Определение

Паровая машина - двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Изобретение...

История изобретения паровых машин начинает свой отсчет еще с первого столетия нашей эры. Нам становится известно устройство, описанное Героном Александрийским, и приводимое в действие паром. Пар, выходящий из сопл по касательной, закреплённых на шаре, заставлял двигатель вращаться. Настоящая же паровая турбина была изобретена в средневековом Египте гораздо позднее. Ее изобретателем является арабский философ, астроном и инженер 16 века Таги-аль-Диноме. Вертел с лопастями начинал вращаться благодаря потокам пара, направленным на него. В 1629 г. подобное решение было предложено итальянским инженером Джованни Бранка. Главным минусом этих изобретений было то, что потоки пара были рассеивающимися, а это безусловно приводит к большим потерям энергии.

Дальнейшее развитие паровых машин, не могло происходить без подобающих условий. Необходимо было и экономическое благополучие и необходимость данных изобретений. Естественно этих условий не было и не могло быть до 16 века, в виду столь низкого уровня развития. В конце 17 века была создана пара экземпляров сих изобретений, но серьезно воспринята не была. Создателем первой является испанец Аянс де Бомонт. Эдвард Сомерсет - ученый из Англии в 1663 году опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан. Но поскольку все новое трудно воспринимается человеком, то финансировать данный проект никто не решился. Создателем парового котла считается француз Дени Папен. В ходе проведения опытов по вытеснению воздуха из цилиндра, посредством взрыва пороха, он выяснил, что полный вакуум можно получить только с помощью кипящей воды. А чтобы цикл был автоматический, необходимо чтобы пар производился отдельно в котле. Папену приписывают изобретение лодки, которое приводилось в движение посредством реактивной силы в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Севери; также его изобретением считается предохранительный клапан.

Все описанные устройства не были использованы и признаны практичными. Даже «пожарная установка», которую в 1698 году сконструировал Томас Севери, прослужила не долго. Из-за высокого давления создаваемого паром в емкостях с жидкостями, они часто взрывались. Поэтому его изобретение посчитали небезопасным. В свете всех этих неудач история изобретения паровых машин могла бы прерваться, но нет.

Превью - увеличение по клику.

На картинках изображен паровой тягач Куньо. Как можно заметить, он был очень громоздким и неудобным в управлении.

Английским кузнец, Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Он представлял собой усовершенствованную модель парового двигателя Севери. Он получил свое применение в качестве откачки воды из шахт. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, подававшему воду вверх. Двигатель Ньюкомена был популярен и пользовался спросом. Именно с появлением данного двигателя принято связывать начало английской промышленной революции. В России первая вакуумная машина была спроектирована И.И.Ползуновым в 1763 году, а через год проект был воплощен в жизнь. Она приводила в действие воздуходувные меха на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Идея Оливера Эванса и Ричарда Тревитика, о использовании паров высокого давления, принесла значительные результаты. Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Не смотря на увеличение эффективности, так же возросло количество случаев взрывов котлов, которые не выдерживали огромного давления. Поэтому принято было использовать предохранительный клапан, для выпуска излишнего давления.

Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо продемонстрировал в 1769 году первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровая телега). Его изобретение можно посчитать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор используемый в качестве мобильного источника механической энергии показал свою эффективность, он приводил в движение различные СХ машины. В 1788 году был построен, Джоном Фитчем пароход, который осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией и Берлингтоном. Он обладал вместимостью всего 30 человек, а передвигался со скоростью до 12 км/ч. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе был продемонстрирован первый самоходный железнодорожный паровой поезд, который был построен Ричардом Тревитиком.

Видный естествоиспытатель XVIII века, член-корреспондент, а потом ординарный член Петербургской Академии наук, Эрик Лаксман писал 11 февраля 1765 года с :

«…Другой, с чем наибольше имею знакомство, есть горный … Он строит теперь огневую машину, совсем отличную от венгерской и английской. Машина сия будет приводить в действие мехи или цилиндры в плавиль­нях посредством огня; какая же от того последует выгода! Со временем в России, если потребует надобность, можно будет строить заводы на высоких горах и в самих даже шахтах».К середине XVIII века на отечественных рудниках работы велись почти исключительно вруч­ную, а если и применялись механизмы (вороты и т.д.), то с мускульны­ми приводами. Примером может служить .

Змеиногорский рудник счи­тался тогда основным местом добычи серебряных руд. В основном на руднике применялись ручные вороты для подъема добытой руды на поверхность. Применение первых вододействующих механизмов на Змеиногорском руднике (вернее на заводах, связанных с этим рудником) относит­ся к концу 40-х годов XVIII века. А в 1752 году на одной из шахт начал строиться конный ворот; на остальных шахтах еще долгое время применяли ручные вороты.

На Колыванском заводе в конце 30-х годов XVIII века имелось только шесть во­дяных колес. Они обслуживали семь пар воздуходувных мехов, три тол­чеи и одну лесопильную раму.

На Барнаульском заводе также значительная часть операций произво­дилась вручную. Примером может служить кузнечный цех, в котором совсем отсутствовали вододействующие механизмы. Но в других цехах было немало водяных двигателей. В 1751 году там действовало 14 водяных колес. Они обслуживали восемь пар воздуходувных мехов, два молота, два мельничных постава для размола зерна, одну «мусорную толчею» и одну «пильную мельницу», т.е. всего 20 рабочих машин. На Барнауль­ском заводе лишь одни воздуходувные мехи были сгруппированы по две пары на водяное колесо, остальные рабочие машины имели каждая свой двигатель.

Объем рудничных работ, проводимых на Алтайских горных заводах, и их сложность возрастали, что требовало применения более совершенных технических средств.

Вентиляция подземных выработок осуществлялась через стволы шахт или через специальные вертикальные смотровые и вентиляционные ходы. Насыщенный пороховыми газами, сырой, спертый воздух близ за­боя содержал, помимо того, много рудной пыли, в состав которой вхо­дила вредная медная зелень и другие еще более ядовитые частицы. Чем глубже опускались подземные выработки, тем труднее было сдержать напор грунтовых вод, борьбу с которыми на всех этажах вели при помо­щи ручных насосов.

Тяжело было работать в забое, но еще быстрее изматывала людей работа у рукояток водяных насосов. Ее нельзя было прекращать, нельзя было делать даже кратковременных передышек. Лишь с напряжением всех сил удавалось работным людям держать на одной отметке уровень воды, стекающей со всех сторон в особые углубления, из которых воду поднимали с яруса на ярус.

Чем дальше углублялись выработки, тем все большее число работ­ников требовалось для обслуживания ручных насосов. При помощи та­ких примитивных технических средств становилось все труднее предот­вращать скопление воды в местах производства работ. В нижних гори­зонтах работа приостанавливалась в летнее время, так как их затопляла грунтовая вода.

Рудники представляли собой лабиринт шахт и галерей, идущих под разными уклонами. Там легко можно было заблудиться. Скудное осве­щение и крутые повороты подземных ходов сильно снижали производи­тельность труда, приводили к частым увечьям. Выработанные простран­ства заваливались «пустой» породой, к которой относили руды, содержа­щие менее 0,08% серебра на пуд руды.

Иногда горняки попадали в слои раздробленного камня и глины, и их засыпало породой. В большинстве случаев приходилось применять крепление, а крепежный лес спускать при помощи тех же ручных воро­тов, которыми поднимали руду на поверхность земли.

Узенькие лестницы без пе­рил почти вертикально опускались в те самые шахтные стволы, по которым поднималась в бадьях руда ручными воротами. Между лестницами и той частью стволов, где двигались бадьи, не было даже ограждения. Каждый пролет заканчивался небольшой площадкой. Спуск по многочисленным вертикальным лестницам, облепленным грязью, а зимой покрытым ледяной коркой, был очень изнурителен и опасен. Все это мало беспокоило администра­цию рудника. Лишь после не­скольких несчастных случаев производили технический ос­мотр, но и тогда ограничива­лись заменой лишь отдельных ступеней.

На многочисленных алтайских «приисках», как называли места закладок пробных шахт для разведки найденного месторож­дения, часто отсутствова­ли и ручные вороты, а руда поднималась попросту верёвкой, к концу которой привеши­валась бадья. Столь же при­митивным способом удалялась и грунтовая вода. Спуск в по­добные шурфы напоминал ла­зание по вертикальным скалам. Он осуществлялся при помощи шестов, и лишь с глубины 5-6 метров ставились лестницы.

В 1760 году в России было опубликовано руководство для металлургов и горняков под названием «Обстоятельное наставление рудному делу». Автор – руководитель канцелярии монетного департамента Иван Андреевич Шлаттер (до переезда в Россию — Иоганн-Виль­гельм Шлаттер, 1708-1768) — видный специалист в области горного дела, металлургии, пробирного и монетного дела. Поскольку написанное задолго до этого, но оставшееся в рукописи, аналогичное руководство М.В. Ломоносова было издано лишь три года спустя, книга Шлаттера явилась первым пособием такого рода. В этой книге было впервые дано изображение и подробное описание на русском языке паровой машины для откачки воды из шахт.

В 1761 году руководство Колывано-Воскресенских рудников обязало своих горных офи­церов (которых в то время называли на немецкий манер «шихтмейстерами») изучать эту работу Шлаттера.

Одним из таких горных инженеров был . После огромной подготовительной исследовательской работы, кото­рой Ползунов мог заниматься лишь урывками в немногие свободные часы, он подал в апреле 1763 года начальнику Колывано-Воскресенских заводов А.И. Порошину докладную записку, предлагающую начать широкое применение паровых («огнедействующих») машин, а также чертеж и описание такой машины, предна­значенной для заводских целей.

Первые проекты использования силы пара для приведения в дейст­вие различных механизмов встречаются в работах многих изобретате­лей XVII века. Одни, как например С. де Ко во Франции или Э. Сомерсет, известный также под именем маркиза Ворчестера (по английскому про­изношению Вустера) в Англии, проектировали сосуды, вода из которых должна была бить фонтаном под действием пара, давящего на поверх­ность воды. Другие предлагали использовать струю пара для вращения своеобразной турбины (итальянец Дж. Бранка).

Как говорил Ф. Энгельс: «Паровая машина была первым действительно интернациональным изобретением, и этот факт в свою очередь свидетельствует об огромном историческом прогрессе».

В создании первых паровых машин к концу XVII века видную роль сыграли проекты и опыты талантливого изобретателя Дени Папена, француза по происхождению, долго жившего в Англии и Германии и сотрудничавшего там с выдающимися учеными.

Решающие опыты Папена были произведены в Германии и связаны с теоретическими трудами знаменитого Лейбница, с которым Папен поддерживал переписку на протяжении ряда лет. Папен первый пред­ложил паровую поршневую машину (в 1690 г.), где, однако, паровой котел, цилиндр и конденсатор не были отделены один от другого (вода и кипятилась и охлаждалась в рабочем цилиндре). Кстати, Папен пред­полагал, что новый двигатель может быть применен не только «к подъе­му воды или руды из шахт», но и «для продвижения судов против ветра» и «для множества других подобных вещей». Но ни этот, ни последующие (например, предложенные в 1705-1706 годах) проекты и модели Папена практического примене­ния не получили.

В 1698 году английский инженер Томас Севери построил первую практически применимую паровую машину («огневой насос ») своеобразной конструкции. Изо­бретатель назвал ее «друг горняка». Ма­шины Севери имели очень узкое назначение — откачку воды из подземных выра­боток, хотя теоретически Севери допускал возможность применения «огнедействующей» машины и для других нужд.

В машине Севери котел был отделен от рабочего сосуда, но работа пара, пере­гонявшего воду из сосуда вверх по трубе непосредственным давлением на ее по­верхность, и его конденсация происходи­ли в одном и том же сосуде. Ни цилиндра, ни поршня в машине не было. Машина такого типа и была первой паровой ма­шиной, появившейся в России. В 1717- 1718 годах Петр I выписал из Англии маши­ну системы Севери, усовершенствованную физиком Жаном-Теофилем Дезагюлье . Этот «огневой насос», сферический котел которого вмещал 5-6 бочек воды, упот­реблялся для пуска фонтанов в Летнем саду.

В 1711-1712 годах английский изобретатель, кузнечный мастер Томас Ньюкомен построил совместно с Джоном Колли (или Коули) первую паровую (точнее пароатмосферную) поршневую машину.

Двигатель Ньюкомена предназначался вначале также лишь для откачки воды. Посредством балансира он соединен был с насосной уста­новкой. Двигатель представлял собой пароатмосферную машину. В от­крытом сверху вертикальном цилиндре двигался поршень. Движение поршня вверх (холостой ход) совершалось под действием пара, посту­пающего под поршень из котла, расположенного под цилиндром. Подъе­му поршня содействовал также вес насосной штанги и добавочного груза, подвешенного на противоположном конце балансира. Движение поршня вниз (рабочий ход) совершалось силой атмосферного давления после того, как пар под поршнем охлаждался путем вбрызгивания в ци­линдр (под поршень) холодной воды.

Даже после усовершенствований, внесенных в конструкцию машины Ньюкомена Г. Бейтоном, Дж. Смитоном и, наконец, знаменитым англий­ским изобретателем Джемсом Уаттом в 1769-1774 годах, паровая машина Ньюкомена сохраняла это узкое назначение.

«…Паровая машина в том виде, как она была изобретена в конце XVII века, в мануфактурный период, и просуществовала до начала 80-х годов XVIII века, не вызывала никакой промышленной революции », — подчеркивал К. Маркс.

И на Урале еще в 50-х годах XVIII века ставился вопрос о применении паровой машины (по-видимому, системы Ньюкомена) для откачки воды из шахт. Так, например, канцелярия Гумешевского медного рудника весной 1752 года обратилась в Берг-коллегию с просьбой затребовать из Академии наук модель машины, которая «чрез огонь из глубоких ям воду вытягивает», а также «аккуратное об ней описание». Впрочем, это начинание осталось неосуществленным.

До весны 1763 года нигде в мировой практике паровые («огнедействую щие») машины не применялись для непосредственного приведения в движение каких-либо заводских или транспортных механизмов , хотя теоретически такая возможность допускалась, как мы видели, Д. Папеном и Т. Севери, а также и некоторыми позднейшими конструкторами, например Дж. Хэллзом (Гулльзом) в Англии или И.-Э. Фишером в Германии в 30-х годах XVIII века.

В тех случаях, когда (к середине XVIII века) делались отдельные по­пытки использовать силу «огня» (пара) для приведения в действие за­водских механизмов (сверлильных станков, воздуходувок и т.д.), паро­вую машину (системы Севери или Ньюкомена) заставляли поднимать воду в резервуар, а затем пускали эту воду на колесо, которое приво­дило в движение данный механизм.

В докладной записке к своему первому проекту 1763 году Ползунов выдвинул поразительное по смелости предложение - заменить всю си­стему водяных двигателей на заводах «огненными», т.е. паровыми дви­гателями, тем самым «облегчая труд по нас грядущим».

Проектируя свою паровую машину для различных заводских целей, Ползунов стремился прежде всего разрешить конкретные запросы алтай­ского и вообще русского горнометаллургического производства. В связи с необходимостью постройки алтайских заводов непременно на реках, часто вдали от рудников и лесов, увеличивались трудности перевозки руды и угля. Именно в период 1762-1763 годов Колывано-Воскресенское горное начальство получило задание построить ряд новых заводов. Между тем было трудно найти места, где бы имелись и рудные место­рождения, и леса (древесное топливо), и которые были бы вместе с тем удобны для создания крупных водохранилищ.

Ползунов настойчиво стремился найти способ строить заводы в лю­бом безводном месте. Начиная свою докладную записку с анализа основных недостатков горного дела в России, он подчеркивал, что необ­ходимость строить заводы на реках ограничивает возможность строи­тельства новых заводов и вызывает огромные дополнительные расходы государственных средств.

Ползунов подчеркивал, что он замыслил «сложением огненной ма­шины водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничто­жить, а вместо плотин за движимое основание завода ее (паровую ма­шину) учредить так, чтобы она была в состоянии все наложенные на себя тягости, каковы к раздуванию огня обычно в заводах бывают потребны, носить и по воле нашей, что будет потребно, исправлять (здесь в смысле исполнять)… Дабы сей славы (если силы допу­стят) Отечеству достигнуть и чтоб во всенародную пользу… в обычай, ввести».

Докладная записка 1763 года показывает также, что скромный алтай­ский шихтмейстер, непрестанно отвлекаемый текущими поручениями, ничего общего не имеющими с изобретательством и с науками, успел приобрести солидные практические и теоретические знания. Он трезво оценивал, например, состояние литературы о паровых машинах, говоря, что «действие огненных машин должно более примечаниями (наблюдениями) и опытами, нежели в тягостях (в расчетах нагрузок) — механическими, а в фигурах — геометрическими доводами, утверждать и теоретически доказывать».

Он правильно отмечал отставание современной ему теории от прак­тики «особливо в воздушных и огненных делах», т. е. в области учений о газах и о теплоте. Теоретические замечания Ползунова показывают, что он был в курсе борьбы научных мнений о природе тепловых явлений. Ему было знакомо как старое учение о теплороде, так и новая молекулярно-кинетическая теория теплоты, главным представителем которой в России был М.В. Ломоносов.

Круг литературных источников, использованных Ползуновым, нам мало известен (на русском языке в то время имелась лишь одна книга, содержавшая беглое упоминание об использовании паровых двигателей для откачки воды из шахт: Г. Крафт «Краткое руководство и познания простых и сложных машин, сочинённое для употребления российского юношества», СПб, 1738). Несомненно лишь, что изобретатель изучал вышедшую в 1760 году книгу И.А. Шлаттера «Обстоятельное наставление рудному делу», где на страницах 150-169 давалось описание паровой (точнее - пароатмосферной) машины Ньюкомена с соответствующими рисунками. Шлаттер в свою очередь позаимствовал это описание из книги фран­цузского инженера Б.-Ф. Белидора «Гидравлические сооружения» (1739). О знакомстве Ползунова с некоторыми трудами Ломоносова можно лишь высказывать предположения.

В своем проекте Ползунов, и в этом его огромная историческая заслуга, впервые дал подробное описание оригинальной паровой (точ­нее — пароатмосферной) машины, позволявшей осуществлять непрерыв­ность отдачи работы, а потому пригодной для применения в различных заводских операциях. Описание сопровождалось тщательными расчета­ми и чертежами машины во всех ее деталях.

Канцелярия Колывано-Воскресенского горного начальства во главе с Порошиным, рассмотрев 25 апреля 1763 года представленные Ползуно­вым документы, одобрила проект, хотя с оговорками и сомнениями («сумнительствами»), особо подчеркнув, что осуществление замысла изобретателя позволит «избегнуть против нынешнего знатных расходов, а именно строения чрез великую сумму на реках плотин», и что если «сверх сомнения» Ползунов построит машину, то она «не столько при одних здешних, но и при многих в России заводах, фабриках и мануфак­турах руководить может с немалою пользою».

Затем проект Ползунова с заключением Канцелярии послан был на заключение Шлаттеру. Последний также выдвинул против предложений изобретателя ряд оговорок, возражений и «сумнительств». В целом же Шлаттер приходил к положительному выводу и рекомендовал «велеть такую машину, какую он (Ползунов) проектировал, построить и в действие производить, дабы практикою теорию свою подтверждала». Он одобрил намерение Канцелярии поощрить изобретателя производст­вом в чин горного механика («берг-механикуса») и денежной наградой.

Екатерина II утвердила это решение и «великодушно» пожаловала Ползунову 400 р., которые, однако, были доставлены изобретателю, когда он лежал уже на смертном одре.

К марту 1764 года Ползунов разработал подробный второй проект па­рового двигателя несколько иной конструкции, позволившего непосред­ственно приводить в действие воздуходувные мехи при сереброплавиль­ных печах.

В январе 1764 года заводское начальство вынесло решение о приме­нении машин системы Ползунова — как при Барнаульском заводе, так и на Новолазурском и Семеновском рудниках. Возможно, что на эти рудники предполагалось перенести барнаульскую машину.

Для производства деталей паровой машины Ползунов сконструиро­вал ряд станков — токарных и др. — с водяным приводом.

К числу серьезных ошибок, нередко повторявшихся в литературе о Ползунове, принадлежит утверждение, будто изобретатель был одиноч­кой и создавал все свои гидротехнические и теплотехнические установ­ки единолично.

Верно, конечно, что круг помощников Ползунова был еще узок. Но такие помощники были. Да было бы и физически невозможно одному человеку сооружать огромную по тем временам паровую машину.

К «механикусу» Ползунову было прикомандировано четыре учени­ка - Дмитрий Левзин, Федор Овчинников, Иван Черницын и Петр Вятченин, мастер по расковке меди Филат Медведев и отставной мастеро­вой Спиридон Бобровников.

19 марта 1764 года Ползунов просил также прикомандировать еще следующих мастеров по литейному делу: плавильщиков («шмельцеров») Ивана Шевангина, Сергея Трусова, Федора Кирсанова и Ивана Колмина, кузнеца Ефима Материна, обжигальщика Михайлу Густокашина и отставного мастерового Григория Бобровникова; по расковке меди - мастеров Семена Коренева и Козьму Девкина, по меднокотельному, паяльному, кузнечному и слесарному делу - Ивана Клюева, Андрея Зуева, Сафона Васильева и Григория Харитонова; столяров для изго­товления моделей и образцов - Игнатия Речкунова и Степана Худякова, а к ним работников из бочкарей - Ивана Сафонова и Петра Кунгурова. Кроме того, Ползунов просил дать ему чернорабочих из заводских кре­стьян по 40 человек на июль и август и с ними по 10 человек плотников.

Хотя в помощь изобретателю давали меньше людей, чем он просил, но все же частично его ходатайство удовлетворили. Помощники из чис­ла мастеров и чернорабочих у изобретателя были. Особенно значитель­ную роль в постройке машин играли механические ученики Иван Черни­цын и Дмитрий Левзин,

К декабрю 1765 года «огненная машина» была в основном закончена. Ползунов опробовал ее в действии, заменив для этого случая отсутство­вавшие мехи бревнами. Затем приступили к постройке мехов.

Алтайскому механику было несравненно труднее строить паровую машину, чем мастерам Англии, единственной страны, где вообще в то время производились такого рода двигатели.

Еще в первой четверти XVIII века там был создан около Лондона специальный завод для выделки паровых цилиндров и других деталей «огнедействующих» машин. С этого завода посылались и мастера для сборки паровых машин (как правило, одноцилиндровых, системы Ньюкомена). И все же английским теплотехникам второй половины XVIII века (в том числе и Уатту) пришлось сталкиваться с огромными трудностями в деле производства деталей паровых машин, которые зачастую оказы­вались непригодными.

На Алтае не было машиностроительных заводов. Примитивные, поч­ти полностью деревянные машины и механизмы мануфактурных пред­приятий строились и собирались обычными заводскими плотниками столярами, кузнецами и слесарями.

Ползунов должен был создавать не только детали машин (медные, железные, свинцовые, стальные), но и орудия для производства этих деталей.

И он действительно изготовил множество специальных инструмен­тов, сконструировал ряд станков - токарных и других, частично приво­димых в движение силой воды.

Что же представляла собой ползуновская машина - первая паровая машина, для заводских целей построенная в России?

Недалеко от заводского пруда было построено высокое деревянное здание около 19 м высотой, где размещалась огнедействующая машина с котельной установкой, парораспределительным, водораспре­делительным и передаточным механизмами. Часть здания была низкой и вытянутой в длину. Там должны были находиться воздуходувные мехи, обслуживаемые паровой машиной.

Котельная установка занимала нижний ярус основной (высокой) части здания и выступала над полом второго яруса. Медный котел имел внизу вид усеченного конуса, а вверху - полушаровидную форму. Он имел прибор для автоматического питания котла водой и еще несколько остроумных приспособлений, введенных Ползуновым для обеспечения бесперебойной работы котла.

Над котлом, занимая все верхние ярусы здания, размещались ци­линдры паровой машины с водо- и парораспределительными устройст­вами, а также механизм для передачи движения воздуходувным мехам.

«Огнедействующая машина», построенная в 1764-1765 годах, относи­лась в основном к той же системе, которая предусматривалась проектом 1763 года но имела значительно большую мощность — 32 л.с. вместо 1.8 л.с.

Взяв в качестве исходной конструкцию ньюкоменовской пароатмосферной машины, Ползунов запроектировал машину не с одним, а с дву­мя такими цилиндрами. Каждый из этих медных цилиндров имел огром­ные по тем временам размеры - около 3 м в высоту и 0.8 м в диаметре (по проекту 1763 года цилиндры должны были иметь в четыре раза мень­ший диаметр). В цилиндрах двигались железные поршни (как тогда говорили «эмволы»), обтянутые кожей. Техника того времени была еще столь несовершенной, что плотно подогнать поршни к внутренней поверх­ности цилиндров не удавалось. Зазоры достигали 15 мм. С подобной же трудностью сталкивались и западные теплотехники. В цилиндрах их па­ровых машин зазоры были тоже очень велики, и пар то здесь, то там вырывался из них.

Поршни в двухцилиндровой машине Ползунова двигались в проти­воположных направлениях - когда один поднимался, другой опускался. Движение поршней передавалось двум балансирам, которые качались вверх и вниз также в противоположных направлениях (в проекте 1763 года Ползунов предусматривал не балансиры, а шкивно-цепную передачу, но впоследствии отказался от такого устройства). Вторые плечи балансиров должны были соединяться посредством тяг с рукоятками двух воздуходувных мехов.

Только что описанное устройство двухцилиндровой машины с двумя балансирами обеспечивало непрерывное дутье для плавильных печей. Воздухораспределительная и парораспределительная системы машины были устроены в высшей степени остроумно. Хотя, как уже отмечалось, Ползунов был знаком с книгой Шлаттера, а может быть, и с некоторыми другими чертежами созданных к этому времени паровых машин, но его изобретение было новым вкладом в мировую теплотехнику. Это признал и Шлаттер, отметивший в своем заключении: «…Он, шихтмейстер, так похвалы достойною хитростию оную машину умел переделать (по срав­нению с машиной Ньюкомена) и изобразить, что сей его вымысел за новое изобретение почесть должно», потому что Ползунов «вместо того что все в свете находящиеся такие машины одинаки и из одного цилиндра состоят, то он оную на две разделил…»

Итак, замечательное творение первого русского теплотехника было в основном завершено. Оставались лишь некоторые доделки - и маши­на могла войти в строй. Однако судьба самого Ползунова складывалась трагически. За несколько лет до этого у него началось легочное заболе­вание. Постоянная нужда, тяжелая и нервная работа, нередко сопряжен­ная с большой опасностью, способствовали усилению болезни.

Материальные условия жизни Ползунова почти не улучшились и по­сле того, как он стал «механикусом».

Он вынужден был, отказывая себе в самом необходимом, строить за свой счет модель «огнедействующей» машины, которую намеревался послать в Петербург. Впрочем, собрать изготовленные им детали этой модели механик уже не успел.

Болезнь его становилась все более тяжелой. Непомерное физическое и нервное напряжение зимой 1765-1766 годов во время сооружения огром­ной машины усугубило ход болезни. Тридцатисемилетний изобретатель в расцвете творческих способностей, накануне завершения своей замеча­тельной машины почувствовал приближение смерти. И только тогда — 21 апреля 1766 года — продиктовал он своему ученику Ивану Черницыну «челобитную» на имя Екатерины II — потрясающий документ, в котором особенно ярко отразился духовный облик выдающегося русского изобре­тателя — скромного, настойчивого, полного «благородной упрямки» (говоря словами Ломоносова) в достижении основной цели жизни — раз­вития отечественного производства. Механик напоминал там о состояв­шемся в свое время одобрении его проекта «с планом и описанием новой машины», отметив, между прочим, и произвол горного начальст­ва, не выдавшего ему обещанной награды. Он предвидел возможность смерти, «о его больше всего беспокоила судьба машины. Вынужденный просить об увольнении по болезни «от всего того машинного производ­ства», изобретатель подчеркивал, что его ученики Левзин и Черницын при поддержке Порошина и других горных офицеров смогут довести его дело до конца, что Левзин и Черницын поняли устройство машины во всех деталях «и производство знают».

Видимо, заводские чиновники испугались нагоняя из Петербурга за то, что задержали наградные. В тот же день 21 апреля 1766 года они отослали прикованному к постели Ползунову, изнемогавшему от жесто­кого горлового кровотечения, жара и невыносимых болей, 400 рублей серебром. Лекарь Яков Кизинг стал более внимательно, чем прежде, «пользовать» больного. Но было уже поздно. 16 мая 1766 года первый рус­ский теплотехник скончался.

Паровая машина была введена в строй его учениками и соратни­ками, среди которых был другой .

Так оборвалась короткая, но славная жизнь «механикуса» Ползунова, сделавшего первый шаг не только в России, но и во всем мире к созданию такой паровой машины, которая была бы способна «по воле нашей, что будет потребно, исправлять», иначе говоря, к созданию уни­версального парового двигателя. Это дело завершено было в Англии Уаттом пятнадцать лет спустя.

Результаты работы первой русской паровой машины оказались вполне удовлетворительными. Как сообщал Порошин Кабинету рапортом от 29 января 1767 года, с помощью этой машины было проплавлено значительное количество руды, перевозимой со Змеиногорского рудника, причем чистая прибыль от работы парового двигателя составила 11 тыс. рублей. Однако из-за аварии котла (который признавался ненадежным самим Ползуновым) машина в ноябре 1766 года была остановлена и боль­ше не применялась.

Весной следующего 1767 году Д. Левзин и И. Черницын со всеми доку­ментами об окончании ползуновской машины и с моделью ее были от­правлены Порошиным в Петербург. Порошин пытался заинтересовать изобретением покойного механика кабинетное начальство и Академию наук. М.В. Ломоносова уже не было в живых, но в академии работали его ученики. Один из них, математик С.К. Котельников, вскоре возгла­вивший академический музей (кунсткамеру), должен был обучить Д. Левзина математике и механике (для чего решено было приобрести два экземпляра книги Г.В. Крафта «Краткое руководство к познанию простых и сложных машин»). Черницын был сразу же возвращен на Алтай. Машину Ползунова признали полезной. Ее модель поместили в кунсткамере, причем намечено было провести сопоставление работы ползуновской машины (на примере этой модели) с предыдущими конст­рукциями паровых двигателей.

Однако эта инициатива передовых ученых ломоносовской школы, натолкнулась на бездушное, а иногда и просто недоброжелательное отношение горных чиновников.

Они не были заинтересованы в распространении паровых двигате­лей. По их твердому убеждению, на и в других промышленных районах достаточно было дешевого крепостного труда. А если уж прихо­дилось применять какие-то двигатели, кроме ручных, то следовало огра­ничиться более привычными, простыми и недорогими конными и водя­ными двигателями.

В 1768 году А.И. Порошин ушел в отставку. Во главе заводов был по­ставлен горный чиновник Андрей Ирман, сторонник традиционной, ста­рой техники. Д. Левзин был скоро возвращен на Алтай.

Свое мнение о паровых машинах новый начальник Колывано-Воскресенских заводов вполне отчетливо выразил в рапорте от 1 февраля 1768 года: «Вышеписанная машина до сего уже давно оставлена, да и пущать в действо, по изобилию при здешнем заводе воды, за ненужно (за ненужностью) не признавается».

Что касается переноса машины Ползунова на один из двух ранее намеченных рудников, или на какой-либо другой завод (Черницин предлагал это в 1769 году) то и это пред­ложение было отвергнуто Канцелярией «по неимению здесь искусных ремесленников». Нечего говорить, что на Колывано-Воскресенских заво­дах было множество «искусных ремесленников». Мы увидим, что не раз в последующие десятилетия барнаульские механики выступали с замеча­тельными проектами паровых машин разных конструкций и систем, но им не удалось воплотить в жизнь свои замыслы. Горное начальство ни­чего не сделало, чтобы на родине первого русского парового двигателя, на Колывано-Воскресенских заводах, вместо водяных двигателей были введены паровые машины той или иной конструкции.

В 1778 году Ирман обратился в Кабинет с официальной просьбой разобрать ползуновскую машину. Ирман вновь подчеркивал, что в такой машине впредь никогда надобности не будет, «потому что при здешних заводах расплавка руд и получение серебра производится по довольству воды, чрез вододействуемые машины».

В 1780 году при преемнике Ирмана Меллере огромная машина и зда­ние, где она стояла, были разобраны. Медные цилиндры и другие части машины долгое время валялись без всякого присмотра под открытым небом на берегу заводского пруда. Еще в начале XIX века дети, играя у пруда, прятались в эти цилиндры.

Дело смелого новатора не замерло. На Алтае остались его ученики и последователи. Они стремились искать новые решения, соответствую­щие быстро растущему уровню мировой техники.

Попытки обеспечить непрерывность работы двигателя путем сочета­ния двух пароатмосферных цилиндров, делавшиеся в последующие годы и в других странах (например, Н.-Ж. Кюньо во Франции, Фальком в Англии), характерны для первого этапа разработки проектов универ­сальной паровой машины.

Второй и решающий этап борьбы за создание универсальной паро­вой машины относится уже к началу 80-х годов. Он связан прежде всего с деятельностью знаменитого английского механика Джемса Уатта.

Передовые русские теплотехники конца XVIII и начала XIX веков исхо­дили уже в своем творчестве из достижений Уатта. Однако при всех преимуществах второй паровой машины Уатта по сравнению с «огнедействующей машиной» Ползунова необходимо еще раз подчеркнуть, что Ползунов задолго до Уатта в тяжелых условиях крепостного Алтая выступил как пионер в деле создания универсального парового двига­теля для заводских целей .

А потому совершенно прав был Эрик Лаксман, давший оценку дея­тельности Ползунова в словах: « ».

Литература:

1. .- М.: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1962

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И.И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году в Барнауле. Джеймс Ватт, который был членом комиссии по приему изобретения Ползунова, в апреле 1784 года в Лондоне получает патент на паровую машину и считается ее изобретателем!

Ползунов, Иван Иванович

— механик, устроивший первую в России паровую машину; сын солдата Екатеринбургских горных рот, он десяти лет от роду поступил в Екатеринбургскую арифметическую школу, где кончил курс со званием механического ученика. В числе нескольких молодых людей, Ползунова отправили в Барнаул на казенные горные заводы, где в 1763 году он состоял шихтмейстером. Занимаясь постройкой употребляемых при плавильных заводах и рудниках машин с водяными двигателями, Ползунов обратил внимание на затруднительность устройства таких машин в местностях, удаленных от рек, и остановился на мысли применить, в качестве двигателя, пар. Есть некоторые данные, заставляющие предполагать, что мысль эта появилась у него не самостоятельно, а под влиянием книги Шлаттера: "Обстоятельное наставление рудному делу" (СПб. 1760), в десятой главе коей напечатано первое на русском языке описание паровой машины, а именно машины Ньюкомена. Ползунов энергично взялся за осуществление своей идеи, стал изучать силу и свойства водяного пара, составлял чертежи, делал модели. Убедившись, после продолжительных изысканий и опытов, в возможности заменить движущую силу воды силой пара и доказать это на моделях, Ползунов в апреле 1763 г. обратился к начальнику Колывано-Воскресенских заводов, генерал-майору А. И. Порошину, с письмом, в котором, изложив мотивы, побудившие его к отысканию новой силы, испрашивал средства на постройку изобретенной им "огненной машины". О проекте Ползунова донесено было Кабинету Ее Величества с ходатайством об отпуске нужной на постройку машины суммы. По докладу Кабинета, последовал указ Екатерины II, коим она, "для вящего поощрения", пожаловала Ползунова в механикусы с жалованьем и чином инженерного капитан-поручика, повелела выдать в вознаграждение 400 р. и указала, "буде он при заводах не надобен, прислать его в Петербург, при серебре" года на два — на три в Академию Наук, для пополнения образования. Но начальство не отпустило Ползунова и просило посылку его в Академию Наук на некоторое время отменить, "ибо в нем здесь, для приведения той, парами действуемой машины практикой состоять крайняя надобность". Ввиду этого Ползунову приходилось остаться в Сибири до окончания дела. До тех же пор была отложена и выдача вышеупомянутых 400 рублей. Ему были отпущены, по представленной им смете, необходимые суммы и материалы, и он получил возможность приступить к постройке. 20-го мая 1765 г. Ползунов уже доносил, что подготовительные работы окончены, и что машина будет приведена в действие в октябре того же года. Но к этому сроку машина не была готова. Масса непредвиденных затруднений и неопытность рабочих замедлили ход работы. К тому же многих материалов, необходимых для постройки машины, нельзя было достать в Сибири. Приходилось выписывать их из Екатеринбурга и ожидать присылки в течение нескольких месяцев. В декабре 1765 г. Ползунов окончил машину, израсходовав на нее 7435 р. 51 коп. Однако, ему не удалось увидеть свое изобретение в деле. Проба машины была назначена в Барнауле на 20-ое мая 1766 г., а 16-го мая того же года Ползунов уже скончался "от жестокого гортанного кровотечения". Машина Ползунова, под руководством его учеников Левзина и Черницина, в течение двух месяцев расплавила в Барнауле 9335 п. змеиногорских руд, но вскоре действие ее в Барнауле было прекращено "за ненадобностью", и нет сведений, была ли она применена на не обладавших вододействующими двигателями Змеиногорском заводе и Семеновском руднике, куда она первоначально предназначалась самим изобретателем и его начальством, В 1780 г. "построенная Ползуновым, действуемая парами машина и строение разломаны". В Барнаульском горном музее имеется модель машины Ползунова. За Ползуновым нельзя признать, как то делают некоторые, чести изобретения первой паровой машины. Тем не менее машина Ползунова, действительно, была первая, построенная в России, а не выписанная из-за границы, паровая машина; применение же в 1765 г. паровой машины не для подъема воды, а для другой промышленной цели, следует считать самостоятельным изобретением, так как и в Англии первое применение паровой машины для нагнетания воздуха сделано лишь в 1765 г.

История паровых двигателей своими истоками уходит в 1 век н.э., когда Герон Александрийский впервые описал эолипил. Более, чем 1500 лет спустя, в 1551 году османский ученый Такиюддин аш-шами описал примитивные турбины, приводимые в движение паром, а в 1629 году подобное открытие сделал Джованни Бранка. Эти устройства представляли собой паровые вертела для жарки или небольшие передаточные механизмы. В основном, такие конструкции использовали изобретатели для демонстрации мощи пара, и доказательства того, что ее не стоит недооценивать.

В 1700-х годах рудокопы столкнулись с серьезным испытанием — необходимостью выкачки воды из глубоких шахт. На помощь пришла та самая мощь пара. С помощью энергии пара удалось выкачать воду из шахт. Это применение раскрыло потенциальную силу пара и привело к изобретению парового двигателя. Паровые электростанции появились позже. Главный принцип, на котором работают паровые двигатели, заключается в “конденсации водяного пара для создания частичного вакуума”.

Томас Севери и первые промышленные двигатели

Томас Севери первым изобрел паровой насос в 1698 году, он предназначался для выкачки воды. Это изобретение часто называют «огненным двигателем» или двигателем для “подъема воды огнем”. Паровой насос, запатентованный Севери, работал путем кипячения воды до ее полного преобразования в пар. Затем каждая капелька пара подымалась в бак, а в емкости, где изначально была вода, образовывался вакуум. Этот вакуум использовался для выкачки воды с глубинных шахт. Но решение оказалось временным, так как энергии пара хватало только для выкачки воды с глубины в несколько метров. Еще одним недостатком этой конструкции было использование давления пара для выведения воды, всасываемой в бак. Давление было слишком высоким для котлов, что вызвало ряд сильных взрывов.

Машины низкого давления

Высокое потребление угля, свойственное паровым машинам Ньюкомена, сократилось благодаря инновациям Джеймса Ватта. Цилиндр машины низкого давления был оснащен термозащитой, отдельным конденсатором и водоотливным механизмом для конденсированной воды. Таким образом, потребление угля в машинах низкого давления было снижено более, чем на 50%.

Иван Ползунов и первая двухцилиндровая паровая машина

Первым в России паровую машину изобрел Иван Ползунов. Его двухцилиндровая паровая машина была более мощной, чем английские двигатели без наддува. Они достигали мощности 24 кВт. Модель двухцилиндровой паровой машины Ползунова выставлена в музее Барнаула.

Паровая машина Томаса Ньюкомена

В 1712 году Томас Ньюкомен изобрел очень удачную с практической точки зрения паровую машину. Его модель состояла из пистона или цилиндра, который приводил в движение огромную деревянную колоду для запуска водяного насоса. Обратный ход в машине действовал за счет гравитации, которая толкала вниз конец колоды со стороны насоса. Машина Ньюкомена активно использовалась на протяжении 50 лет. Затем ее признали неэффективной, поскольку для активного функционирования требовалось очень много энергии. Нужно было подогревать цилиндр, так как он постоянно остывал, в результате чего сжигалось очень много топлива.

Усовершенствования Джеймса Ватта

Джеймс Ватт совершил настоящую революцию в истории развития паровых машин, внедрив в исходную конструкцию отдельный конденсатор. Он ввел это новшество в 1765 году. Но только спустя 11 лет удалось достичь конструкции, которую можно было бы применять в промышленных масштабах. Самая большая проблема в реализации задумки Ватта состояла в технологии создания огромного пистона для сохранения нужного количества вакуума. Но вскоре технология достигла большого прогресса, и как только патент получил достаточное финансирование, паровая машина Ватта начала активно использоваться на железных дорогах и кораблях. В США более 60 000 автомобилей работали на паровых двигателях с 1897 по 1927 годы.

Машины высокого давления

В 1800 году Ричард Тревитик изобрел паровые машины высокого давления. По сравнению со всеми ранее изобретенными конструкциями паровых машин этот вариант был наиболее мощным. Но по-настоящему успешной стала конструкция, предложенная Оливером Эвансом. В ее основе лежала идея приведения двигателя в движения паром, а не конденсирование пара для создания вакуума. Эванс изобрел первую паровую машину без конденсации, работающую под высоким давлением, в 1805 году. Машина была стационарной и развивала 30 оборотов в минуту. Эта машина первоначально использовалась для приведения в движение пилы. Такие машины поддерживались огромными резервуарами с водой, которая грелась источником тепла, помещенного непосредственно под резервуаром, что позволяло эффективно вырабатывать нужное количество пара.

Вскоре эти паровые машины получили широкое применение в моторных лодках и на железных дорогах, в 1802 и 1829 годах соответственно. Почти полвека спустя появились первые паровые автомобили. Чарлз Алджернон Парсонс в 1880 году изобрел первую паровую турбину. К началу 20 века, паровые двигатели широко использовались в автомобиле- и кораблестроении.

Корнуэльские паровые двигатели

Ричард Треветик попытался усовершенствовать паровой насос, изобретенный Ваттом. Он был видоизменен для использования в корнуэльских котлах, изобретенных Треветиком. Эффективность корнуэльской паровой машины была значительно улучшена Уильямом Симсом, Артуром Вульфом и Сэмюэлем Грузом. Обновленные корнуэльские паровые машины состояли из изолированных труб, двигателя и котлов для повышенной эффективности.

Парова́я маши́на - тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина - любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг

Значение паровых машин

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.

Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

Принцип действия

Для привода паровой машины необходим паровой котёл . Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины , движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива - от кизяка до урана.

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диноме. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 г. создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии. Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7-8 миль в час. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.

Вакуумные машины

Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель [хой]Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в Уоркшире.

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными» или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помп (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить.

версия паровой машины, созданная Уаттом

В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить её к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.

Паровые машины высокого давления

В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.

Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275-345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое - давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.

Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.

Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнем:

1 - Поршень
2 - Шток поршня
3 - Ползун
4 - Шатун
5 - Коленчатый вал
6 - Эксцентрик для привода клапана
7 - Маховик
8 - Золотник
9 - Центробежный регулятор.

Паровые машины двойного действия

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.

В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.

Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.

Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более легким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.

Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.