» της Watt χρησιμοποιήθηκε αρχικά ευρέως σε κλωστήρια και υφαντήρια και αργότερα σε άλλες βιομηχανικές επιχειρήσεις. Ο κινητήρας του Watt ήταν κατάλληλος για κάθε μηχανή και οι εφευρέτες των αυτοκινούμενων μηχανισμών έσπευσαν να το εκμεταλλευτούν.

Η ατμομηχανή του Watt ήταν πραγματικά η εφεύρεση του αιώνα, σηματοδοτώντας την αρχή της βιομηχανικής επανάστασης. Όμως ο εφευρέτης δεν σταμάτησε εκεί. Οι γείτονες παρακολούθησαν πολλές φορές με έκπληξη τον Watt να τρέχει με άλογα στο λιβάδι, τραβώντας ειδικά επιλεγμένα βάρη. Έτσι εμφανίστηκε μια μονάδα ισχύος - ιπποδύναμη, η οποία στη συνέχεια έλαβε καθολική αναγνώριση.

Δυστυχώς, οι οικονομικές δυσκολίες ανάγκασαν τον Watt, ήδη στην ενηλικίωση, να πραγματοποιήσει γεωδαιτικές έρευνες, να εργαστεί στην κατασκευή καναλιών, να κατασκευάσει λιμάνια και μαρίνες και τελικά να συνάψει μια οικονομικά υποδουλωτική συμμαχία με τον επιχειρηματία John Rebeck, ο οποίος σύντομα υπέστη πλήρη οικονομική κατάρρευση.

Οι ατμομηχανές χρησιμοποιήθηκαν ως κινητήρες σε αντλιοστάσια, ατμομηχανές, ατμόπλοια, τρακτέρ, ατμοκίνητα αυτοκίνητα και άλλα οχήματα. Οι ατμομηχανές συνέβαλαν στην ευρεία εμπορική χρήση των μηχανών στις επιχειρήσεις και αποτέλεσαν την ενεργειακή βάση της βιομηχανικής επανάστασης του 18ου αιώνα. Αργότερα οι ατμομηχανές αντικαταστάθηκαν από τις μηχανές εσωτερικής καύσης, τους ατμοστρόβιλους και τους ηλεκτρικούς κινητήρες, οι οποίοι είναι πιο αποδοτικοί.

Εφεύρεση και ανάπτυξη

Η πρώτη γνωστή συσκευή που κινείται με ατμό περιγράφηκε από τον Ήρωνα της Αλεξάνδρειας τον πρώτο αιώνα. Ο ατμός που διαφεύγει εφαπτομενικά από τα ακροφύσια που συνδέονται με την μπάλα προκάλεσε την περιστροφή της τελευταίας. Ο πραγματικός ατμοστρόβιλος επινοήθηκε πολύ αργότερα, στη μεσαιωνική Αίγυπτο, από τον Άραβα φιλόσοφο, αστρονόμο και μηχανικό Taqi al-Din Muhammad του 16ου αιώνα ( Αγγλικά). Πρότεινε μια μέθοδο περιστροφής μιας σούβλας μέσω ενός ρεύματος ατμού που κατευθύνεται σε λεπίδες που συνδέονται στο χείλος ενός τροχού. Ένα παρόμοιο μηχάνημα προτάθηκε το 1629 από τον Ιταλό μηχανικό Giovanni Branca για την περιστροφή μιας κυλινδρικής διάταξης αγκύρωσης, η οποία εναλλάξ ύψωνε και απελευθέρωσε ένα ζευγάρι γουδοχέρια σε γουδί. Η ροή ατμού σε αυτούς τους πρώιμους ατμοστρόβιλους δεν ήταν συγκεντρωμένη και μεγάλο μέρος της ενέργειάς του διασκορπίστηκε προς όλες τις κατευθύνσεις, με αποτέλεσμα σημαντικές απώλειες ενέργειας.

Ωστόσο, η περαιτέρω ανάπτυξη της ατμομηχανής απαιτούσε οικονομικές συνθήκες υπό τις οποίες οι κατασκευαστές κινητήρων θα μπορούσαν να επωφεληθούν από τα αποτελέσματά τους. Τέτοιες συνθήκες δεν υπήρχαν ούτε στην αρχαιότητα, ούτε στο Μεσαίωνα, ούτε στην Αναγέννηση. Μόνο στα τέλη του 17ου αιώνα δημιουργήθηκαν οι ατμομηχανές ως μεμονωμένα περιέργεια. Η πρώτη μηχανή δημιουργήθηκε από τον Ισπανό εφευρέτη Jerónimo Ayans de Beaumont, οι εφευρέσεις του οποίου επηρέασαν την πατέντα του T. Severi (βλ. παρακάτω). Η αρχή λειτουργίας και χρήσης των ατμομηχανών περιγράφηκε επίσης το 1655 από τον Άγγλο Edward Somerset. Το 1663 δημοσίευσε ένα σχέδιο και εγκατέστησε μια ατμοκίνητη συσκευή για την ανύψωση νερού στον τοίχο του Μεγάλου Πύργου στο Κάστρο Ράγκλαν (οι εσοχές στον τοίχο όπου ήταν εγκατεστημένη η μηχανή ήταν ακόμα ορατές τον 19ο αιώνα). Ωστόσο, κανείς δεν ήταν διατεθειμένος να ρισκάρει χρήματα σε αυτή τη νέα επαναστατική ιδέα, και η ατμομηχανή παρέμεινε ανέπτυκτη. Ένα από τα πειράματα του Γάλλου φυσικού και εφευρέτη Denis Papin ήταν να δημιουργήσει ένα κενό σε έναν κλειστό κύλινδρο. Στα μέσα της δεκαετίας του 1670 στο Παρίσι, συνεργάστηκε με τον Ολλανδό φυσικό Huygens σε ένα μηχάνημα που εξανάγκαζε τον αέρα από έναν κύλινδρο με την έκρηξη της πυρίτιδας σε αυτό. Βλέποντας την ακεραιότητα του κενού που δημιουργήθηκε από αυτό, ο Papen, αφού έφτασε στην Αγγλία το 1680, δημιούργησε μια έκδοση του ίδιου κυλίνδρου, στην οποία απέκτησε ένα πληρέστερο κενό χρησιμοποιώντας βραστό νερό, το οποίο συμπυκνώθηκε στον κύλινδρο. Έτσι, μπόρεσε να σηκώσει ένα βάρος που ήταν συνδεδεμένο με το έμβολο με ένα σχοινί πεταμένο πάνω από μια τροχαλία. Το σύστημα λειτούργησε ως μοντέλο επίδειξης, αλλά για να επαναληφθεί η διαδικασία, ολόκληρη η συσκευή έπρεπε να αποσυναρμολογηθεί και να επανασυναρμολογηθεί. Ο Papin συνειδητοποίησε γρήγορα ότι για να αυτοματοποιήσει τον κύκλο, ο ατμός έπρεπε να παράγεται ξεχωριστά στο λέβητα. Ως εκ τούτου, ο Papin θεωρείται ο εφευρέτης του ατμολέβητα, ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για την ατμομηχανή Newcomen. Ωστόσο, δεν πρότεινε το σχεδιασμό μιας λειτουργικής ατμομηχανής. Ο Papin σχεδίασε επίσης ένα σκάφος που κινείται από έναν τροχό με άεργο ισχύ, έναν συνδυασμό εννοιών από τον Taqi al-Din και τον Severi. του πιστώνεται επίσης η εφεύρεση πολλών σημαντικών συσκευών, όπως η βαλβίδα ασφαλείας.

Καμία από τις συσκευές που περιγράφονται δεν έχει χρησιμοποιηθεί πραγματικά ως μέσο επίλυσης χρήσιμων προβλημάτων. Η πρώτη ατμομηχανή που χρησιμοποιήθηκε στην παραγωγή ήταν η «πυροσβεστική μηχανή», που σχεδιάστηκε από τον Άγγλο στρατιωτικό μηχανικό Thomas Savery το 1698. Ο Severi έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τη συσκευή του το 1698. Ήταν μια αντλία ατμού με έμβολο, και προφανώς όχι πολύ αποδοτική, αφού η θερμότητα του ατμού χάνονταν κάθε φορά κατά την ψύξη του δοχείου, και ήταν αρκετά επικίνδυνο να λειτουργήσει, καθώς λόγω της υψηλής πίεσης ατμού, τα δοχεία και οι σωληνώσεις του κινητήρα μερικές φορές εξερράγησαν . Δεδομένου ότι αυτή η συσκευή μπορούσε να χρησιμοποιηθεί τόσο για την περιστροφή των τροχών ενός μύλου νερού όσο και για την άντληση νερού από τα ορυχεία, ο εφευρέτης την ονόμασε «φίλος του ανθρακωρύχου».

Η πρώτη δικύλινδρη ατμομηχανή κενού της Ρωσίας σχεδιάστηκε από τον μηχανικό I. I. Polzunov το 1763 και κατασκευάστηκε το 1764 για να οδηγεί φυσητήρες στα εργοστάσια Barnaul Kolyvano-Voskresensk.

Μια περαιτέρω αύξηση στην απόδοση ήταν η χρήση ατμού υψηλής πίεσης (Αμερικανός Oliver Evans και Άγγλος Richard Trevithick). Η Trevithick κατασκεύασε με επιτυχία βιομηχανικούς μονόχρονους κινητήρες υψηλής πίεσης γνωστούς ως "Cornish engines". Λειτουργούσαν σε πίεση 50 psi, ή 345 kPa (3.405 ατμόσφαιρες). Ωστόσο, με την αυξανόμενη πίεση, υπήρχε επίσης μεγαλύτερος κίνδυνος εκρήξεων σε μηχανήματα και λέβητες, που οδήγησαν αρχικά σε πολυάριθμα ατυχήματα. Από αυτή την άποψη, το πιο σημαντικό στοιχείο της μηχανής υψηλής πίεσης ήταν η βαλβίδα ασφαλείας, η οποία απελευθέρωσε την υπερβολική πίεση. Η αξιόπιστη και ασφαλής λειτουργία ξεκίνησε μόνο με τη συσσώρευση εμπειρίας και την τυποποίηση των διαδικασιών για την κατασκευή, λειτουργία και συντήρηση του εξοπλισμού. Ο Γάλλος εφευρέτης Nicolas-Joseph Cugnot παρουσίασε το πρώτο λειτουργικό αυτοκινούμενο ατμοκίνητο όχημα το 1769: το fardier à vapeur (ατμόλουτρο). Ίσως η εφεύρεσή του μπορεί να θεωρηθεί το πρώτο αυτοκίνητο. Το αυτοκινούμενο ατμοκίνητο τρακτέρ αποδείχθηκε πολύ χρήσιμο ως κινητή πηγή μηχανικής ενέργειας που οδηγούσε άλλες γεωργικές μηχανές: αλωνιστές, πρέσες, κ.λπ. Φιλαδέλφεια (Πενσυλβάνια) και Μπέρλινγκτον (πολιτεία της Νέας Υόρκης). Μετέφερε 30 επιβάτες και έπλεε με ταχύτητα 7-8 κόμβων. Στις 21 Φεβρουαρίου 1804, η πρώτη αυτοκινούμενη σιδηροδρομική ατμομηχανή, που κατασκευάστηκε από τον Richard Trevithick, εκτέθηκε στο Penydarren Ironworks στο Merthyr Tydfil στη Νότια Ουαλία.

Παλινδρομικές ατμομηχανές

Οι παλινδρομικοί κινητήρες χρησιμοποιούν την ισχύ ατμού για να μετακινήσουν ένα έμβολο σε έναν σφραγισμένο θάλαμο ή κύλινδρο. Η παλινδρομική δράση του εμβόλου μπορεί να μετατραπεί μηχανικά σε γραμμική κίνηση αντλιών εμβόλου ή σε περιστροφική κίνηση για να κινήσει περιστρεφόμενα μέρη εργαλειομηχανών ή τροχών οχημάτων.

Μηχανές κενού

Χαρακτική μηχανής Newcomen. Αυτή η εικόνα αντιγράφεται από ένα σχέδιο στο A Course in Experimental Philosophy του Desagliers, 1744, το οποίο είναι ένα τροποποιημένο αντίγραφο ενός χαρακτικού του Henry Beaton με ημερομηνία 1717. Αυτή είναι πιθανώς η δεύτερη μηχανή του Newcomen, που εγκαταστάθηκε γύρω στο 1714 στο Grief Colliery στο Warkshire.

Οι πρώιμες ατμομηχανές ονομάζονταν αρχικά «πυροσβεστικές» και επίσης «ατμοσφαιρικές» ή «συμπυκνωτικές» μηχανές του Watt. Εργάστηκαν με βάση την αρχή του κενού και επομένως είναι επίσης γνωστοί ως «κινητήρες κενού». Τέτοιες μηχανές λειτούργησαν για την κίνηση εμβολοφόρων αντλιών, σε κάθε περίπτωση, δεν υπάρχει καμία ένδειξη ότι χρησιμοποιήθηκαν για άλλους σκοπούς. Όταν λειτουργεί μια ατμομηχανή τύπου κενού, στην αρχή της διαδρομής, εισέρχεται ατμός χαμηλής πίεσης στον θάλαμο εργασίας ή στον κύλινδρο. Στη συνέχεια, η βαλβίδα εισαγωγής κλείνει και ο ατμός ψύχεται με συμπύκνωση. Σε έναν κινητήρα Newcomen, το νερό ψύξης ψεκάζεται απευθείας στον κύλινδρο και το συμπύκνωμα αποστραγγίζεται σε έναν συλλέκτη συμπυκνωμάτων. Αυτό δημιουργεί ένα κενό στον κύλινδρο. Η ατμοσφαιρική πίεση στο πάνω μέρος του κυλίνδρου πιέζει το έμβολο και το αναγκάζει να κινηθεί προς τα κάτω, δηλαδή τη διαδρομή εργασίας.

Η συνεχής ψύξη και επαναθέρμανση του κυλίνδρου εργασίας της μηχανής ήταν πολύ σπάταλη και αναποτελεσματική, ωστόσο, αυτές οι ατμομηχανές επέτρεψαν την άντληση νερού από μεγαλύτερα βάθη από ό,τι ήταν δυνατό πριν από την εισαγωγή τους. Το 1774, εμφανίστηκε μια έκδοση της ατμομηχανής, που δημιουργήθηκε από τον Watt σε συνεργασία με τον Matthew Boulton, η κύρια καινοτομία της οποίας ήταν η αφαίρεση της διαδικασίας συμπύκνωσης σε έναν ειδικό ξεχωριστό θάλαμο (συμπυκνωτή). Αυτός ο θάλαμος τοποθετήθηκε σε ένα λουτρό με κρύο νερό και συνδέθηκε με τον κύλινδρο μέσω ενός σωλήνα που κλείνει με μια βαλβίδα. Μια ειδική μικρή αντλία κενού (πρωτότυπο μιας αντλίας συμπυκνώματος) προσαρτήθηκε στον θάλαμο συμπύκνωσης, κινούμενη από έναν βραχίονα στροφέα και χρησιμοποιήθηκε για την αφαίρεση του συμπυκνώματος από τον συμπυκνωτή. Το ζεστό νερό που προέκυψε τροφοδοτήθηκε από μια ειδική αντλία (πρωτότυπο της αντλίας τροφοδοσίας) πίσω στο λέβητα. Μια άλλη ριζική καινοτομία ήταν το κλείσιμο του άνω άκρου του κυλίνδρου εργασίας, ο οποίος πλέον περιείχε ατμό χαμηλής πίεσης στην κορυφή. Ο ίδιος ατμός υπήρχε και στο διπλό χιτώνιο του κυλίνδρου, διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία του. Καθώς το έμβολο κινούνταν προς τα πάνω, ο ατμός αυτός μεταφερόταν μέσω ειδικών σωλήνων στο κάτω μέρος του κυλίνδρου για να υποστεί συμπύκνωση κατά την επόμενη διαδρομή. Το μηχάνημα, στην πραγματικότητα, έπαψε να είναι «ατμοσφαιρικό», και η ισχύς του πλέον εξαρτιόταν από τη διαφορά πίεσης μεταξύ του ατμού χαμηλής πίεσης και του κενού που μπορούσε να επιτευχθεί.

Η έκδοση Watt της ατμομηχανής

Στην ατμομηχανή του Newcomen, το έμβολο λιπάνθηκε με μια μικρή ποσότητα νερού που χύθηκε από πάνω στο μηχάνημα του Watt, αυτό έγινε αδύνατο, καθώς υπήρχε πλέον ατμός στο πάνω μέρος του κυλίνδρου ένα μείγμα λίπους και λαδιού. Το ίδιο λιπαντικό χρησιμοποιήθηκε στη στεγανοποίηση της ράβδου του κυλίνδρου.

Οι ατμομηχανές κενού, παρά τους προφανείς περιορισμούς της απόδοσής τους, ήταν σχετικά ασφαλείς και χρησιμοποιούσαν ατμό χαμηλής πίεσης, κάτι που ήταν αρκετά συνεπές με το γενικό χαμηλό επίπεδο τεχνολογίας του λέβητα τον 18ο αιώνα. Η ισχύς του μηχανήματος περιοριζόταν από τη χαμηλή πίεση ατμού, το μέγεθος του κυλίνδρου, τον ρυθμό καύσης του καυσίμου και την εξάτμιση του νερού στο λέβητα, καθώς και το μέγεθος του συμπυκνωτή. Η μέγιστη θεωρητική απόδοση περιορίστηκε από τη σχετικά μικρή διαφορά θερμοκρασίας και στις δύο πλευρές του εμβόλου. Αυτό έκανε τις μηχανές κενού που προορίζονται για βιομηχανική χρήση πολύ μεγάλες και ακριβές.

Διανομή ατμού

Διάγραμμα ένδειξης που δείχνει τον κύκλο τεσσάρων φάσεων μιας παλινδρομικής ατμομηχανής διπλής ενέργειας

Στις περισσότερες παλινδρομικές ατμομηχανές, ο ατμός αλλάζει κατεύθυνση σε κάθε διαδρομή του κύκλου λειτουργίας, εισερχόμενος και έξοδος από τον κύλινδρο μέσω της ίδιας πολλαπλής. Ένας πλήρης κύκλος κινητήρα απαιτεί μια πλήρη περιστροφή του στρόφαλου και αποτελείται από τέσσερις φάσεις - εισαγωγή, εκτόνωση (φάση εργασίας), εξάτμιση και συμπίεση. Αυτές οι φάσεις ελέγχονται από βαλβίδες στο "κουτί ατμού" δίπλα στον κύλινδρο. Οι βαλβίδες ελέγχουν τη ροή του ατμού συνδέοντας πολλαπλές σε κάθε πλευρά του κυλίνδρου εργασίας σε σειρά με τις πολλαπλές εισόδου και εξόδου της ατμομηχανής. Οι βαλβίδες οδηγούνται από κάποιο τύπο μηχανισμού βαλβίδων. Ο απλούστερος μηχανισμός βαλβίδας δίνει σταθερή διάρκεια των φάσεων λειτουργίας και συνήθως δεν έχει τη δυνατότητα αλλαγής της φοράς περιστροφής του άξονα της μηχανής. Οι περισσότεροι μηχανισμοί βαλβίδων είναι πιο προηγμένοι, έχουν αντίστροφο μηχανισμό και σας επιτρέπουν επίσης να προσαρμόσετε την ισχύ και τη ροπή του μηχανήματος αλλάζοντας την "διακοπή ατμού", δηλαδή αλλάζοντας την αναλογία των φάσεων εισαγωγής και εκτόνωσης. Δεδομένου ότι συνήθως η ίδια συρόμενη βαλβίδα ελέγχει τόσο τη ροή ατμού εισόδου όσο και εξόδου, η αλλαγή αυτών των φάσεων επηρεάζει επίσης συμμετρικά την αναλογία των φάσεων εξαγωγής και συμπίεσης. Και εδώ υπάρχει ένα πρόβλημα, καθώς η αναλογία αυτών των φάσεων δεν θα πρέπει ιδανικά να αλλάξει: εάν η φάση εξαγωγής γίνει πολύ μικρή, τότε το μεγαλύτερο μέρος του ατμού εξαγωγής δεν θα έχει χρόνο να φύγει από τον κύλινδρο και θα δημιουργήσει σημαντική αντίθλιψη στη συμπίεση φάση. Στη δεκαετία του 1840 και του 1850, έγιναν πολλές προσπάθειες για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός, κυρίως με τη δημιουργία κυκλωμάτων με μια πρόσθετη βαλβίδα διακοπής τοποθετημένη στην κύρια βαλβίδα ελέγχου, αλλά τέτοιοι μηχανισμοί δεν λειτουργούσαν ικανοποιητικά και ήταν επίσης πολύ ακριβοί και περίπλοκοι. Έκτοτε, μια κοινή συμβιβαστική λύση ήταν η επιμήκυνση των επιφανειών ολίσθησης των βαλβίδων μπομπίνας έτσι ώστε η θύρα εισόδου να κλείνει περισσότερο από τη θύρα εξόδου. Αργότερα αναπτύχθηκαν κυκλώματα με ξεχωριστές βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής που θα μπορούσαν να παρέχουν έναν σχεδόν τέλειο κύκλο λειτουργίας, αλλά αυτά τα κυκλώματα σπάνια χρησιμοποιήθηκαν στην πράξη, ειδικά στη μεταφορά, λόγω της πολυπλοκότητάς τους και των λειτουργικών προβλημάτων που αντιμετωπίζουν.

Συμπίεση

Το παράθυρο εξόδου του κυλίνδρου της ατμομηχανής κλείνει ελαφρώς νωρίτερα από ό,τι το έμβολο φτάσει στην ακραία θέση του, γεγονός που αφήνει μια ορισμένη ποσότητα αποβλήτων ατμού στον κύλινδρο. Αυτό σημαίνει ότι στον κύκλο εργασίας υπάρχει μια φάση συμπίεσης, η οποία σχηματίζει το λεγόμενο «μαξιλάρι ατμού», επιβραδύνοντας την κίνηση του εμβόλου στις ακραίες θέσεις του. Επιπλέον, αυτό εξαλείφει την ξαφνική πτώση πίεσης στην αρχή της φάσης εισαγωγής όταν εισέρχεται φρέσκος ατμός στον κύλινδρο.

Προκαταβολή

Το περιγραφόμενο φαινόμενο «μαξιλαριού ατμού» ενισχύεται επίσης από το γεγονός ότι η εισαγωγή φρέσκου ατμού στον κύλινδρο ξεκινά λίγο νωρίτερα από ό,τι το έμβολο φτάσει στην ακραία θέση του, δηλαδή υπάρχει κάποια πρόοδος της εισαγωγής. Αυτή η προώθηση είναι απαραίτητη, ώστε πριν το έμβολο ξεκινήσει τη διαδρομή εργασίας του υπό την επίδραση φρέσκου ατμού, ο ατμός θα έχει χρόνο να γεμίσει τον νεκρό χώρο που προέκυψε ως αποτέλεσμα της προηγούμενης φάσης, δηλαδή τα κανάλια εισαγωγής-εξαγωγής και όγκος κυλίνδρου που δεν χρησιμοποιείται για την κίνηση του εμβόλου.

Απλή επέκταση

Η απλή διαστολή προϋποθέτει ότι ο ατμός λειτουργεί μόνο όταν διαστέλλεται στον κύλινδρο και ο ατμός της εξάτμισης απελευθερώνεται απευθείας στην ατμόσφαιρα ή εισέρχεται σε ειδικό συμπυκνωτή. Η υπολειπόμενη θερμότητα του ατμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για παράδειγμα, για τη θέρμανση ενός δωματίου ή οχήματος, καθώς και για την προθέρμανση του νερού που εισέρχεται στο λέβητα.

Χημική ένωση

Κατά τη διαδικασία διαστολής στον κύλινδρο μιας μηχανής υψηλής πίεσης, η θερμοκρασία του ατμού πέφτει ανάλογα με τη διαστολή του. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας (αδιαβατική διαδικασία), αποδεικνύεται ότι ο ατμός εισέρχεται στον κύλινδρο σε υψηλότερη θερμοκρασία από ό,τι εξέρχεται από αυτόν. Τέτοιες αλλαγές θερμοκρασίας στον κύλινδρο οδηγούν σε μείωση της απόδοσης της διαδικασίας.

Μία από τις μεθόδους αντιμετώπισης αυτής της διαφοράς θερμοκρασίας προτάθηκε το 1804 από τον Άγγλο μηχανικό Άρθουρ Γουλφ, ο οποίος κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σύνθετη ατμομηχανή υψηλής πίεσης Wulf. Σε αυτό το μηχάνημα, ο ατμός υψηλής θερμοκρασίας από έναν λέβητα ατμού εισήλθε σε έναν κύλινδρο υψηλής πίεσης και στη συνέχεια ο ατμός που εξαντλήθηκε σε αυτόν σε χαμηλότερη θερμοκρασία και πίεση εισήλθε στον κύλινδρο χαμηλής πίεσης (ή στους κυλίνδρους). Αυτό μείωσε τη διαφορά θερμοκρασίας σε κάθε κύλινδρο, γεγονός που μείωσε συνολικά τις απώλειες θερμοκρασίας και βελτίωσε τη συνολική απόδοση της ατμομηχανής. Ο ατμός χαμηλής πίεσης είχε μεγαλύτερο όγκο και επομένως απαιτούσε μεγαλύτερο όγκο κυλίνδρου. Επομένως, στις σύνθετες μηχανές, οι κύλινδροι χαμηλής πίεσης είχαν μεγαλύτερη διάμετρο (και μερικές φορές μεγαλύτερη) από τους κυλίνδρους υψηλής πίεσης.

Αυτή η διάταξη είναι επίσης γνωστή ως «διπλή διαστολή» επειδή η διαστολή του ατμού συμβαίνει σε δύο στάδια. Μερικές φορές ένας κύλινδρος υψηλής πίεσης συνδεόταν με δύο κυλίνδρους χαμηλής πίεσης, με αποτέλεσμα τρεις κυλίνδρους περίπου ίσου μεγέθους. Αυτό το σχήμα ήταν πιο εύκολο να εξισορροπηθεί.

Οι μηχανές σύνθεσης διπλού κυλίνδρου μπορούν να ταξινομηθούν ως:

Διασταυρούμενη ένωση- Οι κύλινδροι βρίσκονται κοντά, τα κανάλια ατμοαγωγών τους διασταυρώνονται.
Διαδοχική ένωση- Οι κύλινδροι είναι διατεταγμένοι σε σειρά και χρησιμοποιούν μία ράβδο.
Γωνιακή ένωση- Οι κύλινδροι βρίσκονται σε γωνία μεταξύ τους, συνήθως 90 μοιρών, και λειτουργούν σε έναν στρόφαλο.

Μετά τη δεκαετία του 1880, οι σύνθετες ατμομηχανές έγιναν ευρέως διαδεδομένες στην κατασκευή και τις μεταφορές και έγιναν ουσιαστικά ο μόνος τύπος που χρησιμοποιήθηκε στα ατμόπλοια. Η χρήση τους σε ατμομηχανές δεν έγινε τόσο διαδεδομένη επειδή αποδείχτηκε ότι ήταν πολύ περίπλοκες, εν μέρει λόγω των δύσκολων συνθηκών λειτουργίας των ατμομηχανών στις σιδηροδρομικές μεταφορές. Αν και οι σύνθετες ατμομηχανές δεν έγιναν ποτέ ευρέως διαδεδομένο φαινόμενο (ειδικά στο Ηνωμένο Βασίλειο, όπου ήταν πολύ λίγες και δεν χρησιμοποιήθηκαν καθόλου μετά τη δεκαετία του 1930), κέρδισαν κάποια δημοτικότητα σε πολλές χώρες.

Πολλαπλή επέκταση

Μια λογική εξέλιξη του σύνθετου σχήματος ήταν η προσθήκη πρόσθετων σταδίων επέκτασης σε αυτό, τα οποία αύξησαν την αποτελεσματικότητα της εργασίας. Το αποτέλεσμα ήταν ένα σχήμα πολλαπλής επέκτασης γνωστό ως μηχανές τριπλής ή ακόμα και τετραπλής επέκτασης. Αυτές οι ατμομηχανές χρησιμοποιούσαν μια σειρά από κυλίνδρους διπλής ενέργειας, ο όγκος των οποίων αυξανόταν με κάθε στάδιο. Μερικές φορές, αντί να αυξηθεί ο όγκος των κυλίνδρων χαμηλής πίεσης, χρησιμοποιήθηκε αύξηση του αριθμού τους, όπως ακριβώς σε ορισμένες σύνθετες μηχανές.

Η εικόνα στα δεξιά δείχνει τη λειτουργία μιας ατμομηχανής τριπλής διαστολής. Ο ατμός περνά μέσα από το μηχάνημα από αριστερά προς τα δεξιά. Το μπλοκ βαλβίδων κάθε κυλίνδρου βρίσκεται στα αριστερά του αντίστοιχου κυλίνδρου.

Η εμφάνιση αυτού του τύπου ατμομηχανής έγινε ιδιαίτερα σημαντική για τον στόλο, καθώς οι απαιτήσεις μεγέθους και βάρους για τους κινητήρες πλοίων δεν ήταν πολύ αυστηρές και το πιο σημαντικό, αυτός ο σχεδιασμός διευκόλυνε τη χρήση ενός συμπυκνωτή που επιστρέφει τον ατμό με τη μορφή φρέσκο νερό πίσω στο λέβητα (χρησιμοποιήστε αλατισμένο θαλασσινό νερό ήταν αδύνατο να τροφοδοτήσετε τους λέβητες). Οι επίγειες ατμομηχανές συνήθως δεν είχαν προβλήματα με την παροχή νερού και ως εκ τούτου μπορούσαν να απελευθερώσουν ατμό αποβλήτων στην ατμόσφαιρα. Επομένως, ένα τέτοιο σχέδιο ήταν λιγότερο σχετικό για αυτούς, ειδικά λαμβάνοντας υπόψη την πολυπλοκότητα, το μέγεθος και το βάρος του. Η κυριαρχία των ατμομηχανών πολλαπλής επέκτασης έληξε μόνο με την εμφάνιση και την ευρεία χρήση των ατμοστροβίλων. Ωστόσο, οι σύγχρονοι ατμοστρόβιλοι χρησιμοποιούν την ίδια αρχή της διαίρεσης της ροής σε τμήματα υψηλής, μέσης και χαμηλής πίεσης.

Ατμομηχανές άμεσης ροής

Οι ατμομηχανές άπαξ προέκυψαν ως αποτέλεσμα μιας προσπάθειας να ξεπεραστούν ένα από τα μειονεκτήματα που ενυπάρχουν στις ατμομηχανές με την παραδοσιακή διανομή ατμού. Το γεγονός είναι ότι ο ατμός σε μια συμβατική ατμομηχανή αλλάζει συνεχώς την κατεύθυνση της κίνησής του, καθώς το ίδιο παράθυρο σε κάθε πλευρά του κυλίνδρου χρησιμοποιείται τόσο για την εισαγωγή όσο και για την εξαγωγή ατμού. Όταν ο ατμός εξαγωγής φεύγει από τον κύλινδρο, ψύχει τα τοιχώματά του και τα κανάλια διανομής ατμού. Ο φρέσκος ατμός, κατά συνέπεια, ξοδεύει ένα ορισμένο ποσό ενέργειας για τη θέρμανση τους, γεγονός που οδηγεί σε πτώση της απόδοσης. Οι ατμομηχανές μιας φοράς έχουν ένα πρόσθετο παράθυρο, το οποίο ανοίγει από το έμβολο στο τέλος κάθε φάσης και μέσω του οποίου ο ατμός φεύγει από τον κύλινδρο. Αυτό αυξάνει την απόδοση του μηχανήματος επειδή ο ατμός κινείται προς μία κατεύθυνση και η κλίση θερμοκρασίας των τοιχωμάτων του κυλίνδρου παραμένει λίγο-πολύ σταθερή. Οι μηχανές απλής διαστολής άμεσης ροής παρουσιάζουν περίπου την ίδια απόδοση με τις σύνθετες μηχανές με συμβατική κατανομή ατμού. Επιπλέον, μπορούν να λειτουργούν σε υψηλότερες ταχύτητες και επομένως, πριν από την εμφάνιση των ατμοστρόβιλων, χρησιμοποιούνταν συχνά για την κίνηση ηλεκτρικών γεννητριών που απαιτούσαν υψηλές ταχύτητες περιστροφής.

Οι ατμομηχανές άμεσης ροής μπορούν να είναι είτε μονής είτε διπλής δράσης.

Ατμοστρόβιλοι

Ένας ατμοστρόβιλος αποτελείται από ένα τύμπανο ή μια σειρά περιστρεφόμενων δίσκων τοποθετημένων σε έναν μόνο άξονα, που ονομάζεται δρομέας τουρμπίνας, και μια σειρά από εναλλασσόμενους σταθερούς δίσκους τοποθετημένους σε μια βάση, που ονομάζεται στάτορας. Οι δίσκοι του ρότορα έχουν λεπίδες εξωτερικά. Οι δίσκοι στάτορα έχουν παρόμοια (σε ενεργά ή παρόμοια σε αντιδραστικά) πτερύγια εγκατεστημένα σε αντίθετες γωνίες, τα οποία χρησιμεύουν για να ανακατευθύνουν τη ροή ατμού στους δίσκους του ρότορα που τους ακολουθούν. Κάθε δίσκος ρότορα και ο αντίστοιχος δίσκος στάτορα ονομάζονται στάδιο στροβίλου. Ο αριθμός και το μέγεθος των σταδίων κάθε τουρμπίνας επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε να μεγιστοποιείται η ωφέλιμη ενέργεια του ατμού της ταχύτητας και της πίεσης που του παρέχεται. Ο ατμός της εξάτμισης που βγαίνει από τον στρόβιλο εισέρχεται στον συμπυκνωτή. Οι στρόβιλοι περιστρέφονται με πολύ υψηλές ταχύτητες, και επομένως χρησιμοποιούνται ειδικά κιβώτια μείωσης κατά τη μεταφορά της περιστροφής σε άλλο εξοπλισμό. Επιπλέον, οι στρόβιλοι δεν μπορούν να αλλάξουν την κατεύθυνση της περιστροφής τους και συχνά απαιτούν πρόσθετους μηχανισμούς αντίστροφης περιστροφής (μερικές φορές χρησιμοποιούνται πρόσθετα στάδια αντίστροφης περιστροφής).

Οι στρόβιλοι μετατρέπουν την ενέργεια του ατμού απευθείας σε περιστροφή και δεν απαιτούν πρόσθετους μηχανισμούς για τη μετατροπή της παλινδρομικής κίνησης σε περιστροφή. Επιπλέον, οι τουρμπίνες είναι πιο συμπαγείς από τις παλινδρομικές μηχανές και έχουν σταθερή δύναμη στον άξονα εξόδου. Επειδή οι τουρμπίνες είναι απλούστερες στο σχεδιασμό, απαιτούν γενικά λιγότερη συντήρηση.

Άλλοι τύποι ατμομηχανών

Εκτός από τις ατμομηχανές με πιστόνι, οι περιστροφικές ατμομηχανές χρησιμοποιήθηκαν ενεργά τον 19ο αιώνα. Στη Ρωσία, στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, ονομάζονταν "περιστροφικές μηχανές" (δηλαδή, "περιστροφή ενός τροχού" από τη λέξη "kolo" - "τροχός"). Υπήρχαν διάφοροι τύποι, αλλά ο πιο επιτυχημένος και αποτελεσματικός ήταν η «περιστροφική μηχανή» του μηχανολόγου μηχανικού της Αγίας Πετρούπολης N. N. Tverskoy. Ατμομηχανή N. N. Tverskoy. Το μηχάνημα ήταν ένα κυλινδρικό σώμα στο οποίο περιστρεφόταν ένα στροφείο-στροφείο και οι θάλαμοι διαστολής κλειδώνονταν με ειδικά τύμπανα ασφάλισης. Η «Περιστροφική μηχανή» του N. N. Tverskoy δεν είχε ούτε ένα εξάρτημα που να εκτελεί παλινδρομικές κινήσεις και να είναι τέλεια ισορροπημένο. Ο κινητήρας Tverskoy δημιουργήθηκε και λειτούργησε κυρίως με τον ενθουσιασμό του συγγραφέα του, αλλά χρησιμοποιήθηκε σε πολλά αντίτυπα σε μικρά πλοία, σε εργοστάσια και για να οδηγεί δυναμό. Ένας από τους κινητήρες εγκαταστάθηκε ακόμη και στο αυτοκρατορικό γιοτ "Standard" και ως μηχάνημα διαστολής - που οδηγείται από έναν κύλινδρο με συμπιεσμένη αέρια αμμωνία, αυτός ο κινητήρας οδήγησε σε βυθισμένη θέση ένα από τα πρώτα πειραματικά υποβρύχια - τον "υποβρύχιο καταστροφέα". που δοκιμάστηκε από τον N. N. Tverskoy τη δεκαετία του 80 του 19ου αιώνα στα νερά του Φινλανδικού Κόλπου. Ωστόσο, με την πάροδο του χρόνου, όταν οι ατμομηχανές αντικαταστάθηκαν από κινητήρες εσωτερικής καύσης και ηλεκτρικούς κινητήρες, η «περιστροφική μηχανή» του N. N. Tverskoy πρακτικά ξεχάστηκε. Ωστόσο, αυτές οι «περιστροφικές μηχανές» μπορούν να θεωρηθούν τα πρωτότυπα των σημερινών περιστροφικών κινητήρων εσωτερικής καύσης.

Εφαρμογή

Οι ατμομηχανές μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με την εφαρμογή τους ως εξής:

Σταθερές μηχανές

Σφυρί ατμού

Ατμομηχανή σε ένα παλιό εργοστάσιο ζάχαρης, Κούβα

Οι σταθερές ατμομηχανές μπορούν να χωριστούν σε δύο τύπους ανάλογα με τον τρόπο χρήσης τους:

Μηχανές μεταβλητού τρόπου λειτουργίας, που περιλαμβάνουν μηχανές ελασματουργίας, βαρούλκα ατμού και παρόμοιες συσκευές, οι οποίες πρέπει συχνά να σταματούν και να αλλάζουν κατεύθυνση περιστροφής.
Ηλεκτρικά μηχανήματα που σπάνια σταματούν και δεν πρέπει να αλλάζουν φορά περιστροφής. Αυτά περιλαμβάνουν ενεργειακούς κινητήρες σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας, καθώς και βιομηχανικούς κινητήρες που χρησιμοποιούνται σε εργοστάσια, εργοστάσια και καλωδιακούς σιδηροδρόμους πριν από την ευρεία χρήση της ηλεκτρικής έλξης. Οι κινητήρες χαμηλής ισχύος χρησιμοποιούνται σε θαλάσσια μοντέλα και σε ειδικές συσκευές.

Ένα βαρούλκο ατμού είναι ουσιαστικά ένας σταθερός κινητήρας, αλλά είναι τοποθετημένος σε ένα πλαίσιο στήριξης ώστε να μπορεί να μετακινηθεί. Μπορεί να ασφαλιστεί με ένα καλώδιο σε μια άγκυρα και να μετακινηθεί με τη δική του έλξη σε μια νέα θέση.

Οχήματα μεταφοράς

Οι ατμομηχανές χρησιμοποιήθηκαν για την τροφοδοσία διαφόρων τύπων οχημάτων, μεταξύ των οποίων:

Χερσαία οχήματα:
- Ατμοτρακτέρ
- Φτυάρι ατμού, και μάλιστα
Ατμοπλάνο.

Στη Ρωσία, η πρώτη ατμομηχανή σε λειτουργία κατασκευάστηκε από τους E. A. και M. E. Cherepanov στο εργοστάσιο Nizhne Tagil το 1834 για τη μεταφορά μεταλλεύματος. Έφτασε σε ταχύτητα 13 βερστ την ώρα και μετέφερε περισσότερα από 200 poods (3,2 τόνους) φορτίου. Το μήκος του πρώτου σιδηροδρόμου ήταν 850 μ.

Πλεονεκτήματα των ατμομηχανών

Το κύριο πλεονέκτημα των ατμομηχανών είναι ότι μπορούν να χρησιμοποιήσουν σχεδόν οποιαδήποτε πηγή θερμότητας για να τη μετατρέψουν σε μηχανική εργασία. Αυτό τους διακρίνει από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης, κάθε τύπος των οποίων απαιτεί τη χρήση συγκεκριμένου τύπου καυσίμου. Αυτό το πλεονέκτημα είναι πιο αισθητό στη χρήση της πυρηνικής ενέργειας, καθώς ένας πυρηνικός αντιδραστήρας δεν είναι σε θέση να παράγει μηχανική ενέργεια, αλλά παράγει μόνο θερμότητα, η οποία χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού για την κίνηση ατμομηχανών (συνήθως ατμοστρόβιλους). Επιπλέον, υπάρχουν και άλλες πηγές θερμότητας που δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κινητήρες εσωτερικής καύσης, όπως η ηλιακή ενέργεια. Μια ενδιαφέρουσα κατεύθυνση είναι η χρήση ενέργειας από διαφορές θερμοκρασίας στον Παγκόσμιο Ωκεανό σε διαφορετικά βάθη.

Παρόμοιες ιδιότητες έχουν και άλλοι τύποι κινητήρων εξωτερικής καύσης, όπως ο κινητήρας Stirling, ο οποίος μπορεί να προσφέρει πολύ υψηλή απόδοση, αλλά έχει σημαντικά μεγαλύτερο βάρος και μέγεθος από τους σύγχρονους τύπους ατμομηχανών.

Οι ατμομηχανές αποδίδουν καλά σε μεγάλα υψόμετρα, καθώς η απόδοση λειτουργίας τους δεν μειώνεται λόγω της χαμηλής ατμοσφαιρικής πίεσης. Οι ατμομηχανές εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται στις ορεινές περιοχές της Λατινικής Αμερικής, παρά το γεγονός ότι στα πεδινά έχουν αντικατασταθεί εδώ και πολύ καιρό από πιο σύγχρονους τύπους ατμομηχανών.

Στην Ελβετία (Brienz Rothorn) και στην Αυστρία (Schafberg Bahn), οι νέες ατμομηχανές που χρησιμοποιούν ξηρό ατμό έχουν αποδείξει την αποτελεσματικότητά τους. Αυτός ο τύπος ατμομηχανής αναπτύχθηκε με βάση τα μοντέλα Swiss Locomotive and Machine Works (SLM), με πολλές σύγχρονες βελτιώσεις όπως η χρήση ρουλεμάν κυλίνδρων, η σύγχρονη θερμομόνωση, η καύση κλασμάτων ελαφρού πετρελαίου ως καύσιμο, οι βελτιωμένες γραμμές ατμού κ.λπ. Ως αποτέλεσμα, τέτοιες ατμομηχανές έχουν 60% χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου και σημαντικά χαμηλότερες απαιτήσεις συντήρησης. Οι οικονομικές ιδιότητες τέτοιων μηχανών είναι συγκρίσιμες με τις σύγχρονες ντίζελ και ηλεκτρικές ατμομηχανές.

Επιπλέον, οι ατμομηχανές είναι πολύ ελαφρύτερες από τις ντίζελ και τις ηλεκτρικές, κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τους ορεινούς σιδηρόδρομους. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των ατμομηχανών είναι ότι δεν απαιτούν μετάδοση, μεταδίδοντας δύναμη απευθείας στους τροχούς. Ταυτόχρονα, η ατμομηχανή της ατμομηχανής συνεχίζει να αναπτύσσει πρόσφυση ακόμη και αν οι τροχοί σταματήσουν (σταματούν στον τοίχο), κάτι που διαφέρει από όλους τους άλλους τύπους κινητήρων που χρησιμοποιούνται στις μεταφορές.

Αποδοτικότητα

Μια ατμομηχανή που απελευθερώνει ατμό στην ατμόσφαιρα θα έχει πρακτική απόδοση (συμπεριλαμβανομένου του λέβητα) από 1 έως 8%, αλλά ένας κινητήρας με συμπυκνωτή και επέκταση της διαδρομής ροής μπορεί να βελτιώσει την απόδοση στο 25% ή ακόμα περισσότερο. Μια θερμοηλεκτρική μονάδα με υπερθερμαντήρα ατμού και αναγεννητική θέρμανση νερού μπορεί να επιτύχει απόδοση 30 - 42%. Οι μονάδες συνδυασμένου κύκλου, στις οποίες η ενέργεια καυσίμου χρησιμοποιείται πρώτα για την κίνηση ενός αεριοστρόβιλου και στη συνέχεια ενός ατμοστρόβιλου, μπορούν να επιτύχουν απόδοση 50 - 60%. Στους θερμοηλεκτρικούς σταθμούς, η απόδοση αυξάνεται με τη χρήση μερικώς εξαντλημένου ατμού για τις ανάγκες θέρμανσης και παραγωγής. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιείται έως και το 90% της ενέργειας του καυσίμου και μόνο το 10% διαχέεται άχρηστα στην ατμόσφαιρα.

Τέτοιες διαφορές στην απόδοση εμφανίζονται λόγω των χαρακτηριστικών του θερμοδυναμικού κύκλου των ατμομηχανών. Για παράδειγμα, το μεγαλύτερο φορτίο θέρμανσης εμφανίζεται το χειμώνα, επομένως η απόδοση μιας θερμικής μονάδας παραγωγής ενέργειας αυξάνεται το χειμώνα.

Ένας από τους λόγους για τη μείωση της απόδοσης είναι ότι η μέση θερμοκρασία του ατμού στον συμπυκνωτή είναι ελαφρώς υψηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος (σχηματίζεται η λεγόμενη διαφορά θερμοκρασίας). Η μέση διαφορά θερμοκρασίας μπορεί να μειωθεί με τη χρήση πυκνωτών πολλαπλών διελεύσεων. Η χρήση εξοικονομητών, θερμαντήρες αέρα αναγέννησης και άλλα μέσα βελτιστοποίησης του κύκλου ατμού αυξάνει επίσης την απόδοση.

Μια πολύ σημαντική ιδιότητα των ατμομηχανών είναι ότι η ισοθερμική διαστολή και συμπίεση συμβαίνουν σε σταθερή πίεση. Επομένως, ο εναλλάκτης θερμότητας μπορεί να είναι οποιουδήποτε μεγέθους και η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του ρευστού εργασίας και του ψυγείου ή του θερμαντήρα είναι σχεδόν 1 βαθμός. Ως αποτέλεσμα, οι απώλειες θερμότητας μπορούν να ελαχιστοποιηθούν. Για σύγκριση, οι διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ του θερμαντήρα ή του ψυγείου και του ρευστού εργασίας στο Stirling μπορεί να φτάσουν τους 100 °C.

Μη παραδοσιακά μηχανήματα

Από το 1998, το Channel 4 της βρετανικής τηλεόρασης φιλοξενεί το ριάλιτι «Scrapheap Challenge», στο οποίο δύο ομάδες των τριών τακτικών συμμετεχόντων και ενός ειδικού ανταγωνίζονται μεταξύ τους. Δίνονται 10 ώρες στις ομάδες για να κατασκευάσουν ένα συγκεκριμένο αυτοκίνητο από εξαρτήματα που βρίσκουν σε μια μάντρα και μετά να αγωνιστούν. Το 2007, ομάδες Βρετανών και Αμερικανών μηχανικών κατασκεύαζαν ένα ατμόπλοιο με κουπιά στο πνεύμα του Brunel. Την ίδια στιγμή, η βρετανική ομάδα χρησιμοποίησε ένα ηλεκτρικό σύστημα με μικροδιακόπτες και ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες για τον έλεγχο της ατμομηχανής. Το σκάφος τους έπιασε ταχύτητα κοντά στο πετρελαιοκίνητο σκάφος της αμερικανικής ομάδας.

δείτε επίσης

ΒιομηχανίαΗ Αγγλία χρειαζόταν πολλά καύσιμα και τα δάση λιγοστεύουν. Από αυτή την άποψη, η εξόρυξη άνθρακα έχει γίνει εξαιρετικά σημαντική.
Το κύριο πρόβλημα με την εξόρυξη ήταν το νερό, πλημμύριζε τα ορυχεία πιο γρήγορα από ό,τι μπορούσαν να το αντλήσουν, έτσι έπρεπε να εγκαταλείψουν τα ανεπτυγμένα ορυχεία και να αναζητήσουν νέα.
Για αυτούς τους λόγους χρειάζονταν επειγόντως μηχανισμοί άντλησης νερού και αυτό έγιναν οι πρώτες ατμομηχανές.

Το επόμενο στάδιο στην ανάπτυξη των ατμομηχανών ήταν η δημιουργία (σε 1690) ατμομηχανή εμβόλου, που εκτελούσε χρήσιμη εργασία με θέρμανση και συμπύκνωση ατμού.

Γεννήθηκε στη γαλλική πόλη Μπλουά το 1647. Στο Πανεπιστήμιο του Angers σπούδασε ιατρική και πήρε διδακτορικό, αλλά δεν έγινε γιατρός. Από πολλές απόψεις, η μοίρα του καθορίστηκε από τη συνάντησή του με τον Ολλανδό φυσικό H. Huygens, υπό την επιρροή του οποίου ο Papen άρχισε να σπουδάζει φυσική και μηχανική. Το 1688, δημοσίευσε μια περιγραφή (με τις σχεδιαστικές του προσθήκες) ενός έργου για μια μηχανή πυρίτιδας σε μορφή κυλίνδρου με έμβολο που παρουσίασε ο Huygens στην Ακαδημία Επιστημών του Παρισιού.
Ο Papin πρότεινε επίσης το σχεδιασμό μιας φυγοκεντρικής αντλίας, σχεδίασε έναν κλίβανο για την τήξη γυαλιού, ένα βαγόνι ατμού και ένα υποβρύχιο, εφηύρε μια χύτρα ταχύτητας και αρκετές μηχανές για την ανύψωση του νερού.

Η πρώτη χύτρα ταχύτητας στον κόσμο:

Το 1685, ο Papen αναγκάστηκε να φύγει από τη Γαλλία (λόγω της δίωξης των Ουγενότων) στη Γερμανία και συνέχισε να εργάζεται στη μηχανή του εκεί.
Το 1704, στο εργοστάσιο του Veckerhagen, έριξε τον πρώτο κύλινδρο στον κόσμο για ατμομηχανή και την ίδια χρονιά κατασκεύασε ένα ατμοκίνητο σκάφος.

Η πρώτη «μηχανή» του Denis Papin (1690)

Όταν θερμανόταν, το νερό στον κύλινδρο μετατράπηκε σε ατμό και κινούσε το έμβολο προς τα πάνω, και όταν ψύχθηκε (συμπυκνώθηκε ο ατμός), δημιουργήθηκε ένα κενό και ατμοσφαιρικόςη πίεση οδήγησε το έμβολο προς τα κάτω.

Για να λειτουργήσει το μηχάνημα, ήταν απαραίτητο να χειριστείτε τη ράβδο και το πώμα της βαλβίδας, να μετακινήσετε την πηγή φλόγας και να ψύξετε τον κύλινδρο με νερό.

Το 1705, ο Papin ανέπτυξε τη δεύτερη ατμομηχανή

Όταν άνοιξε η βρύση (D), ατμός από το λέβητα (στα δεξιά) όρμησε στη μεσαία δεξαμενή και, χρησιμοποιώντας ένα έμβολο, πίεσε νερό στη δεξαμενή στα αριστερά. Μετά από αυτό έκλεισε η βρύση (D), οι βρύσες (G) και (L) άνοιξαν, προστέθηκε νερό στο χωνί και το μεσαίο δοχείο γέμισε με ένα νέο τμήμα, οι βρύσες (G) και (L) έκλεισαν και ο κύκλος επαναλήφθηκε. Έτσι, ήταν δυνατή η ανύψωση του νερού σε ύψος.

Το 1707, ο Πάπεν ήρθε στο Λονδίνο για να αποκτήσει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για το έργο του το 1690. Το έργο δεν αναγνωρίστηκε, αφού τότε είχαν ήδη εμφανιστεί οι μηχανές των Thomas Savery και Thomas Newcomen (βλ. παρακάτω).

Το 1712, ο Denis Papin πέθανε άπορος και θάφτηκε σε έναν ασήμαντο τάφο.

Οι πρώτες ατμομηχανές ήταν ογκώδεις σταθερές αντλίες για την άντληση νερού. Αυτό εξηγήθηκε από το γεγονός ότι ήταν απαραίτητο να αντληθεί νερό από ορυχεία και ανθρακωρυχεία. Όσο πιο βαθιά ήταν τα ορυχεία, τόσο πιο δύσκολο ήταν να αντληθεί το υπόλοιπο νερό από αυτά, ως αποτέλεσμα, τα αχρησιμοποίητα ορυχεία έπρεπε να εγκαταλειφθούν και να μεταφερθούν σε νέα τοποθεσία.

Το 1699, ένας Άγγλος μηχανικός, έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την εφεύρεση μιας «πυροσβεστικής μηχανής» σχεδιασμένης να αντλεί νερό από ορυχεία.
Το μηχάνημα του Σεβέρη ήταν αντλία ατμού, όχι μηχανή δεν είχε κύλινδρο με έμβολο.

Το κύριο χαρακτηριστικό της μηχανής του Severi ήταν ότι παρήχθη ατμός ξεχωριστός λέβητας.

Αναφορά

Το αυτοκίνητο του Thomas Savery

Όταν άνοιξε η βρύση 5, ατμός από τον λέβητα 2 τροφοδοτήθηκε στο δοχείο 1, αποβάλλοντας νερό από εκεί μέσω του σωλήνα 6. Η βαλβίδα 10 ήταν ανοιχτή και η βαλβίδα 11 ήταν κλειστή. Στο τέλος της έγχυσης, η βρύση 5 έκλεισε και τροφοδοτήθηκε κρύο νερό μέσω της βρύσης 9 στο δοχείο 1. Ο ατμός στο δοχείο 1 ψύχθηκε, συμπυκνώθηκε και η πίεση έπεσε, τραβώντας νερό μέσα του μέσω του σωλήνα 12. Η βαλβίδα 11 άνοιξε και η βαλβίδα 10 έκλεισε.

Η αντλία Severi ήταν υποτροφοδοτούμενη, κατανάλωνε πολύ καύσιμο και λειτουργούσε κατά διαστήματα. Για αυτούς τους λόγους, το μηχάνημα του Severi δεν χρησιμοποιήθηκε ευρέως και αντικαταστάθηκε από «ατμομηχανές εμβόλου».

Το 1705συνδυάζοντας τις ιδέες του Severi (ελεύθερος λέβητας) και του Papin (κύλινδρος με έμβολο) κατασκεύασε εμβολοφόρο αντλία ατμούγια εργασία σε ορυχεία.
Τα πειράματα για τη βελτίωση του μηχανήματος συνεχίστηκαν για περίπου δέκα χρόνια, μέχρι που άρχισε να λειτουργεί σωστά.

Σχετικά με τον Thomas Newcomen

Γεννήθηκε στις 28 Φεβρουαρίου 1663 στο Ντάρτμουθ. Σιδηρουργός στο επάγγελμα. Το 1705, μαζί με τον τεχνίτη J. Cowley, κατασκεύασε μια αντλία ατμού. Αυτή η ατμο-ατμοσφαιρική μηχανή, αρκετά αποτελεσματική για την εποχή της, χρησιμοποιήθηκε για άντληση νερού σε ορυχεία και διαδόθηκε ευρέως τον 18ο αιώνα. Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιείται πλέον από αντλίες σκυροδέματος σε εργοτάξια.
Η Newcomen δεν μπόρεσε να αποκτήσει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, καθώς ο ανυψωτήρας ατμού είχε κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1699 από τον T. Severi. Η ατμομηχανή του Newcomen δεν ήταν μια μηχανή γενικής χρήσης και μπορούσε να λειτουργήσει μόνο ως αντλία. Οι προσπάθειες του Newcomen να χρησιμοποιήσει την παλινδρομική κίνηση ενός εμβόλου για να περιστρέψει έναν τροχό κουπιών στα πλοία ήταν ανεπιτυχείς.

Πέθανε στις 7 Αυγούστου 1729 στο Λονδίνο. Το όνομα του Newcomen φέρει το Society of Historians of Technology of Great Britain.

Το αυτοκίνητο του Thomas Newcoman

Πρώτα, ο ατμός ανύψωσε το έμβολο, στη συνέχεια εγχύθηκε λίγο κρύο νερό στον κύλινδρο, ο ατμός συμπυκνώθηκε (δημιουργώντας έτσι ένα κενό στον κύλινδρο) και το έμβολο χαμήλωσε υπό την επίδραση της ατμοσφαιρικής πίεσης.

Σε αντίθεση με τον «κύλινδρο Papin» (στον οποίο ο κύλινδρος χρησίμευε ως λέβητας), στη μηχανή του Newcomen ο κύλινδρος διαχωρίστηκε από τον λέβητα. Με αυτόν τον τρόπο ήταν δυνατό να επιτευχθεί περισσότερο ή λιγότερο ομοιόμορφη εργασία.
Στις πρώτες εκδόσεις του μηχανήματος, οι βαλβίδες ελέγχονταν χειροκίνητα, αλλά αργότερα η Newcomen δημιούργησε έναν μηχανισμό που ανοίγει και κλείνει αυτόματα τις αντίστοιχες βρύσες την κατάλληλη στιγμή.

φωτογραφία

Σχετικά με τους κυλίνδρους

Οι πρώτοι κύλινδροι της μηχανής Newcomen ήταν κατασκευασμένοι από χαλκό, οι σωλήνες από μόλυβδο και ο βραχίονας από ξύλο. Τα μικρά μέρη ήταν κατασκευασμένα από ελατό σίδηρο. Οι μεταγενέστερες μηχανές του Newcomen, μετά το 1718 περίπου, είχαν ήδη έναν κύλινδρο από χυτοσίδηρο.
Οι κύλινδροι κατασκευάστηκαν στο χυτήριο Abraham Derby στο Colebrookdale. Ο Darby βελτίωσε την τεχνική χύτευσης και αυτό κατέστησε δυνατή την απόκτηση κυλίνδρων αρκετά καλής ποιότητας. Για να αποκτηθεί μια περισσότερο ή λιγότερο κανονική και λεία επιφάνεια των τοιχωμάτων του κυλίνδρου, χρησιμοποιήθηκε μια μηχανή για να τρυπήσει την κάννη των όπλων.

Κάτι σαν αυτό:

Με κάποιες τροποποιήσεις, τα μηχανήματα της Newcomen παρέμειναν οι μόνοι μηχανισμοί κατάλληλοι για βιομηχανική χρήση για 50 χρόνια.

Το 1720περιέγραψε μια δικύλινδρη ατμομηχανή. Η εφεύρεση δημοσιεύτηκε στο κύριο έργο του «Theatri Machinarum Hydraulicarum». Αυτό το χειρόγραφο ήταν η πρώτη συστηματική ανάλυση της μηχανολογίας.

Μηχανή που προτάθηκε από τον Jacob Leopold

Θεωρήθηκε ότι τα έμβολα από μόλυβδο θα ανυψώνονταν από την πίεση του ατμού και θα κατέβαιναν από το βάρος τους. Η ιδέα μιας βρύσης (μεταξύ των κυλίνδρων) είναι ενδιαφέρουσα με τη βοήθειά της, ο ατμός εισήχθη στον έναν κύλινδρο και ταυτόχρονα απελευθερώθηκε από τον άλλο.
Ο Τζέικομπ δεν κατασκεύασε αυτό το αυτοκίνητο, απλώς το εφηύρε.

Το 1766Ο Ρώσος εφευρέτης, που εργαζόταν ως μηχανικός στα μεταλλευτικά και μεταλλουργικά εργοστάσια του Αλτάι, δημιούργησε την πρώτη δικύλινδρη ατμομηχανή στη Ρωσία και την πρώτη στον κόσμο.
Ο Polzunov εκσυγχρόνισε τη μηχανή του Newcomen (για να εξασφαλίσει τη συνεχή λειτουργία, χρησιμοποίησε δύο κυλίνδρους αντί για έναν) και πρότεινε τη χρήση του για να θέσει σε κίνηση τις φυσούνες των κλιβάνων τήξης.

Θλιβερή σημείωση

Στη Ρωσία εκείνη την εποχή, οι ατμομηχανές πρακτικά δεν χρησιμοποιήθηκαν και ο Polzunov έλαβε όλες τις πληροφορίες από το βιβλίο "Λεπτομερείς οδηγίες για εξόρυξη" (1760) που έγραψε ο I.A. Schlatter, το οποίο περιέγραφε την ατμομηχανή του Newcomen.

Το έργο αναφέρθηκε στην αυτοκράτειρα Αικατερίνη Β'. Το ενέκρινε, διέταξε τον Ι.Ι. Πολζούνοφ να προαχθεί σε «μηχανικό με τον βαθμό και τον τίτλο του λοχαγού-υπολοχαγού μηχανικού» και απένειμε 400 ρούβλια...
Ο Polzunov πρότεινε να κατασκευαστεί πρώτα ένα μικρό μηχάνημα, στο οποίο θα ήταν δυνατό να εντοπιστούν και να εξαλειφθούν όλες οι αδυναμίες που είναι αναπόφευκτες σε μια νέα εφεύρεση. Η διοίκηση του εργοστασίου δεν συμφώνησε με αυτό και αποφάσισε να κατασκευάσει αμέσως μια τεράστια μηχανή. Τον Απρίλιο του 1764, ο Polzunov ξεκίνησε την κατασκευή.
Την άνοιξη του 1766, η κατασκευή ολοκληρώθηκε σε μεγάλο βαθμό και πραγματοποιήθηκαν δοκιμές.
Αλλά στις 27 Μαΐου, ο Polzunov πέθανε από κατανάλωση.
Οι μαθητές του Levzin και Chernitsyn ξεκίνησαν μόνοι τους τις τελευταίες δοκιμές της ατμομηχανής. Το "Day Note" με ημερομηνία 4 Ιουλίου σημείωσε την "ομαλή λειτουργία του μηχανήματος" και στις 7 Αυγούστου 1766, ολόκληρο το εργοστάσιο, η ατμομηχανή και ο ισχυρός ανεμιστήρας, τέθηκαν σε λειτουργία. Σε μόλις τρεις μήνες λειτουργίας, το μηχάνημα του Polzunov όχι μόνο δικαιολόγησε όλα τα έξοδα κατασκευής του στο ποσό των 7233 ρούβλια 55 καπίκια, αλλά έδωσε και ένα καθαρό κέρδος 12640 ρούβλια 28 καπίκια. Ωστόσο, στις 10 Νοεμβρίου 1766, αφού κάηκε ο λέβητας του κινητήρα, έμεινε αδρανής για 15 χρόνια, 5 μήνες και 10 ημέρες. Το 1782 το αυτοκίνητο διαλύθηκε.

(Encyclopedia of the Altai Territory. Barnaul. 1996. T. 2. P. 281-282; Barnaul. Chronicle of the city. Barnaul. 1994. part 1. p. 30).

Η μηχανή του Polzunov

Η αρχή λειτουργίας είναι παρόμοια με τη μηχανή Newcomen.
Έγινε έγχυση νερού σε έναν από τους κυλίνδρους γεμάτος ατμό, ο ατμός συμπυκνώθηκε και δημιουργήθηκε κενό στον κύλινδρο, υπό την επίδραση της ατμοσφαιρικής πίεσης το έμβολο κατέβηκε, την ίδια στιγμή μπήκε ατμός στον άλλο κύλινδρο και ανέβηκε.

Η παροχή νερού και ατμού στους κυλίνδρους ήταν πλήρως αυτοματοποιημένη.

Μοντέλο ατμομηχανής της Ι.Ι. Polzunov, κατασκευασμένο σύμφωνα με πρωτότυπα σχέδια τη δεκαετία του 1820.
Μουσείο Τοπικής Ειρήνης Barnaul.

Το 1765 ο James Wattπου εργαζόταν ως μηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης, είχε την αποστολή να επισκευάσει ένα μοντέλο της μηχανής του Newcomen. Δεν είναι γνωστό ποιος το έφτιαξε, αλλά ήταν στο πανεπιστήμιο για αρκετά χρόνια.
Ο καθηγητής John Anderson πρότεινε στον Watt να δει αν θα μπορούσε να γίνει κάτι με αυτήν την περίεργη αλλά ιδιότροπη συσκευή.
Το Watt όχι μόνο επισκεύασε, αλλά και βελτίωσε το αυτοκίνητο. Πρόσθεσε ένα ξεχωριστό δοχείο για την ψύξη του ατμού και το ονόμασε συμπυκνωτή.

Μοντέλο ατμομηχανής Newcomen

Το μοντέλο ήταν εξοπλισμένο με έναν κύλινδρο (διάμετρος 5 cm) με διαδρομή εργασίας 15 cm Watt διεξήγαγε μια σειρά πειραμάτων, συγκεκριμένα, αντικατέστησε τον μεταλλικό κύλινδρο με έναν ξύλινο, λιπασμένο με λινέλαιο και στέγνωσε σε φούρνο. μείωσε την ποσότητα του νερού που συγκεντρώθηκε σε έναν κύκλο και το μοντέλο λειτούργησε.
Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, ο Watt πείστηκε για την αναποτελεσματικότητα του μηχανήματος.
Με κάθε νέο κύκλο, μέρος της ενέργειας του ατμού χρησιμοποιήθηκε για τη θέρμανση του κυλίνδρου, ο οποίος ψύχθηκε μετά την έγχυση νερού για την ψύξη του ατμού.
Μετά από μια σειρά πειραμάτων, ο Watt κατέληξε στο συμπέρασμα:
«...Για να γίνει μια τέλεια ατμομηχανή, είναι απαραίτητο ο κύλινδρος να είναι πάντα ζεστός, όπως και ο ατμός που εισέρχεται σε αυτόν. αλλά από την άλλη πλευρά, η συμπύκνωση του ατμού για να σχηματιστεί ένα κενό θα έπρεπε να έχει συμβεί σε θερμοκρασία όχι μεγαλύτερη από 30 βαθμούς Reaumur» (38 Κελσίου)…

Μοντέλο της μηχανής του Newcomen, με το οποίο πειραματίστηκε ο Watt

Πώς ξεκίνησαν όλα...

Ο Watt άρχισε να ενδιαφέρεται για τον ατμό το 1759, ενθαρρύνοντας τον φίλο του Robison, ο οποίος τότε έτρεχε με τη σκέψη να «χρησιμοποιήσει τη δύναμη μιας ατμομηχανής για να οδηγήσει καρότσια».
Την ίδια χρονιά, ο Robison έφυγε για να πολεμήσει στη Βόρεια Αμερική και ο Watt είχε ήδη κατακλυστεί από τις επιχειρήσεις.
Δύο χρόνια αργότερα, ο Watt επέστρεψε στην ιδέα των ατμομηχανών.

«Περί το 1761-1762», γράφει ο Watt, «έκανα αρκετά πειράματα σχετικά με τη δύναμη του ατμού στο λέβητα του Papin και έφτιαξα ένα είδος ατμομηχανής, προσαρτώντας σε αυτό μια σύριγγα, διαμέτρου περίπου 1/8 ίντσας, με ένα ισχυρό έμβολο, εξοπλισμένο με βρύση για την είσοδο ατμού από το λέβητα, καθώς και για την απελευθέρωσή του από τη σύριγγα στον αέρα." Όταν άνοιξε η βαλβίδα από τον λέβητα στον κύλινδρο, ο ατμός που εισέρχονταν στον κύλινδρο και ενεργούσε στο έμβολο ανέβασε ένα σημαντικό φορτίο (15 λίβρες) με το οποίο φορτώθηκε το έμβολο. Όταν το φορτίο ανυψώθηκε στο απαιτούμενο ύψος, έκλεισε η σύνδεση με τον λέβητα και άνοιξε η βαλβίδα για να απελευθερωθεί ατμός στην ατμόσφαιρα. Ο ατμός βγήκε και το φορτίο βυθίστηκε. Αυτή η λειτουργία επαναλήφθηκε αρκετές φορές, και παρόλο που σε αυτήν τη συσκευή η βρύση γύριζε με το χέρι, δεν ήταν δύσκολο να βρεθεί μια συσκευή που να την περιστρέφει αυτόματα.

Α - κύλινδρος? Β - έμβολο? C - ράβδος με γάντζο για την ανάρτηση ενός φορτίου. D - εξωτερικός κύλινδρος (περίβλημα). E και G - είσοδοι ατμού. F - σωλήνας που συνδέει τον κύλινδρο με τον συμπυκνωτή. K - πυκνωτής; P - αντλία; R - δεξαμενή; V - βαλβίδα για την απελευθέρωση του αέρα που μετατοπίζεται από τον ατμό. K, P, R - γεμάτο με νερό. Ο ατμός εισέρχεται μέσω G στο χώρο μεταξύ Α και D και μέσω Ε στον κύλινδρο Α. Όταν το έμβολο στον κύλινδρο αντλίας P ανεβαίνει ελαφρά (το έμβολο δεν φαίνεται στο σχήμα), η στάθμη του νερού στο Κ μειώνεται και ο ατμός από το Α περνά στο Κ και εναποτίθεται εδώ. Δημιουργείται κενό στο Α και ο ατμός που βρίσκεται μεταξύ του Α και του Δ πιέζει το έμβολο Β και το ανυψώνει μαζί με το φορτίο που αιωρείται από αυτό.

Η κύρια ιδέα που διέκρινε τη μηχανή της Watt από τη μηχανή της Newcomen ήταν ένας μονωμένος θάλαμος για συμπύκνωση (ψύξη με ατμό).

Οπτική εικόνα:

Στη μηχανή του Watt, ο πυκνωτής "C" διαχωρίστηκε από τον κύλινδρο εργασίας "P" δεν χρειαζόταν να θερμαίνεται και να ψύχεται συνεχώς, χάρη στον οποίο η απόδοση αυξήθηκε ελαφρώς.

Το 1769-1770, στο ορυχείο του ανθρακωρύχου John Roebuck (ο Roebuck ενδιαφερόταν για ατμομηχανές και χρηματοδότησε τον Watt για κάποιο διάστημα), κατασκευάστηκε ένα μεγάλο μοντέλο της μηχανής του Watt, για το οποίο έλαβε το πρώτο του δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1769.

Η ουσία της πατέντας

Ο Watt όρισε την εφεύρεσή του ως «μια νέα μέθοδο μείωσης της κατανάλωσης ατμού, και κατά συνέπεια καυσίμου, στα πυροσβεστικά οχήματα».
Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας (αρ. 013) καθόριζε μια σειρά από νέα τεχνικά χαρακτηριστικά. διατάξεις που χρησιμοποιεί ο Watt στον κινητήρα του:
1) Διατήρηση της θερμοκρασίας των τοιχωμάτων του κυλίνδρου ίση με τη θερμοκρασία του ατμού που εισέρχεται σε αυτό λόγω θερμομόνωσης και χιτώνιο ατμού
και έλλειψη επαφής με ψυχρά σώματα.
2) Συμπύκνωση ατμού σε ξεχωριστό δοχείο - συμπυκνωτή, η θερμοκρασία στον οποίο έπρεπε να διατηρείται σε επίπεδο περιβάλλοντος.
3) Αφαίρεση αέρα και άλλων μη συμπυκνώσιμων σωμάτων από τον συμπυκνωτή με τη χρήση αντλιών.
4) Εφαρμογή υπερβολικής πίεσης ατμού. Σε περιπτώσεις ανεπαρκούς νερού για τη συμπύκνωση ατμού, χρησιμοποιήστε μόνο υπερβολική πίεση με καυσαέρια στην ατμόσφαιρα.
5) Η χρήση «περιστροφικών» μηχανών με μονοκατευθυντικό περιστρεφόμενο έμβολο.
6) Εργασία με ατελή συμπύκνωση (δηλαδή με φθαρμένο κενό). Στην ίδια παράγραφο του διπλώματος ευρεσιτεχνίας περιγράφεται ο σχεδιασμός της στεγανοποίησης του εμβόλου και των επιμέρους εξαρτημάτων. Με πιέσεις ατμού 1 atm που χρησιμοποιήθηκαν εκείνη τη στιγμή, η εισαγωγή ενός ξεχωριστού συμπυκνωτή και η άντληση αέρα από αυτόν σήμαινε μια πραγματική δυνατότητα μείωσης της κατανάλωσης ατμού και καυσίμου περισσότερο από το μισό.

Μετά από αρκετό καιρό, ο Roebuck χρεοκόπησε και ο Άγγλος βιομήχανος Matthew Bolton έγινε ο νέος συνεργάτης του Watt.
Μετά την εκκαθάριση της συμφωνίας του Watt με τη Roebuck, το κατασκευασμένο μηχάνημα αποσυναρμολογήθηκε και στάλθηκε στο εργοστάσιο της Bolton στο Soho. Για πολύ καιρό, ο Watt δοκίμασε σχεδόν όλες τις βελτιώσεις και τις εφευρέσεις του σε αυτό.

Σχετικά με τον Μάθιου Μπόλτον

Εάν ο Roebuck είδε στο μηχάνημα του Watt μόνο μια βελτιωμένη αντλία που υποτίθεται ότι θα σώσει τα ορυχεία του από πλημμύρες, τότε ο Bolton στις εφευρέσεις του Watt είδε έναν νέο τύπο κινητήρα που υποτίθεται ότι αντικαθιστούσε τον τροχό του νερού.
Ο ίδιος ο Μπόλτον προσπάθησε να κάνει βελτιώσεις στο μονοθέσιο της Newcomen για να μειώσει την κατανάλωση καυσίμου. Έφτιαξε ένα μοντέλο που χαροποίησε πολλούς φίλους και θαμώνες της υψηλής κοινωνίας του Λονδίνου. Ο Μπόλτον αλληλογραφούσε με τον Αμερικανό επιστήμονα και διπλωμάτη Μπέντζαμιν Φράνκλιν για τον καλύτερο τρόπο έγχυσης ψυκτικού νερού στον κύλινδρο και το καλύτερο σύστημα βαλβίδων. Ο Franklin δεν μπορούσε να δώσει καμία λογική συμβουλή σε αυτόν τον τομέα, αλλά επέστησε την προσοχή σε έναν άλλο τρόπο για να επιτευχθεί οικονομία καυσίμου, να το κάψετε καλύτερα και να εξαλείψετε τον καπνό.
Ο Μπόλτον ονειρευόταν τίποτα λιγότερο από ένα παγκόσμιο μονοπώλιο στην παραγωγή νέων αυτοκινήτων. «Η ιδέα μου ήταν», έγραψε ο Bolton στον Watt, «να ιδρύσω μια επιχείρηση δίπλα στο εργοστάσιό μου όπου θα συγκεντρώνω όλα τα τεχνικά μέσα που είναι απαραίτητα για την κατασκευή μηχανών και από όπου θα προμηθεύαμε ολόκληρο τον κόσμο με μηχανήματα όλων των μεγεθών. ”

Ο Μπόλτον γνώριζε ξεκάθαρα τις προϋποθέσεις για αυτό. Ένα νέο αυτοκίνητο δεν μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας παλιές μεθόδους χειροτεχνίας. «Υπέθεσα», έγραψε στον Watt, «ότι το μηχάνημά σας θα απαιτούσε χρήματα, πολύ ακριβή εργασία και εκτεταμένες συνδέσεις για να το βάλει σε κυκλοφορία με τον πιο κερδοφόρο τρόπο. Ο καλύτερος τρόπος για να διατηρήσει τη φήμη της και να αποδώσει δικαιοσύνη στην εφεύρεση είναι να πάρει την παραγωγή της από τα χέρια πολλών τεχνικών οι οποίοι, λόγω της άγνοιάς τους, της έλλειψης εμπειρίας και τεχνικών μέσων, θα παρήγαγαν κακή εργασία και αυτό θα επηρέαζε τη φήμη της εφεύρεσης».
Για να αποφευχθεί αυτό, πρότεινε την κατασκευή ενός ειδικού εργοστασίου όπου «με τη βοήθειά σας θα μπορούσαμε να προσελκύσουμε και να εκπαιδεύσουμε έναν ορισμένο αριθμό εξαιρετικών εργαζομένων που, εξοπλισμένοι με τα καλύτερα εργαλεία, θα μπορούσαν να πραγματοποιήσουν αυτήν την εφεύρεση είκοσι τοις εκατό φθηνότερα και με εξίσου μεγάλη διαφορά στο ακρίβεια του έργου, που υπάρχει μεταξύ της δουλειάς ενός σιδερά και ενός κατασκευαστή μαθηματικών οργάνων».
Για να κατασκευαστεί το μηχάνημα σε μαζική κλίμακα, χρειαζόταν ένα στέλεχος εργαζομένων υψηλής εξειδίκευσης και νέος τεχνικός εξοπλισμός. Ο Μπόλτον σκεφτόταν ήδη με όρους κατηγοριών και εννοιών του ανεπτυγμένου καπιταλισμού του 19ου αιώνα. Αλλά προς το παρόν αυτά ήταν ακόμα όνειρα. Δεν ήταν ο Bolton και ο Watt, αλλά οι γιοι τους, που οργάνωσαν τη μαζική παραγωγή μηχανών περίπου τριάντα χρόνια αργότερα - το πρώτο εργοστάσιο κατασκευής μηχανών.

Ο Bolton και ο Watt συζητούν την παραγωγή ατμομηχανών στο εργοστάσιο του Soho

Το επόμενο στάδιο στην ανάπτυξη των ατμομηχανών ήταν η σφράγιση του πάνω μέρους του κυλίνδρου και η παροχή ατμού όχι μόνο στο κάτω, αλλά και στο πάνω μέρος του κυλίνδρου.

Έτσι οι Watt and Bolton χτίστηκαν ατμομηχανή διπλής δράσης.

Τώρα ο ατμός τροφοδοτούνταν εναλλάξ και στις δύο κοιλότητες του κυλίνδρου. Τα τοιχώματα του κυλίνδρου ήταν θερμικά μονωμένα από το εξωτερικό περιβάλλον.

Αν και το μηχάνημα του Watt έγινε πιο αποτελεσματικό από το μηχάνημα του Newcomen, η απόδοση ήταν ακόμα εξαιρετικά χαμηλή (1-2%).

Πώς οι Watt και Bolton κατασκεύασαν και εκπόνησαν τα αυτοκίνητά τους

Δεν θα μπορούσε να γίνει λόγος για τεχνολογία και κουλτούρα παραγωγής τον 18ο αιώνα. Οι επιστολές του Watt προς τον Bolton είναι γεμάτες με παράπονα για το μεθύσι, την κλοπή και την τεμπελιά των εργαζομένων. «Μπορούμε να υπολογίζουμε πολύ λίγο στους εργάτες μας στο Σόχο», έγραψε στον Μπόλτον. - Ο Τζέιμς Τέιλορ άρχισε να πίνει πιο πολύ. Είναι πεισματάρης, ηθελημένος και δυσαρεστημένος. Το αυτοκίνητο στο οποίο δούλεψε ο Cartwright ήταν μια συνεχής σειρά από λάθη και γκάφες. Ο Σμιθ και οι υπόλοιποι είναι αδαείς και όλοι πρέπει να παρακολουθούνται καθημερινά για να μην συμβεί τίποτα χειρότερο».
Απαίτησε αυστηρά μέτρα από την Μπόλτον και γενικά ήταν διατεθειμένος να σταματήσει την παραγωγή αυτοκινήτων στο Σόχο. «Πρέπει να ειπωθεί σε όλους τους τεμπέληδες», έγραψε, «ότι αν είναι τόσο απρόσεκτοι όσο μέχρι τώρα, θα τους διώξουν από το εργοστάσιο. Το κόστος κατασκευής ενός μηχανήματος στο Σόχο είναι πολύ ακριβό για εμάς και εάν η παραγωγή δεν μπορεί να βελτιωθεί, τότε πρέπει να το σταματήσουμε εντελώς και να αναθέσουμε σε εξωτερικούς συνεργάτες την εργασία».

Η κατασκευή εξαρτημάτων μηχανών απαιτούσε κατάλληλο εξοπλισμό. Επομένως, διαφορετικά εξαρτήματα μηχανών παράγονταν σε διαφορετικά εργοστάσια.
Έτσι, στο εργοστάσιο του Wilkinson, οι κύλινδροι χυτεύτηκαν και τρυπήθηκαν και εκεί κατασκευάστηκαν κεφαλές κυλίνδρων, ένα έμβολο, μια αντλία αέρα και ένας συμπυκνωτής. Το περίβλημα από χυτοσίδηρο για τον κύλινδρο χυτεύτηκε σε ένα από τα χυτήρια στο Μπέρμιγχαμ, μεταφέρθηκαν σωλήνες χαλκού από το Λονδίνο και μικρά εξαρτήματα παρήχθησαν στον χώρο όπου κατασκευάστηκε το μηχάνημα. Ο Bolton και ο Watt παρήγγειλαν όλα αυτά τα εξαρτήματα με έξοδα του πελάτη - του ιδιοκτήτη του ορυχείου ή του μύλου.
Σταδιακά, επιμέρους εξαρτήματα μεταφέρθηκαν στον χώρο και συναρμολογήθηκαν υπό την προσωπική επίβλεψη του Watt. Αργότερα συνέταξε λεπτομερείς οδηγίες για τη συναρμολόγηση της μηχανής. Ο λέβητας συνήθως ήταν καρφωμένος επί τόπου από ντόπιους σιδηρουργούς.

Μετά την επιτυχή εκτόξευση μιας μηχανής άντλησης νερού σε ένα από τα ορυχεία της Κορνουάλης (που θεωρείται το πιο δύσκολο ορυχείο), οι Bolton και Watt έλαβαν πολλές παραγγελίες. Οι ιδιοκτήτες του ορυχείου είδαν ότι το μηχάνημα του Watt ήταν επιτυχημένο εκεί όπου το μηχάνημα του Newcomen ήταν ανίσχυρο. Και άρχισαν αμέσως να παραγγέλνουν αντλίες Watt.
Ο Watt ήταν κατακλυσμένος με τη δουλειά. Κάθισε για εβδομάδες στα σχέδιά του, πήγαινε σε εγκαταστάσεις μηχανών - πουθενά δεν θα μπορούσε να γίνει χωρίς τη βοήθειά του και την επίβλεψή του. Ήταν μόνος και έπρεπε να συμβαδίζει παντού.

Για να τροφοδοτήσει η ατμομηχανή άλλους μηχανισμούς, ήταν απαραίτητο να μετατραπούν οι παλινδρομικές κινήσεις σε περιστροφικές και για ομοιόμορφη κίνηση, να προσαρμοστεί ο τροχός ως σφόνδυλος.

Πρώτα απ 'όλα, ήταν απαραίτητο να συνδέσετε σταθερά το έμβολο και τον εξισορροπητή (μέχρι αυτό το σημείο, είχε χρησιμοποιηθεί αλυσίδα ή σχοινί).
Ο Watt πρότεινε να πραγματοποιηθεί η μετάδοση από το έμβολο στον εξισορροπητή χρησιμοποιώντας μια λωρίδα γραναζιών και να τοποθετηθεί ένας τομέας γραναζιών στον εξισορροπητή.

Τομέας εργαλείων

Αυτό το σύστημα αποδείχθηκε αναξιόπιστο και ο Watt αναγκάστηκε να το εγκαταλείψει.

Σχεδιάστηκε η μετάδοση της ροπής χρησιμοποιώντας μηχανισμό στροφάλου.

Μηχανισμός μανιβέλας

Αλλά η μανιβέλα έπρεπε να εγκαταλειφθεί, καθώς αυτό το σύστημα είχε ήδη κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας (το 1780) από τον James Picard. Ο Picard προσφέρθηκε να παραχωρήσει άδεια στον Watt, αλλά ο Watt αρνήθηκε την προσφορά και χρησιμοποίησε ένα πλανητικό εργαλείο στο αυτοκίνητό του. (υπάρχουν κάποιες ασάφειες σχετικά με τις πατέντες, μπορείτε να διαβάσετε στο τέλος του άρθρου)

Πλανητικός εξοπλισμός

Watt's Engine (1788)

Κατά τη δημιουργία ενός μηχανήματος με συνεχή περιστροφική κίνηση, ο Watt έπρεπε να λύσει μια σειρά από μη τετριμμένα προβλήματα (κατανομή ατμού σε δύο κοιλότητες κυλίνδρων, αυτόματο έλεγχο ταχύτητας και γραμμική κίνηση της ράβδου του εμβόλου).

Παραλληλόγραμμο Watt

Ο μηχανισμός Watt εφευρέθηκε για να μεταδίδει γραμμική κίνηση στη ράβδο του εμβόλου.

Ατμομηχανή που κατασκευάστηκε σύμφωνα με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του James Watt το 1848 στο Freiberg της Γερμανίας.

Φυγοκεντρικός ρυθμιστής

Η αρχή λειτουργίας του φυγόκεντρου ρυθμιστή είναι απλή: όσο πιο γρήγορα περιστρέφεται ο άξονας, τόσο υψηλότερα αποκλίνουν τα φορτία υπό την επίδραση της φυγόκεντρης δύναμης και τόσο περισσότερο μπλοκάρεται η γραμμή ατμού. Τα βάρη χαμηλώνουν και η γραμμή ατμού ανοίγει.
Ένα παρόμοιο σύστημα είναι γνωστό εδώ και πολύ καιρό στην αλεύρωση για τη ρύθμιση της απόστασης μεταξύ των μυλόπετρων.
Η Watt προσάρμοσε τον ρυθμιστή για την ατμομηχανή.

Συσκευή διανομής ατμού

Σύστημα βαλβίδας εμβόλου

Το σχέδιο συντάχθηκε από έναν από τους βοηθούς του Watt το 1783 (περιλαμβάνονται επιστολές για διευκρίνιση). Τα B και B είναι έμβολα συνδεδεμένα μεταξύ τους με σωλήνα C και κινούνται στον σωλήνα D, συνδεδεμένα με τον συμπυκνωτή H και τους σωλήνες E και F με τον κύλινδρο Α. G - γραμμή ατμού. Κ - ράβδος που χρησιμοποιείται για τη μετακίνηση εκρηκτικών.
Στη θέση των εμβόλων BB που φαίνεται στο σχέδιο, ο χώρος του σωλήνα D μεταξύ των εμβόλων Β και Β, καθώς και το κάτω μέρος του κυλίνδρου Α κάτω από το έμβολο (δεν φαίνεται στο σχήμα), δίπλα στο F, γεμίζει με ατμό, ενώ στο πάνω μέρος του κυλίνδρου Α, πάνω από το έμβολο, επικοινωνεί μέσω Ε και μέσω Γ με πυκνωτή Η - κατάσταση αραίωσης. όταν το εκρηκτικό ανεβαίνει πάνω από τα F και E, το κάτω μέρος του A θα επικοινωνεί με το H μέσω του F και το πάνω μέρος, μέσω του E και του D, θα επικοινωνεί με τον αγωγό ατμού.

Οπτικό σχέδιο

Ωστόσο, μέχρι το 1800, ο Watt συνέχισε να χρησιμοποιεί βαλβίδες βαλβίδας (μεταλλικοί δίσκοι υψωμένοι ή χαμηλωμένοι πάνω από τα αντίστοιχα παράθυρα και οδηγούμενοι από ένα περίπλοκο σύστημα μοχλών), καθώς η κατασκευή του συστήματος «βαλβίδας εμβόλου» απαιτούσε υψηλή ακρίβεια.

Η ανάπτυξη του μηχανισμού διανομής ατμού πραγματοποιήθηκε κυρίως από τον βοηθό του Watt, William Murdoch.

Ο Murdoch συνέχισε να βελτιώνει τον μηχανισμό διανομής ατμού και το 1799 κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το καρούλι σε σχήμα D (box spool).

Ανάλογα με τη θέση του καρουλιού, τα παράθυρα (4) και (5) επικοινωνούν με έναν κλειστό χώρο (6) που περιβάλλει το καρούλι και είναι γεμάτος με ατμό, ή με μια κοιλότητα 7 συνδεδεμένη με την ατμόσφαιρα ή έναν συμπυκνωτή.

Μετά από όλες τις βελτιώσεις, κατασκευάστηκε το ακόλουθο μηχάνημα:

Χρησιμοποιώντας έναν διανομέα ατμού, ο ατμός τροφοδοτούνταν εναλλάξ σε διαφορετικές κοιλότητες του κυλίνδρου και ένας φυγοκεντρικός ρυθμιστής έλεγχε τη βαλβίδα παροχής ατμού (εάν το μηχάνημα επιτάχυνε πολύ, η βαλβίδα έκλεινε και, αντίθετα, άνοιγε εάν επιβραδύνονταν πολύ) .

Οπτικό βίντεο

Αυτό το μηχάνημα θα μπορούσε ήδη να λειτουργήσει όχι μόνο ως αντλία, αλλά και να οδηγήσει άλλους μηχανισμούς.

Το 1784Ο Watt έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για ατμομηχανή γενικής χρήσης(Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας αρ. 1432).

Σχετικά με το μύλο

Το 1986, ο Bolton και ο Watt κατασκεύασαν έναν μύλο στο Λονδίνο (Albion Mill), που τροφοδοτείται από ατμομηχανή. Όταν τέθηκε σε λειτουργία ο μύλος άρχισε το πραγματικό προσκύνημα. Οι Λονδρέζοι ενδιαφέρθηκαν έντονα για τεχνικές βελτιώσεις.

Ο Watt, που δεν ήταν εξοικειωμένος με το μάρκετινγκ, ήταν εξοργισμένος που οι θεατές παρενέβαιναν στη δουλειά του και ζήτησε να σταματήσει η πρόσβαση σε ξένους. Ο Μπόλτον πίστευε ότι όσο το δυνατόν περισσότεροι άνθρωποι θα έπρεπε να γνωρίζουν για το αυτοκίνητο και ως εκ τούτου απέρριψε τα αιτήματα του Watt.
Γενικά, η Bolton και η Watt δεν αντιμετώπισαν έλλειψη πελατών. Το 1791, ο μύλος κάηκε (ή ίσως πυρπολήθηκε, καθώς οι αλευρόμυλοι φοβούνταν τον ανταγωνισμό).

Στα τέλη της δεκαετίας του ογδόντα, ο Watt σταμάτησε να βελτιώνει το αυτοκίνητό του. Σε επιστολές προς τον Μπόλτον γράφει:
«Είναι πολύ πιθανό ότι, με εξαίρεση κάποιες βελτιώσεις στον μηχανισμό της μηχανής, τίποτα καλύτερο από αυτό που έχουμε ήδη παραγάγει δεν επιτρέπεται από τη φύση, η οποία για τα περισσότερα έχει προκαθορίσει το nec plus ultra (Λατινικά για «πουθενά περαιτέρω ”)”
Και αργότερα, ο Watt ισχυρίστηκε ότι δεν μπορούσε να ανακαλύψει τίποτα νέο στην ατμομηχανή και αν ασχολούνταν με αυτό, τότε μόνο βελτιώνοντας τις λεπτομέρειες και δοκιμάζοντας τα προηγούμενα συμπεράσματα και παρατηρήσεις του.

Κατάλογος ρωσικής λογοτεχνίας

Kamensky A.V. James Watt, η ζωή και οι επιστημονικές και πρακτικές του δραστηριότητες. Αγία Πετρούπολη, 1891
Weissenberg L.M. James Watt, εφευρέτης της ατμομηχανής. Μ. – Λ., 1930
Lesnikov M.P. Τζέιμς Βατ. Μ., 1935
Συνομοσπονδίες I.Ya. James Watt - εφευρέτης της ατμομηχανής. Μ., 1969

Έτσι, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πρώτο στάδιο ανάπτυξης των ατμομηχανών έχει τελειώσει.

Η περαιτέρω ανάπτυξη των ατμομηχανών συνδέθηκε με αύξηση της πίεσης ατμού και βελτιωμένη παραγωγή.

Παράθεση από TSB

Ο παγκόσμιος κινητήρας του Watt, λόγω της αποτελεσματικότητάς του, έγινε ευρέως διαδεδομένος και έπαιξε σημαντικό ρόλο στη μετάβαση στην καπιταλιστική παραγωγή μηχανών. «Η μεγάλη ιδιοφυΐα του Watt», έγραψε ο Κ. Μαρξ, «αποκαλύπτεται στο γεγονός ότι το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας που πήρε τον Απρίλιο του 1784, δίνοντας μια περιγραφή της ατμομηχανής, την απεικονίζει όχι ως εφεύρεση μόνο για ειδικούς σκοπούς, αλλά ως καθολική μηχανή μεγάλης κλίμακας βιομηχανίας» (Marx K., Capital, vol. 1, 1955, σελ. 383-384).

Τα έργα των Watt και Bolton μέχρι το 1800 έχτισαν το St. 250 ατμομηχανές και μέχρι το 1826 στην Αγγλία υπήρχαν έως και 1.500 μηχανές συνολικής χωρητικότητας περίπου. 80.000 ίπποι Με σπάνιες εξαιρέσεις, αυτά ήταν μηχανήματα τύπου Watt. Μετά το 1784, ο Watt ασχολήθηκε κυρίως με τη βελτίωση της παραγωγής και μετά το 1800 αποσύρθηκε πλήρως.

Οι ατμομηχανές χρησιμοποιήθηκαν ως κινητήρες σε αντλιοστάσια, ατμομηχανές, ατμόπλοια, τρακτέρ, ατμοκίνητα αυτοκίνητα και άλλα οχήματα. Οι ατμομηχανές συνέβαλαν στην ευρεία εμπορική χρήση των μηχανών στις επιχειρήσεις και αποτέλεσαν την ενεργειακή βάση της βιομηχανικής επανάστασης του 18ου αιώνα. Αργότερα, οι ατμομηχανές αντικαταστάθηκαν από κινητήρες εσωτερικής καύσης, ατμοστρόβιλους, ηλεκτροκινητήρες και πυρηνικούς αντιδραστήρες, οι οποίοι είναι πιο αποδοτικοί.

Ατμομηχανή σε δράση

Εφεύρεση και ανάπτυξη

Η πρώτη γνωστή συσκευή που κινείται με ατμό περιγράφηκε από τον Ήρωνα της Αλεξάνδρειας τον πρώτο αιώνα - αυτό είναι το λεγόμενο «λουτρό του Ήρωνα» ή «αιολίπυλο». Ο ατμός που διαφεύγει εφαπτομενικά από τα ακροφύσια που συνδέονται με την μπάλα προκάλεσε την περιστροφή της τελευταίας. Υποτίθεται ότι η μετατροπή του ατμού σε μηχανική κίνηση ήταν γνωστή στην Αίγυπτο κατά την περίοδο της ρωμαϊκής κυριαρχίας και χρησιμοποιήθηκε σε απλές συσκευές.

Πρώτοι βιομηχανικοί κινητήρες

Καμία από τις συσκευές που περιγράφονται δεν έχει χρησιμοποιηθεί πραγματικά ως μέσο επίλυσης χρήσιμων προβλημάτων. Η πρώτη ατμομηχανή που χρησιμοποιήθηκε στην παραγωγή ήταν η «πυροσβεστική μηχανή», που σχεδιάστηκε από τον Άγγλο στρατιωτικό μηχανικό Thomas Savery το 1698. Ο Savery έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τη συσκευή του το 1698. Ήταν μια αντλία ατμού με έμβολο, και προφανώς όχι πολύ αποδοτική, αφού η θερμότητα του ατμού χάνονταν κάθε φορά κατά την ψύξη του δοχείου, και ήταν αρκετά επικίνδυνο να λειτουργήσει, καθώς λόγω της υψηλής πίεσης ατμού, τα δοχεία και οι σωληνώσεις του κινητήρα μερικές φορές εξερράγησαν . Δεδομένου ότι αυτή η συσκευή μπορούσε να χρησιμοποιηθεί τόσο για την περιστροφή των τροχών ενός μύλου νερού όσο και για την άντληση νερού από τα ορυχεία, ο εφευρέτης την ονόμασε «φίλος του ανθρακωρύχου».

Τότε ο Άγγλος σιδεράς Τόμας Νιούκομεν έδειξε την «ατμοσφαιρική μηχανή» του το 1712, που ήταν η πρώτη ατμομηχανή για την οποία θα μπορούσε να υπάρξει εμπορική ζήτηση. Αυτή ήταν η βελτιωμένη ατμομηχανή της Savery, στην οποία η Newcomen μείωσε σημαντικά την πίεση ατμού λειτουργίας. Το Newcomen μπορεί να βασίστηκε σε περιγραφές των πειραμάτων του Papin που πραγματοποιήθηκαν στη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου, στην οποία μπορεί να είχε πρόσβαση μέσω του μέλους της κοινωνίας Robert Hooke, ο οποίος συνεργάστηκε με τον Papen.

Διάγραμμα λειτουργίας της ατμομηχανής της Newcomen.
– Ο ατμός εμφανίζεται με μωβ, το νερό εμφανίζεται με μπλε.
– Οι ανοιχτές βαλβίδες εμφανίζονται με πράσινο χρώμα, οι κλειστές βαλβίδες με κόκκινο

Η πρώτη χρήση του κινητήρα Newcomen ήταν η άντληση νερού από ένα βαθύ ορυχείο. Σε μια αντλία ορυχείου, ο βραχίονας παλινδρόμησης συνδέθηκε με μια ράβδο που κατέβηκε στον άξονα στον θάλαμο της αντλίας. Οι παλινδρομικές κινήσεις της ώσης μεταδίδονταν στο έμβολο της αντλίας, το οποίο παρείχε νερό προς τα πάνω. Οι βαλβίδες των πρώιμων κινητήρων Newcomen άνοιξαν και έκλεισαν χειροκίνητα. Η πρώτη βελτίωση ήταν ο αυτοματισμός των βαλβίδων, οι οποίες κινούνταν από το ίδιο το μηχάνημα. Ο μύθος λέει ότι αυτή η βελτίωση έγινε το 1713 από το αγόρι Χάμφρεϊ Πότερ, που υποτίθεται ότι άνοιγε και έκλεινε τις βαλβίδες. όταν το βαρέθηκε, έδεσε τα χερούλια της βαλβίδας με σχοινιά και πήγε να παίξει με τα παιδιά. Μέχρι το 1715, είχε ήδη δημιουργηθεί ένα σύστημα ελέγχου μοχλού, που κινούνταν από τον μηχανισμό του ίδιου του κινητήρα.

Ο Humphrey Gainsborough κατασκεύασε ένα μοντέλο ατμομηχανής με συμπυκνωτή τη δεκαετία του 1760. Το 1769, ο Σκωτσέζος μηχανικός James Watt (πιθανώς χρησιμοποιώντας τις ιδέες του Gainsborough) κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τις πρώτες σημαντικές βελτιώσεις στον κινητήρα κενού Newcomen, γεγονός που τον έκανε σημαντικά πιο αποδοτικό στα καύσιμα. Η συμβολή του Watt ήταν να διαχωρίσει τη φάση συμπύκνωσης του κινητήρα κενού σε ξεχωριστό θάλαμο, ενώ το έμβολο και ο κύλινδρος ήταν σε θερμοκρασία ατμού. Ο Watt πρόσθεσε μερικές ακόμη σημαντικές λεπτομέρειες στον κινητήρα του Newcomen: τοποθέτησε ένα έμβολο μέσα στον κύλινδρο για να σπρώξει τον ατμό και μετέτρεψε την παλινδρομική κίνηση του εμβόλου σε περιστροφική κίνηση ενός κινητήριου τροχού.

Με βάση αυτά τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας, ο Watt κατασκεύασε μια ατμομηχανή στο Μπέρμιγχαμ. Μέχρι το 1782, η ατμομηχανή του Watt ήταν περισσότερο από 3 φορές πιο παραγωγική από τη μηχανή του Newcomen. Η βελτίωση της απόδοσης του κινητήρα του Watt οδήγησε στη χρήση ατμού στη βιομηχανία. Επιπλέον, σε αντίθεση με τον κινητήρα του Newcomen, ο κινητήρας του Watt επέτρεπε τη μετάδοση περιστροφικής κίνησης, ενώ στα πρώτα μοντέλα ατμομηχανών το έμβολο συνδεόταν με έναν βραχίονα αντί για απευθείας σύνδεση με μια ράβδο σύνδεσης. Αυτή η μηχανή είχε ήδη τα βασικά χαρακτηριστικά των σύγχρονων ατμομηχανών.

Μια περαιτέρω αύξηση στην απόδοση ήταν η χρήση ατμού υψηλής πίεσης (Αμερικανός Oliver Evans και Άγγλος Richard Trevithick). Ο R. Trevithick κατασκεύασε με επιτυχία βιομηχανικούς μονόχρονους κινητήρες υψηλής πίεσης γνωστούς ως "Cornish engines". Λειτουργούσαν σε πίεση 50 psi, ή 345 kPa (3.405 ατμόσφαιρες). Ωστόσο, με την αυξανόμενη πίεση, υπήρχε επίσης μεγαλύτερος κίνδυνος εκρήξεων σε μηχανήματα και λέβητες, που οδήγησαν αρχικά σε πολυάριθμα ατυχήματα. Από αυτή την άποψη, το πιο σημαντικό στοιχείο της μηχανής υψηλής πίεσης ήταν η βαλβίδα ασφαλείας, η οποία απελευθέρωσε την υπερβολική πίεση. Η αξιόπιστη και ασφαλής λειτουργία ξεκίνησε μόνο με τη συσσώρευση εμπειρίας και την τυποποίηση των διαδικασιών για την κατασκευή, λειτουργία και συντήρηση του εξοπλισμού.

Ο Γάλλος εφευρέτης Nicolas-Joseph Cugnot παρουσίασε το πρώτο λειτουργικό αυτοκινούμενο ατμοκίνητο όχημα το 1769: το "fardier à vapeur" (άμαξα ατμού). Ίσως η εφεύρεσή του μπορεί να θεωρηθεί το πρώτο αυτοκίνητο. Το αυτοκινούμενο ατμοκίνητο τρακτέρ αποδείχθηκε πολύ χρήσιμο ως κινητή πηγή μηχανικής ενέργειας που οδηγούσε άλλες γεωργικές μηχανές: αλωνιστές, πρέσες, κ.λπ. Φιλαδέλφεια (Πενσυλβάνια) και Μπέρλινγκτον (πολιτεία της Νέας Υόρκης). Μετέφερε 30 επιβάτες και ταξίδευε με ταχύτητα 7-8 μίλια την ώρα. Το ατμόπλοιο του J. Fitch δεν είχε εμπορική επιτυχία επειδή η διαδρομή του συναγωνιζόταν έναν καλό χερσαίο δρόμο. Το 1802, ο Σκωτσέζος μηχανικός William Symington κατασκεύασε ένα ανταγωνιστικό ατμόπλοιο και το 1807, ο Αμερικανός μηχανικός Robert Fulton χρησιμοποίησε την ατμομηχανή του Watt για να τροφοδοτήσει το πρώτο εμπορικά επιτυχημένο ατμόπλοιο. Στις 21 Φεβρουαρίου 1804, η πρώτη αυτοκινούμενη σιδηροδρομική ατμομηχανή, που κατασκευάστηκε από τον Richard Trevithick, εκτέθηκε στο Penydarren Ironworks στο Merthyr Tydfil στη Νότια Ουαλία.