Изобретение парового двигателя — это история длительного процесса открытий, начавшегося в древности. В 1679 году француз Денис Папин разработал паровую скороварку, чтобы изучать давление газа. В 1712 году Томас Ньюкомен создал первый паровой двигатель, который использовался для откачки воды из шахты Дадли в Англии. Английский Джеймс Уатт стал инициатором новой важной инновации — применения под‑давлением пара, что значительно улучшило работу машины. Патенты Уатта вошли в общественное достояние, и многие мастера улучшали эффективность и конструкцию. Хотя паровой двигатель не был изобретён им, он сыграл ключевую роль в промышленной революции XIX века.
Использование пара для получения механической энергии
Принцип работы парового двигателя заключается в преобразовании тепловой энергии пара в механическую за счёт расширения и охлаждения парового газа в цилиндре с подвижным поршнем. Пар, необходимый для получения энергии или тепла, обычно производится в котле. Самый простой котёл представляет собой сосуд с водой, которую нагревают до получения насыщенного пара.
Такие котлы широко используются в бытовых системах отопления, однако паровые электростанции, применяемые для промышленного производства энергии, имеют гораздо более сложные конструкции и вспомогательное оборудование. КПД паровых двигателей обычно невысок, поэтому их часто заменяют паровыми турбинами.
Настройка парового двигателя
Первые исследования пара восходят к древности. До этого механическое производство ограничивалось силой человека, животных, ветра и воды, которые зависели от географических и климатических условий. Уже в I веке н.э. Герон Александрийский в «Пневматике» описал аэролит — полый металлический шар, вращающийся за счёт выхода пара по трубкам.
В начале XVII века учёные начали рассматривать пар как потенциальный источник промышленной энергии (работы Джованни Баттиста Делии Порта, 1601 г.; Салмона де Коза, около 1615 г.; Эдварда Сомерсета, 1663 г.). Ториелли и Геррике исследовали возможность конденсации пара.
Французский физик Денис Папин в трактате «Описание и применение новой машины для подъёма воды» предложил машину с поршнем, движущимся в цилиндре под действием пара, получаемого нагревом воды. Первый поршневой двигатель был построен в 1690 году и использовался для перекачки воды. Машина Папина, хотя и выглядела как курьёз, представляла собой базовую конструкцию, работающую под атмосферным давлением без сжатия пара.
Первые практические применения этих исследований — паровые насосы для откачки воды из угольных и медных шахт. В 1698 году Томас Сэйвери изобрёл первую паровую насосную машину. Более изобретательная машина Томаса Ньюкомена (1705) приводила в движение поршень, который колебал маятник, соединённый стержнями с насосом в дне колодца.
В 1711–1712 годах эта машина была внедрена в английские шахты и использовалась более полувека (около 160 экземпляров к 1760 году). Принцип её работы заключался в создании вакуума внутри цилиндра, когда наружное атмосферное давление толкало поршень; для этого требовалось чередующееся нагревание и охлаждение цилиндра, что приводило к огромным потерям топлива.
Улучшения Джеймса Уатта
Главным ограничением парового двигателя были металлургические технологии, необходимые для надёжного и экономически оправданного исполнения. Прорыв сделал шотландский механик Джеймс Уатт. В 1763 году, ремонтируя модель машины Ньюкомена в Университете Глазго, он заметил, что «чтобы избежать ненужного конденсата, цилиндр, где пар действует на поршень, должен оставаться горячим, а пар‑конденсатор следует разместить в отдельном сосуде, где его температура может быть понижена без изменения температуры цилиндра».
Уже в 1765 году Уатт присоединил к машине отдельный конденсатор. В 1769 году он запатентовал первые усовершенствования, а к 1782 году создал двойной (двухтактный) двигатель, где пар подавался поочерёдно с обеих сторон поршня. Машина была оснащена механизмом, преобразующим колебательное движение поршня в вращательное, что открыло широкие возможности применения. Широкое распространение изобретение получило благодаря фирме Мэттью Больтона в Сохо (около Бирмингема), где было построено около пятисот машин Уатта к концу XVIII века.
Медленное распространение парового двигателя
Раннее применение паровых машин в шахтах и текстильных фабриках Англии и Европы (например, установка машины Ньюкомена в Шемнице, Словакия, в 1722 году; в Пассии, Франция, в 1726 году) не означало их повсеместного внедрения даже в Великобритании. В первой половине XIX века паровые двигатели использовались лишь в самых современных отраслях: текстильной промышленности, металлургии, машиностроении и горном деле.
Традиционные источники энергии — водяные и ветряные мельницы, а также лошадиные приводы — сохраняли своё доминирование. Паровые паровозы применялись в сельском хозяйстве, но не были обычным явлением. Парадоксально, но широкое распространение паровых машин пришло в период «великой депрессии» 1873–1896 гг., когда британская экономика замедлилась и утратила лидерство в производительности.
Во Франции, Германии, Швейцарии и США внедрение паровых двигателей происходило медленно и запоздало. В регионах с быстрыми и стабильными реками водяные мельницы оставались главным источником энергии до конца XIX века, поскольку их эксплуатационные расходы были низкими, хотя первоначальная стоимость была высокой из‑за необходимости строительства канала. Паровой двигатель имел более низкую цену покупки, но высокие затраты на топливо, обслуживание и постоянный контроль.
В странах с дорогим углём паровые машины использовались лишь в крупных предприятиях. Тем не менее, в Париже, в районе Фобур Сент‑Антуан, компании по аренде паровых машин снабжали энергией ремесленные мастерские, соединяя их ремни с вращающимся валом на улице. В Франции паровые двигатели достигли пика популярности в 1920‑х годах, а к 1930‑м их количество начало снижаться из‑за появления более мощных турбин и электростанций.
Технологическое наследие парового двигателя
Принципы и технологии преобразования возвратно‑поступательного движения в вращательное нашли применение в конце XIX века в двигателях внутреннего сгорания (газовых и масляных). Многие конструкции, такие как коленчатый механизм, где кривошип вращается в масле, и система нескольких цилиндров, происходят от паровых машин.
Одновременно паровые двигатели постепенно заменялись турбинами, разработанными инженерами, например, Бенуа Фурньёром, в гидравлической технике XIX века. Паровые турбины появились в промышленности и на флоте в начале XX века, когда стало возможным изготовлять роторы, вращающиеся на очень высоких скоростях. В конце концов, атомные электростанции — это также внешне сгорающие установки, использующие пар для приведения в движение турбин.
Библиография
History of the Steam Engine, Robert Henry Thurston. Decoopman, 2014.
The Steam Engine, Louis Figuier. CIPP, 2015.
