Паровая машина Т. Ньюкомена.

В 1705 году механик Томас Ньюкомен получил патент на изобретенную им тепловую машину. Паровой насос Ньюкомена начали использовать в Англии для откачки воды из шахт. Главной деталью его был поршень, уравновешенный грузом и двигавшийся в большом вертикальном цилиндре (2). Давление пара, подаваемого в цилиндр из котла (1), поднимало поршень. Впрыскивание холодной воды из резервуара (5) осаждало пар и создавало в цилиндре вакуум. Атмосферное давление опускало поршень вниз. Охлаждающая вода и сконденсированный пар выпускались из цилиндра по трубе (6), а излишний пар из котла - через предохранительный клапан (7).

После этого двигатель вновь был готов к следующему впрыскиванию пара. Основной недостаток машины Ньюкомена состоял в том, что рабочий цилиндр в ней являлся в то же время и конденсатором.

Из-за этого приходилось поочередно то охлаждать, то нагревать цилиндр, и расход топлива оказывался очень велик.

Машина Ньюкомена была громоздкой, работала медленно и с перерывами.
Последующие изобретатели внесли много усовершенствований в насос Ньюкомена. Но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет.

Паровой двигатель Джеймса Уатта.

В 1765 году английский механик Джеймс Уатт создает паровой двигатель. В 1763-1764 годах ему пришлось чинить принадлежавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. Уатту сразу стало ясно, что для более экономичной работы двигателя целесообразнее держать цилиндр постоянно нагретым. В 1768 году на основе этой модели на шахте горнозаводчика Ребука была построена большая машина Уатта, на изобретение которой он получил в 1769 году свой первый патент.

Самым принципиальным и важным в его изобретении было разделение парового цилиндра и конденсатора, благодаря чему не затрачивалась энергия на постоянный разогрев цилиндра. Машина стала более экономичной . Ее КПД увеличился.

С 1776 года началось фабричное производство паровых машин. В машину 1776 года по сравнению с конструкцией 1765 года было внесено несколько принципиальных улучшений. Поршень помещался внутри цилиндра, окруженный паровым кожухом. Кожух сверху был закрыт, а цилиндр - открыт. Пар поступал в цилиндр из котла по боковой трубе. Цилиндр соединялся с конденсатором трубой, снабженной паровыпускным клапаном. Выше этого клапана был размещен еще один уравновешивающий клапан.

Однако машина совершала только одно рабочее движение, работала рывками и потому могла использоваться только как насос. Чтобы паровая машина могла приводить в действие другие машины, необходимо было, чтобы она создавала равномерное круговое движение. Такой двигатель двойного действия был разработан Уаттом в 1782 году. Огромных усилий потребовало от Уатта создание механизма передающего движение от поршня к валу, но Уатт добился и этого, создав особое передающее устройство, которое так и называется параллелограммом Уатта. Теперь новый двигатель Уатта годился для привода других рабочих машин. За 1785-1795 годы было выпущено 144 таких паровых двигателей, а к 1800 году в Англии работала уже 321 паровая машина Уатта

Для измерения мощности паровых машинУатт ввел понятие "лошадиная сила", которая в качестве общепринятой единицы мощности используется и по настоящее время. Одну из машин Уатта купил пивовар, чтобы заменить ею лошадь, которая приводила в действие водяной насос. При выборе необходимой мощности паровой машины пивовар определил рабочую силу лошади как восьмичасовую безостановочную работу до полного изнеможения лошади. Расчет показал, что каждую секунду лошадь поднимала 75 кг воды на высоту 1 метр, что и было принято за единицу мощности в 1 лошадиную силу.

Паровые двигатели применяли во всех отраслях производства. Они широко использовались в промышленности, на транспорте и стали в свое время "двигателями технического прогресса".

Однако коэффициент полезного действия самых лучших паровых двигателей не превышал 5%! Из каждых 1000 кг топлива на полезную работу тратилось всего лишь 50 кг!

К концу 19 века схема паросиловой установки была значительно усовершенствована, и ее основные принципы сохранились до нашего времени.
___

Интересно, что в 1735 году в здании английского парламента был установлен первый в систории вентилятор, который приводился в движение паровым двигателем.
___

В 1800 году некий американец, владелец шахты по добыче каменного угля придумал первый паровой лифт. В 1835 году этот паровой лифт вошёл в обиход фабричного грузоподъемного дела в Англии, а потом получил распространение в США.
А в 1850-х годах "Компания паровых подъёмников Отиса" установила свой первый пассажирский лифт в пятиэтажном магазине на Бродвее. Лифт брал до пяти человек и вез их со скоростью 20 см в секунду.

Некогда для откачки воды в шахтах и на судоремонтных предприятиях успешно использовалась паровая машина Ньюкомена, что продолжалось более 50 лет. В то же время вся эта конструкция имела внушительные габариты и требовала постоянного пополнения запасов угля. Временами для снабжения паровой машины топливом приходилось задействовать до 50 лошадей. В общем, все указывало на то, что данный агрегат требует усовершенствования, весь вопрос состоял лишь в том, кому эта идея придет в голову первому.

Начало новой эры в механике

В середине 60-х годов 18 века талантливый механик Джеймс Уатт работал в университете Глазго. Однажды ему поступил заказ на ремонт паровой машины Ньюкомена, и, разобравшись в конструкции агрегата, Уатт решил попробовать ее немного усовершенствовать. Он предположил, что можно будет сократить расход недешевого топлива, если цилиндр паровой машины будет постоянно оставаться в нагретом состоянии. Ведь до этого поршень двигался вниз и совершал полезную работу благодаря тому, что емкость с паром охлаждалась при помощи впрыска воды. Но чтобы воплотить в жизнь данную идею, следовало разобраться с проблемой конденсации пара, которую Уатт решил достаточно элегантно.

Если верить историческим источникам, мысль о том, как можно сконденсировать пар, пришла Уатту в голову совершенно случайно, когда он увидел, как под давлением вырываются его струи из котлов прачечных. Джеймс сообразил, что пар - это обыкновенный газ, который из цилиндра можно легко направить в другую емкость, создав в ней меньшее давление. Для этих целей Уатт решил использовать откачивающий насос и систему металлических отводящих трубок, которые забирали из цилиндра пар.

Паровая машина Джеймса Уатта

Следующее усовершенствование было направлено на то, чтобы заставить поршень в цилиндре совершать полезную работу не за счет атмосферного давления, а с помощью давления пара. Основная сложность состояла в том, чтобы сделать всю конструкцию герметичной, ведь добиться этого в то время было непросто. Но Уатт и здесь продемонстрировал отличную работу мысли - в своей машине он использовал в качестве уплотнителя пеньковую веревку, пропитанную маслом. Она по специальным углублениям наматывалась вокруг поршня, что позволило в большей части решить эту проблему.

Значение новой паровой машины для паровозостроения

Джеймс Уатт зарегистрировал патент на свое изобретение в 1769 году. При этом в документе значилось, что он изобрел не новую паровую машину, а паровой двигатель, температура которого всегда равнялась температуре пара. Вероятно, талантливый механик тогда и сам не знал, насколько значимым его усовершенствование станет в будущем для паровозов. Благодаря тому, что поршень в новом двигателе перемещался под воздействием пара, можно было многократно увеличить его мощность, просто создав большее давление. Таким образом, не нужно было вновь наращивать габариты - последнее слово оставалось за компактными паровыми машинами, которые совсем скоро стали использоваться во всех отраслях промышленности.

Несмотря на рождение в богатой семье, Джеймс Уатт пережил и почти нищенскую жизнь, и периоды непризнания его как специалиста. Тем не менее он разработал механизм, который сделал прорыв в промышленности всего мира

Семья и детство

Джеймс Уатт родился в весьма обеспеченной семье. Его отец работал кораблестроителем, кроме того приложил руку к строительству первого крана в местной пристани, его увлекали разные механизмы. Мать Джеймса была из богатой семьи. Именно обоим родителям будущий механик обязан тем, что они научили его читать и писать задолго до поступления в школу.

С детства Джеймс Уатт был очень болезненным. Поэтому учёба в школе была недолгой. Родители посчитали, что их ребёнок сможет всему научиться и сам, если этого пожелает. Так что целый год мальчик провёл в четырёх стенах

Не все друзья семьи понимали такой подход. Однажды Джеймса «поймали» на том, что он рисовал угольком что-то на очаге. Знакомый спросил у родителей, зачем они разрешают ребёнку портить имущество? На что Уатт-старший заметил, что сперва нужно разобраться, чем в действительности мальчик занят. Как оказалось позже, тот решал задачу Эвклида.

Подростком Джеймс начал изучать астрономию и химию. Кроме того отец, который и сам был неравнодушен к ручному труду, научил его столярному делу. Таким образом Джеймс сделал несколько моделей механизмов, которые разработал его отец. А ещё начал самостоятельно проводить научные эксперименты.

Несмотря на то, что учился он не в классе под присмотром учителей, к тому возрасту, когда нужно было вступать в гимназию, его знания во многом были выше уровня его сверстников.

В гимназии он совершенствует свои знания в области математики, кроме того начинает изучать латынь. Среди его увлечений ярко проявляется любовь к чтению: всё увиденное в книгах Уатт сразу же пробует применить на практике.

Первая работа и первые трудности

В 1754 у Джеймса умерла мать, это событие выбило из колеи всю семью: отец тяжело переживал утрату, и поэтому все заботы пришлось взять на себя Джеймсу. Ему нужно было найти работу, которая бы приносила доход всей семье. Решено было, что Уатт начнёт изучать ремесло по изготовлению измерительных приборов. Но поскольку в Шотландии негде было такому научится, он на целый год уехал в Лондон. Денег на целый семилетний курс у него не было, поэтому он устроился нелегальным учеником к мастеру Моргану.

Сперва ему поручают элементарную работу: изготавливать циркули и линейки, но вскоре смекалистый ученик уже самостоятельно делает квадранты, теодолиты и секторы. Почти всегда голодный, он даже на улицу не рискует выйти: с утра до вечера работает на хозяина, потом берёт на дом «халтуру», чтобы хоть как-то выжить, да и само его нелегальное положение могло закончиться весьма печально. Таких первыми вербовали на флот.

После года изнурительного труда, Уатт переезжает в Глазго, где начинает изготавливать и чинить измерительные приборы. Но вскоре его дело прикрывают - Союз ремесленников не разрешает ему продолжать работу, поскольку у Джеймса нет специального полного курса образования. Не спасает его даже тот факт, что он единственный на всю Шотландию умеет чинить телескопы и барометры.

Помог справиться с ситуацией случай: в университет города Глазго привезли партию измерительных приборов, которые нужно было почистить, настроить и установить. Никто не знал, как с ними обращаться, чтобы не испортить. И эту работу поручили именно Уатту. Чтобы никто не мешал ему заниматься делом, Джеймс обустроил при университете небольшую мастерскую. Таким образом его оставили на должности мастера научных инструментов.

В университете Джеймс Уатт подружился с Джозефом Блэком, химиком, вместе с которым они начали изобретать новые приборы.

Уатт-бизнесмен

В 1759 году Уатту предложил партнёрство местный бизнесмен-архитектор Джон Крейг. Вместе они занимались созданием различных инструментов, в том числе и музыкальных, а также первых музыкальных заводных игрушек. Впервые за несколько последних лет Уатт не живёт впроголодь, а наоборот — начинает зарабатывать большие деньги. Объём работ был таким огромным, что Джеймс вынужден был нанять помощников.

Сотрудничество продолжалось следующие шесть лет - вплоть до самой смерти Крейга.

В 1763 году Уатт женится на Маргарет Миллер, которая была его кузиной. В этом браке у них родилось пять детей, но выжили лишь двое. Маргарет скончалась в 1772 году при родах.

Вторично Уатт женился в 1777. Его женой стала Энн МакГрегор, в этом браке родилось двое детей.

Уатт-изобретатель

Поработать над разработкой модернизации паровой машины Уатту предлагали ещё в 1759 году, но тот отказался. Механизм Ньюкомена существовал тогда уже добрых полстолетия, но никому не было дела до того, чтобы в ней разобраться и усовершенствовать.

Ещё через четыре года к нему написал профессор университета Глазго с предложением произвести ремонт макета машины, который у них имелся. В результате Уатт не только отремонтировал механизм, но, увлёкшись работой, изменил некоторые детали и, таким образом, усовершенствовал его. Теперь энергия пара шла на разогрев всего цилиндра, а не просто преобразовывалась в механическую.

Работа над паровым механизмом так увлекла Уатта, что он начал проводить разные эксперименты с кипячением воды. И открывает скрытую теплоту. Он понимает, что пар может нагревать сильнее, чем горячая вода.

В 1769 Уатт наконец получает патент на свою разработку - изолированную камеру для конденсации. В том же году он хочет построить первую полномасштабную модель паровой машины, но сделать это не удаётся. Обработка металла в те годы ещё не была на нужном уровне, да и капиталовложений требовалось немало.

На помощь изобретателю приходят местные предприниматели. Они помогают изготовить нужную модель. Но, чтобы поставить производство на поток, нужны деньги. Здесь он опять находит поддержку - становится партнёром в компании Boulton and Watt. За 25 лет совместного бизнеса Уатт стал очень богатым человеком.

В 1782 Джеймс разработал механизм двойного действия, исключив из машины паровой цилиндр.

Судебные тяжбы и старость

В 1782 году Уатт запатентовал ещё пять новых разработок парового двигателя. Но тут стало появляться множество подделок на его работы. Компаньоны Болт и Уатт начали разбираться с каждым таким случаем, поскольку все они портили репутацию их изобретениям, кроме того были опасными для жизни.

Умер Джеймс Уатт в возрасте 83 лет, его похорони в Хэмсворте.

• Уатту хотели вручить титул барона за несколько лет до его смерти, но изобретатель отказался.
• В его честь назван кратер на видимой стороне Луны.
• Именно Уатт предложил такую единицу мощности как «лошадиная сила».
• В его честь в 1882 году единицу измерения мощности назвали Ваттом.

Титулы и награды

• 1784 — член Лондонского королевского общества.

Известные высказывания

Ничего не может быть позорнее для человека, чем браться не за своё дело.

Я не занимаюсь изобретательством только для трёх стран, но я занимаюсь тем, что нахожу полезным для целого мира.

Выдающийся шотландский инженер, изобретатель-механик Джеймс Уатт, труды которого положили начало промышленной революции сначала в Англии, а затем и во всем мире.

ПАРОВАЯ МАШИНА

В полном смысле этого слова Джеймс Уатт не был первым человеком, который изобрел паровую машину. Подобное устройство было описано Героном Александрийским в I веке н.э. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским инженером XVI века, который предложил метод вращения вертела силой потока пара, направляемого на лопасти, закрепленные по ободу колеса. Джеймс Уатт изобрел универсальную паровую машину, усовершенствовав паровую машину Ньюкомена, которую во времена Уатта использовали для откачки воды из угольных шахт. Первым таким значительным новшеством стала изолированная камера для конденсации: Джеймс Уатт зарегистрировал патент на свое изобретение в 1769 году. При этом в документе значилось, что он изобрел не новую паровую машину, а паровой двигатель, температура которого всегда равнялась температуре пара. Следующее усовершенствование было направлено на то, чтобы заставить поршень в цилиндре совершать полезную работу не за счет атмосферного давления, а с помощью давления пара. Позднее он также изолировал паровой цилиндр, а в 1782 году изобрел машину двойного действия, которая позволила увеличить производительность паровой машины в четыре раза, что дало 75% экономию в себестоимости угля. В дополнение к другим различным усовершенствованиям паровой машин Уатт также изобрел центробежный регулятор, при помощи которого осуществлялся автоматический контроль за скоростью машины, манометр и дроссельный клапан.

ПАРОВОЙ МОЛОТ

Помимо паровой машины и усовершенствований для нее, Уатт также изобрел паровой молот. Патент на него изобретатель получил в 1784 году, сразу после получения патента на паровую машину. Это приспособление оснащалось маховым колесом, для привода распространенного в то время рычажного молота. Первый из молотов Уатта весил 54,5 килограмм и поднимался на высоту 8 дюймов (203 миллиметра). Затем Уатт построил рычажный паровой молот с весом падающих частей около 380 килограмм, производивший 300 ударов в минуту. Паровой молот был одной из важнейших машин своего времен и господствовал в машиностроении на протяжении 90 лет.

Мастерская Джеймса Уатта Фото: Frankie Roberto/Wikimedia Commons

КОПИРОВАЛЬНЫЙ ПРЕСС

В 1780 году Уатт изобрел и запатентовал портативный копировальный пресс, который состоял из коробки, в которой были отделения для карандашей, ручки, линейки и бумаги, а также специальный отсек для копировальной бумаги. В металлизированной коробке был запас краски и воды на 24 листа копирования. Для зажима листа оригинала использовалась металлическая крышка. До начала работы копировальные листы 12 часов выдерживались в специальном составе. Фактическое копирование производилось поворотом ручки аппарата, вращавшей два латунных валика, расположенных в нижней части корпуса. Оригинал документа помещался на копировальную пластину между подъемными крышками. Его прижимали к влажной копировальной бумаге для получения оттиска, и, таким образом, на копировальных листах получалась зеркальная копия документа, которая после 24 часов сушки была готова к использованию. Компания, основанная Уаттом, выпускала подобные машины до конца XIX века, ее использовали в своей работе такие известные люди, как Бенджамин Франклин, Джордж Вашингтон и Томас Джефферсон.
В преклонных годах изобретатель также трудился над машиной для копирования скульптурных произведений, эйдографом - механическим приспособлением, позволяющим с высокой точностью копировать барельефы, медальоны, статуи и прочие вещи самой сложной формы.

ПАРАЛЛЕЛОГРАММ УАТТА

Механизм, изобретенный Уаттом в 1784 году для придания поршню паровой машины прямолинейного движения. Параллелограмм состоит из двух горизонтальных рычагов, шарнирно прикрепленных к концам вертикального рычага, который закреплен в центре балки моста и имеет возможность вращения. За счет поворота вертикального рычага компенсируется неравномерность движения в поворотах. В наши дни используется на задней оси в некоторых автомобильных подвесках.

Паровая машина Уатта. Фото: Eclipse.sx/Wikimedia Commons

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

В качестве измерения мощности Уатт предложил использовать понятие «лошадиная сила». Эта единица измерения использовалась при большинстве расчетов до 1882 года, пока Британская ассоциация инженеров решила назвать единицу мощности именем Уатта - Ватт. Это был первый в истории техники случай присвоения собственного имени единице измерения.

Джеймс Уатт - один из шотландских инженеров и изобретателей-механиков.

Биография Уатта кратко

Отца Джеймса звали также, он был разносторонним человеком. Он занимался кораблистроением и имел собственный склад с принадлежностями для кораблей.

В какой-то мере был изобретателем, а также занимался морской торговлей. Мать мальчика была из богатой семьи и имела хорошее образование.

Родился Джеймс Уатт 19.01.1736 года в городке Гринок. С детства имел проблемы со здоровьем. Изначально он обучался дома, а его учителями стали его родители.

Мама обучила чтению, а папа письму и математике. Из-за постоянных недомоганий, он был отстранен от игр со сверстниками, и его любимым занятием стала рыбалка.

В подростковом возрасте Джеймс не на шутку увлекся астрономией, химическими реакциями, а также он очень полюбил делать все своими руками. После того как отец подарил ему столярный набор, мальчик не переставал что-то мастерить, он изготовлял модели устройств отца.

Когда он достиг возраста поступления в старшую школу, его отдали в гимназию. В дальнейшем он едет в Лондон, чтобы пройти не официальное обучение у Моргана.

Затем он вернулся в Шотландию, и открывает собственное дело. Но так как у него нет доказательств о своем мастерстве ему не дозволяют работать. Но к его счастью в город привозят астрономическое оборудование требующее чистки и установки, так он стал мастером научных инструментов при университете.

Становление

Вскоре он с товарищем открыли производство различных приспособлен и инструментов. Это дело приносило хороший заработок. Джеймс Уатт весь поглощен в усовершенствовании своего последнего изобретения для копирования объемных вещей. Он скончался 19 августа 1819 года, вечное место его упокоения - приходская церковь в Хэндсворте.

Научные изобретения

Многие ученые считают, что благодаря изобретениям Уатта произошла промышленная революция. Одними из основных изобретений стали:

• Паровые машина и молот,
• копировальный пресс,
• предложил в качестве единицы измерения мощности использовать "лошадиные силы".

Паровая машина

На самом деле Джеймс Уатт не изобретал паровую машину, он лишь усовершенствовал ее. Когда он регистрировал патент на свое изобретение, в документе говорилось что он создал Паровой двигатель.

паровая машина фото

В 1782 году механик создал машину двойного действия, которая позволяла увеличить производительность паровой машины до четырех раз.

Паровой молот

Запатентовал свой паровой молот Джеймс в 1784 году. Это изобретение состояло из махового колеса и обычного, на тот момент, рычажного молота. Первый экземпляр весил 54,5 кг и бил с высоты 20,3 см.

паровой молот фото

Затем ему удалось усовершенствовать его до массы бьющий частей в 380 кг, а скорость работы такого молота составляла 300 ударов в минуту.

Копировальный пресс

Патент на копировальный пресс был подан в 1780 году. Это была коробка с отделениями для ручек и карандашей, а также с линейкой, бумагой и специальным отсеком под копировальную бумагу. Запаса материала хватало на 24 копии.

копировальный пресс фото

Для того, чтобы привести аппарат в действие нужно было вращать ручку. Она вращала валики таким образом что на бумаге появлялся зеркальный оттиск оригинала.