Парова машина Томаса Ньюкомена

Парова машина Томаса Севері

Перша спроба поставити пару на службу людині була зроблена в Англії в 1698 році: машина Т. Севері призначалася для осушення шахт і перекачування води. Сам винахідник назвав її «вогневою машиною» (fire engine) і «другом шахтарів» (miner's friend) Для одержання пари, що приводили машину в дію, був потрібний вогонь. Але винахід Т. Севері ще не був двигуном у повному розумінні цього слова, оскільки крім декількох клапанів, що відкривалися і закривалися вручну, у ньому не було інших механізмів.

Машина Т. Севері працювала наступним чином: спочатку герметичний резервуар наповнявся парою, потім зовнішня поверхня резервуара охолоджувалася холодною водою, від чого пара конденсувалася, і в резервуарі створювався частковий вакуум. У результаті цього вода із дна шахти засмоктувалася в резервуар через забірну трубу і після впуску чергової порції пари викидалася назовні через випускну трубу. Потім цикл повторювався. Таким способом воду можна було засмоктувати з глибини меншої за 10 метрів, оскільки в дійсності її виштовхував атмосферний тиск.

Парова машина Дені Папена

Перша вдала парова машина з поршнем була побудована французом Дені Папеном (фр. Denis Papin), чиє ім'я частіше асоціюється з винаходом автоклава.

У 1674 році Д. Папен побудував пороховий двигун, принцип дії якого ґрунтувався на запаленні в циліндрі пороху і переміщенні поршня усередині циліндра під впливом порохових газів. Коли надлишок газів виходив з циліндра через спеціальний клапан, а газ, що залишився, охолоджувався, у циліндрі створювався частковий вакуум, і поршень повертався у вихідне положення під дією атмосферного тиску.

Машина була не дуже вдалою, але вона навела Д. Папена на думку замінити порох водою. І у 1698 році він побудував парову машину (як і англієць Т. Севері). Вода нагрівалася усередині вертикального циліндра з поршнем усередині, і пара, що утворилася, штовхала поршень нагору. Коли пара прохолоджувалася і конденсувалася, поршень опускався вниз під дією атмосферного тиску. Таким чином, за допомогою системи блоків парова машина Д. Папена могла приводити в рух різні механізми, наприклад насоси.

Парова машина Томаса Ньюкомена

Почувши про парову машину Д. Папена, Томас Ньюкомен, що часто бував на шахтах у Вест Кантрі (південно-західний регіон Англії), де він працював ковалем, і краще ніж будь-хто розумів необхідність продуктивних насосів для запобігання затопленню шахт. Він об'єднав зусилля з водопровідником і лудильником Дж. Коулі у спробі побудувати досконалішу модель.

Їх перша парова машина була встановлена на вугільній шахті в Стаффордширі у 1712 році. Як і в машині Д. Папена, поршень переміщався у вертикальному циліндрі, але в цілому машина Т. Ньюкомена була виготовлена якісніше. Щоб герметизувати зазор між циліндром і поршнем, Т. Ньюкомен закріпив на торці останнього гнучкий шкіряний диск. Пара з котла надходила у порожнину циліндра і піднімала поршень вгору. Далі при упорскуванні в циліндр холодної води, пара конденсувалася, у циліндрі утворювався вакуум, і під впливом атмосферного тиску поршень опускався вниз. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з'єднаного з коромислом, що здійснювало коливний рух, піднімав вгору шток насоса. Коли поршень знаходився в нижній точці свого ходу, у циліндр знову надходила пара, і за допомогою противаги, закріпленої на штоку насоса на, поршень піднімався у вихідне положення. Далі цикл повторювався.

Машина Т. Ньюкомена виявилася досить вдалою і використовувалася по всій Європі протягом більше 50 років. У 1740 році машина з циліндром довжиною 2, 74 м і діаметром 76 см за один день виконувала роботу, як бригада з 25 чоловік і 10 коней, працюючи позмінно, раніше виконували за тиждень. Однак і машина Т. Ньюкомена була далека від досконалості. Вона перетворювала в механічну роботу усього лише близько 1% теплової енергії і, як наслідок, вимагала великої кількості палива, що, утім, не мало особливого значення, коли машина працювала на вугільних шахтах. У цілому машини Т. Ньюкомена зіграли величезну роль у збереженні вугільної промисловості: з їхньою допомогою удалося відновити видобуток вугілля в багатьох затоплених шахтах.

Вирішуючи задачу водопідйому, винахідники (Д. Папен у Франції, Т. Ньюкомен і Т. Севері в Англії та ін.) поступово знайшли конструктивні форми для здійснення безперервного робочого процесу парової машини: окремий паровий котел, циліндр, топковий пристрій, крани та ін. Проте це все ще були насосні установки, які могли направляти роботу циклу тільки на підйом води і були не в змозі задовольнити потреби в двигунах для заводських машин (повітродувних міхів, рудодробильних засобів, ковальських молотів, лісопильних рам та ін.). Так виник перехідний період (1700–1780) в енергетиці, коли водяне колесо почало обмежувати розвиток техніки унаслідок залежності від місця розташування джерела водної енергії; паровий двигун, хоча і не був прив'язаний до місцевих умов, був придатний тільки для підйому води.

Потреби заводів привели до створення комбінованих установок, в яких паровий насос піднімав воду на водяне колесо, що приводило в рух заводські машини. Такі установки не вирішували завдання щодо заводського двигуна, оскільки втрачали на своїй гідравлічній ділянці понад 2/3 енергії, що отримувалась від парового циклу. Завдання могло бути вирішене тільки шляхом заміни гідравлічної передачі роботи механічною, розробкою передавального механізму, здатного виконувати паровим циклом роботу періодично передавати споживачеві безперервно, в будь-якій необхідній формі руху. Простий передавальний механізм у формі балансира проіснував ціле століття, оскільки дозволив при низькому тиску пари піднімати воду на велику висоту за рахунок різниці площ перетину парового і водяних циліндрів, але не вирішував головного завдання заводського двигуна — здатності виконувати роботу безперервно.