Запровадження
1. Створення двигуна
2. Газові теплові двигуни
Джерела
Запровадження
Першим механічним двигунам, знайшли практичне застосування- це була парова машина. Спочатку вона призначалася від використання в заводському виробництві, але згодом паровий двигун стали встановлювати на саморушних машинах - паровозах, пароплавах, автомобілях і тракторах.
Над використанням пари за робочі тіла люди замислювалися ще давнину, однак лише в межах 17 - 18 століть вдалося знайти метод виробляти корисну роботи за допомогою пари. Пару вводив у дію насос, качаючи воду у резервуар. Витікаючи з резервуара і падаючи на водне колесо, вода змушувала його обертатися. Водяне колесо, своєю чергою, приводило в рух заводські механізми і машини. Отже, й по винайденні парового насоса безпосереднім двигуном робочих машин залишалося водне колесо. Минуло ще багато часу, як допитливий людський розум створив надійного двигуна, здатний безпосередньо забезпечувати дію різноманітних машин та механізмів. Минуло понад як два наступних століття, як з'явився двигун, який став одним з передумов нового виду бойових машин - танків.
1. Створення двигуна
Перша спроба поставити пару на службу людині було зроблено Англії 1698 року: машина Сейвери призначалася для осушення шахт і перекачування води. Сам винахідник назвав її "вогневою машиною" і дуже розрекламована як "друга шахтарів". Для отримання пари, яка приводить машину в дію, був потрібен вогонь, але винахід Сейвери не був двигуном у сенсі цього терміну, оскільки, крім кількох клапанів,які відкриваються і закриваються вручну, у ньому не було рухливих частин.
Машина Сейвери працювала так: спочатку герметичний резервуар наповнювався пором, потім зовнішня поверхню резервуара охолоджувалась холодною водою, пара конденсувалася, й у резервуарі створювався частковий вакуум. Після цього вода - наприклад із глибини шахти -засмоктувалась в резервуар через забірну трубу і після впуску чергової порції пара викидалася назовні через випускну трубу. Потім цикл повторювався, але воду можна було піднімати тільки з глибини менше 10,36 м, що у дійсності її виштовхувало - атмосферний тиск.
Перша вдала парова машина з поршнем було побудовано французом Дені Папеном, яке ім'я частіше асоціюється з винаходом автоклава, що є сьогодні у кожному будинку як кастрюлі-скороварки.
У 1674 року Папена побудував пороховий двигун, принцип дії якого грунтувався на запаленні в циліндрі пороху і переміщенні поршня всередині циліндра під впливом порохових газів. Коли надлишок газів виходив із циліндра через спеціальний клапан, а решта газу охолоджувався, в циліндрі створювався частковий вакуум, і поршень повертався у початковий становище під впливом атмосферного тиску.
Машина була дуже вдалою, але вона навела Папена на думку замінити порох водою. І 1698 року він побудував парову машину (того року свою "вогненну машину" побудував і англієць Сейвери). Вода нагрівалася всередині вертикального циліндра з поршнем всередині, і створена пара штовхала поршень вгору. Коли пара охолоджувалася і конденсувалася, поршень опускався вниз під впливом атмосферного тиску. Отже, через систему блоків парова машина Папена могла забезпечувати дію використовуючи різні механізми, наприклад насоси.
Почувши про парову машину Папена, Томас Ньюкомен, який часто бував на шахтах в Вест Кантрі, де він працював ковалем, і від нього хтось інший зрозумів, як потрібні хороші насоси для запобігання затоплення шахт, об'єднав зусилля з водопровідником і склярем Джоном Калли у спробі побудувати досконалішу модель. Їх першу парову машину було встановлено на вугільній шахті в Стаффордшире в 1712 року. Як і в машині Папена, поршень ходив в вертикальному циліндрі, але загалом машина Ньюкомена було значно більш досконала. Щоб ліквідувати щілину між циліндром і поршнем, Ньюкомен закріпив на торці останнього поршня гнучкий шкіряний диск і налив на нього трохи води.
Пара з казана надходила у підставку циліндра і піднімала поршень вгору. Під час впорскуванні в циліндр холодної води, пара конденсувалася, в циліндрі і утворювався вакуум, й під впливом атмосферного тиску поршень опускався вниз. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з'єднаної з коромислом, що рухався на кшталт гойдалок, піднімав вгору шток насоса. Коли поршень був у нижній точці свого ходу, в циліндр знову надходила пара, і з допомогою противаги, закріпленого на штоку насоса чи коромисла, поршень змінював початкове положення. Після цього цикл повторювався.
Машина Ньюкомена виявилася навдивовижу вдалою і використовувалася усією Європою понад 50 р. У 1740 року машина з циліндром довжиною 2,74 метрів і діаметром 76 див. за день виконувала роботу, яку бригади з 25 чоловік і 10 коней, працюючи позмінно, раніше виконували протягом тижня. У 1775 року ще більша машина, побудована Джоном Смитоном (творцем Эддистоунського маяка), протягом двох тижнів осушила сухий док в Кронштадті (Росія). Раніше з допомогою високих вітряків цього йшов цілий рік.
І, тим щонайменше, машина Ньюкомена була далека до досконалості. Вона перетворювала в механічну енергію лише близько 1 % теплової енергії як наслідок, пожирала дуже багато палива, що, втім, не мало особливого значення, коли машина працювала на вугільних шахтах.
У цілому нині машини Ньюкомена зіграли величезну в роль збереженні вугільної промисловості: з їхньою допомогою вдалося відновити добування вугілля у багатьох затоплених шахтах.
Проект першої у світі паровий машини, здатної безпосередньо забезпечувати дію будь-якого робочого механізму, запропонував 25 квітня 1763 року російський винахідник І. І.Ползунов, механік на Коливано-Воскресенских гірничорудних заводах Алтая. Проект потрапив у стіл до начальника заводів, який схвалив його й відіслав до Петербурга, Паровая машина Ползунова отримала визнання.
Ползунов пропонував побудувати спочатку невелику машину, де можна було б виявити і усунути всі недоліки, неминучі в новому винаході. Заводське начальство з ним не погодилося і вирішило будувати відразу величезну машину для потужного повітродувки. Будівництво машини доручили Ползунову, на допомогу якому виділили тутешніх двоє майстрів і кілька підсобних робочих.
З цим "штатом" Ползунов розпочав будівництві своєї машини. Будувалася вона рік і дев'ять місяців. Коли машина вже пройшла перше випробування, винахідник захворів на швидкоплинну сухоту і поза кілька днів завершальних випробувань помер.
23 травня 1766 року учні Ползунова Левзин і Черницин одні розпочали останнє випробування парової машини. У "Денній записці" від 4 липня відзначалося "справну машинну дію", а 7 серпня 1766 року вся установка (парова машині й потужна повітродувка) була здала в експлуатацію.
Усього три за місяці роботи машина Ползунова виправдала всі витрати на її будівництво у сумі 7233 рублів 55 копійок і дала чистий прибуток в 12640 рублів 28 копійок.
10 листопада 1766 року казан почав протікати, й престижний автомобіль зупинився. Попри те що, що цю несправність можна було легко усунути, заводське начальство, не був зацікавлене у механізації, закинуло творіння Ползунова.
Протягом наступних понад тридцяти років машина не діяла, а в 1779 року тодішні управителі алтайських заводів віддали розпорядження машину розібрати.
Приблизно тоді водночас в Англії створення паровий машини працював шотландець Джеймс Уатт.
Починаючи з 1763 року займався удосконаленням малоефективної пароатмосферної машини Ньюкомена, яка, загалом, годилася лише для перекачування води. Він знав, що його недолік машини Ньюкомена перебував у поперемінному нагріванні і охолодженні циліндра. Яким чином від цього? Відповідь прийшла до Уатту недільним весняним днем 1765 року. Він зрозумів, що циліндр може постійно залишатися гарячим, якщо конденсації відводити пару в окремий резервуар через трубопровід з клапаном. Понад те, циліндр може бути гарячим, а конденсор холодним, якщо зовні їх покрити теплоізоляційним матеріалом. З іншого боку Уатт зробив ще кілька удосконалень, остаточно які пароатмосферну машину перетворили в парову. У 1768 року подав прохання про патенті на винахід. Патент він отримав, але побудувати парову машину йому важко вдавалося. І лише 1776 року парова машина Уатта була, нарешті, побудовано й успішно пройшла випробування. Вона опинилася вдвічі ефективніше машини Ньюкомена.
У 1782 року Уатт створив нову чудову машину - першу універсальну парову машину подвійного дії. Кришку циліндра він обладнав винайденим незадовго доти сальником, що забезпечував вільний рух штока поршня, але запобігав відпливу пари з циліндра. Пара надходила в циліндр змінно те що з одного боку поршня, те й з іншого.
Запатентованна Уаттом "ротативная парова машина" спочатку широко застосовувалася для введення в дію машин і верстатів прядильних і ткацьких фабрик, та на інших підприємствах. Отже, парова машина Уатта стала винаходом століття, котрий поклав початок промислової революции.
У 1785 року одну з перших машин Уатта встановили у Лондоні на пивоварному заводі Сем'юела Уитбреда для розмелювання солоду. Машина виконувала роботу замість 24 коней. Діаметр її циліндра дорівнював 63 див, робочий хід поршня становив 1,83 м, а діаметр маховика сягав 4,27 м. Машина збереглася донині, і її можна побачити у дії в сіднейському музеї "Пауерхауз".
Двигун Уатта годився для будь-який машини, і вже цим не забарилися скористатися винахідники саморушних механізмів.
2. Газові теплові двигуни
У 1816 р. пастор Роберт Стірлінг отримав патент на "машину, яка виробляє рушійну силу у вигляді нагрітого повітря". У 1827 р. і 1840 рр. він одержав ще два патенти удосконалені варіанти своєї машини. Р.Стирлинг був міністро у справах церкви Шотландії. Виготовлення двигунів Стирлинга почалося 1818г. Вони вводили в дію водяні насоси, повітродувки й верстати на дрібних фабриках, де не годилися громіздкі парові машини. Кінематична схема модифікованого двигуна Стирлинга приведено на клунь.
Двигун складається з робочого і вільного теплообмінного циліндрів з'єднаних трубкою. У циліндрах переміщаються відповідно робочий і витіснювальний поршні, пов'язані шатунами, повзуном і штоком. Шатуни одягнені на палець кривошипа, які перебувають одним валом з маховиком. Джерело тепла нагріває газ у правій частині теплообмінного циліндра. Газ розширюється і через трубку діє тиском на робочий поршень. Поршень опускається, штовхає шатун і повертає маховик. У цьому одночасно у право рухається витіснювальний поршень. Він витісняє газ з частини що нагрівається в теплообмінному циліндрі у його холодну частину, має охолодження .Теплообмінний поршень заповнений теплоізоляційним матеріалом. Газ остиває, створюючи зворотнє зусилля на робочий поршень, поршень піднімається вгору й цей цикл повторюється знову Є варіант двигуна в циліндрі якого встановлювалися один над іншим два поршні: витеснитель і пасивний поршень. Витеснитель ділить порожнину над робочим поршнем на частини "гарячу" - розташовану між витеснителем і торцем циліндра і "холодну" - закладену між поршнями. Обидві частини порожнини контактують між собою через перепускну магістраль, у якій послідовно встановлено холодильник, який примикає до "холодної" порожнини, а регенератор і нагрівач, примикає до "гарячої" порожнини. Завдання витіснителя полягає у переміщенні робочого тіла з "гарячої" порожнини в "холодну" і, навпаки, через перепускну магістраль.Поршні в циліндрі рухаються поперемінно, та його мертві точки зміщено. Двигун Стирлинга вперше містив теплообмінник для регенерації тепла відпрацьованого гарячого повітря - регенератор . Роберт Стірлінг сподівався, що перешкоди, які виникають через брак відповідних матеріалів з часом будуть усунуті. Він був правий. В 20-му столітті про двигуни згадали знову. Нині цей двигун вважається перспективним.
У 1837 р. був запатентований іще один двигун на гарячому повітрі, який отримав назву "теплотвірний двигун". Його винахідник - Джодж Кейлі створив його як аналог паровоїї машини. У Цього двигуна був казан, у якому на відміну від парової машини не випаровували воду, а нагрівали стиснений повітря. Частина стиснутого повітря використовувалася в казані ( у ньому спалювали паливо), потім обидві частини змішували.Слід сказати, що рабочим тілом служило не чисте повітря, а суміш з продуктами згоряння, стиснуте повітря отримували у поршневому компресорі. Між компресором і казаном встановлювався керований золотник, з допомогою котрого здійснювався розподіл повітря на два потоки. Казан ще, був оснащений пристроєм для завантаження вугілля й для перекриття клапанів тимчасового завантаження. Випробування двох цилиндрового зразка такого двигуна показали його працездатність, але ККД становив лише близько 8%.
У 1852 р. з'явився двигун шведського винахідника Еріксона і викликав у той час великі очікування. Робочий циліндр двигуна встановлювався вертикально, й під ним була пічка. Компрессорний циліндр розміщувався згори над робочим. Робочий циліндр через вихлопне вікно поєднувався з теплообмінником, а теплообмінник мав два патрубки, які по черзі перекривалися: перший для взаємодії з атмосферою і другий для взаємодії з нагнітальним клапаном компрессороного циліндра. Всмоктуючий клапан компресора був відкритий в атмосферу. Коли в пічці розводили вогонь, повітря в робочому циліндрі нагрівалося і піднімало робочий поршень. При переміщенні цей поршень передавав зусилля на механізм відбору потужності і водночас переміщав поршень компресора, стискаючи у компресорному циліндрі повітря. Потім відкривалося вихлопне вікно і відпрацьоване гаряче повітря з робочого циліндра випускалося в атмосферу через теплообмінник.Теплообменник був практично заповнений мідною сіткою, і повітря нагрівало цю сітку, віддаючи їй тепло, не використане у робочому циліндрі. Потім у робочий циліндр через теплообмінник починав надходити стисненне повітря з компресора. Проходячи через осередки сітки, це повітря нагрівалося теплом. Коли робочий циліндр заповнювався, механізм відбору потужності опускав поршень, стискаючи заряд, і цикл повторювався. На жаль двигун Еріксона за проектною потужністю і з економічності поступався паровим машинам.
Ж.Хотфейл (>1678-1682гг.) іХ.Гюйгенс (>1681г.) пропонували так званий атмосферний двигун, в якому має поршень піднімався вибухом пороху вгору й фіксувався. Після охолодження продуктів згоряння під поршнем створювалося розрідження, У двигуна Гюйгенса під впливом атмосферного тиску поршень опускався, роблячи корисну роботу. У двигуні Готфейльда розрідження в підпоршневій порожнині використовувалося для всмоктування води, а коли поршень переставали утримувати, він, опускаючись витісняв воду. Це була певне перша спроба використовувати продукти згоряння безпосередньо для роботи.
Рішення завдання використання продуктів згоряння лежало по дорозі пошуків відповідного пального.
Брати Клод і ЖозефНисефорНьепси в 1794 р. почали пошуки такого палива. Брати писали так : "Займаючись пошуком фізичної (природної) сили, яка мала зрівнятися з силою парових машин і навіть не вимагала таких громіздких приладів, особливо не поглинала стільки палива, ми припустили, що наші вимоги могло б задовольнити розширюване вогнем атмосферне повітря. Свій двигун брати назвали ">пироеолофор". Дані про побудову цього двигуна украй убогі. У 1816 р. брати починають використовувати нафту й будують дослідне судно на Сені біля Парижу. Невдовзі Клод помер, а Нисефор зосередився на фотографії, яка і дала йому славу.
Француз Філіп Лебон виявив, що при високій температурі без доступу повітря дерево виділяє горючий газ. З подальших дослідів він переконався, що такий самий , але ще у великих кількостях виділяє кам'яне вугілля. У 1799 р. то здобуває патент на світильний газ, але хто цікавиться його винаходом. Тоді Лебон власним коштом обладнає систему газового освітлення в одному з паризьких готелів. І така наочна демонстрація допомагає йому отримати урядову концесію. Отримавши газоподібне пальне, Лебон також зрозумів, що може бути рівномірно розподілити повітря й одержати в полі запалення однорідну масу, подібно парі. Він у 1801 р. бере патент, який є розвитком основного і у якому опис двигуна на світильному газі. Лебон пропонував стискати світильний газ і повітря окремими насосами і змішувати в спеціальній камері. Потім суміш подавалася у циліндр, де загорялася і розширювалася. Двигун був подвійного дії.
Джерело
http://bukvar.su/promyshlennost-proizvodstvo/90773-Istoriya-parovoiy-mashiny.html