Паровой двигатель Бултона и Ватта привел к замене водяного колеса и лошадей в качестве основных источников энергии для британской промышленности, тем самым освободив ее от географических ограничений и став одним из основных двигателей промышленной революции.
КЛЮЧЕВЫЕ МОМЕНТЫ
- В 1763 году Джеймс Ватт, изготовитель приборов из Университета Глазго, получил задание отремонтировать модель двигателя Ньюкомена (на основе более ранней конструкции двигателя Savery) и отметил, насколько он неэффективен. В 1765 году Ватт задумал оборудовать двигатель отдельной камерой конденсации, которую он назвал конденсатором. Поскольку конденсатор и рабочий цилиндр были разделены, конденсация происходила без значительных потерь тепла из цилиндра. Это изобретение резко повысило эффективность двигателя.
- Следующим усовершенствованием конструкции Ньюкомена Ватт стал герметизировать верхнюю часть цилиндра и окружить цилиндр рубашкой. Пар пропускался через рубашку перед тем, как попасть под поршень, поддерживая теплоту поршня и цилиндра для предотвращения конденсации внутри него. Эти улучшения привели к созданию полностью разработанной версии 1776 года, которая фактически пошла в производство.
- Отдельный конденсатор показал значительный потенциал для усовершенствования двигателя Ньюкомена, но Ватт все еще разочаровывался из-за, казалось бы, непреодолимых проблем, прежде чем продаваемый двигатель мог быть усовершенствован. Это стало реальностью только после заключения партнерства с Мэтью Бултоном. Boulton and Watt превратилась в инжиниринговую компанию, которая сыграла решающую роль в технологических достижениях промышленной революции.
- В полностью разработанном виде двигатель Watt потреблял примерно на 75% меньше топлива, чем аналогичный двигатель Newcomen. Практика Бултона и Ватта заключалась в том, чтобы помогать владельцам шахт и другим клиентам строить двигатели, предоставляя людей для их сборки и специализированных деталей. Однако основная прибыль от патента была получена от взимания лицензионного сбора с владельцев двигателей в зависимости от стоимости сэкономленного топлива. Более высокая топливная эффективность их двигателей означала, что они были наиболее привлекательными в областях, где топливо было дорогим.
- Более поздние усовершенствования, внесенные Ваттом, включали расположение клапанов, которые могли попеременно впускать пар низкого давления в цилиндр и соединяться с конденсатором (поршень двойного действия); параллельное движение; преобразование действия балки во вращательное движение (сначала с помощью планетарной солнечной и планетарной зубчатой передачи, предложенной сотрудником Уильяма Мердока, а затем путем соединения балки с колесом с помощью кривошипа после истечения срока действия патентных прав на использование кривошипа), и соединение клапана регулятора пара с центробежным регулятором для поддержания постоянной скорости.
- Эти улучшения позволили паровой машине заменить водяное колесо и лошадей в качестве основных источников энергии для британской промышленности, тем самым освободив ее от географических ограничений и позволив ей стать одним из основных двигателей промышленной революции.
Джеймс Ватт: Улучшение Двигателя Ньюкомена
В 1698 году английский конструктор-механик Томас Савери изобрел насос, который использовал пар для забора воды непосредственно из колодца с помощью вакуума, создаваемого конденсацией пара. Устройство также было предложено для осушения шахт, но оно могло всасывать жидкость только на высоту примерно 25 футов, что означало, что оно должно было быть расположено на этом расстоянии от пола шахты. По мере того, как шахты становились все глубже, это часто было непрактично.
Решение осушения глубоких шахт было найдено Томасом Ньюкоменом, который разработал атмосферный двигатель, который также работал по принципу вакуума. Двигатель Ньюкомена был мощнее двигателя Savery. Впервые воду удалось поднять с глубины более 150 футов. Однако, хотя двигатели Ньюкомена приносили практическую пользу, они были неэффективными с точки зрения энергопотребления. Система попеременной подачи в цилиндр струй пара, а затем холодной воды означала, что стенки цилиндра попеременно нагревались, а затем охлаждались с каждым ходом. Каждый введенный заряд пара будет продолжать конденсироваться, пока цилиндр снова не достигнет рабочей температуры, поэтому при каждом такте часть потенциала пара теряется.
В 1763 году Джеймс Ватт работал изготовителем инструментов в Университете Глазго, когда ему поручили ремонт модели двигателя Ньюкомена, и он отметил, насколько он неэффективен. В 1765 году Ватт задумал оборудовать двигатель отдельной камерой конденсации, которую он назвал конденсатором. Поскольку конденсатор и рабочий цилиндр были разделены, конденсация происходила без значительных потерь тепла из цилиндра. Конденсатор все время оставался холодным и ниже атмосферного давления, а цилиндр все время оставался горячим. Пар из котла подавался в цилиндр под поршнем. Когда поршень достиг верхней части цилиндра, впускной клапан пара закрылся, а клапан, контролирующий проход к конденсатору, открылся. Нижнее давление конденсатора, втягивал пар в цилиндр, где он охлаждался и конденсировался из водяного пара в жидкую воду, поддерживая частичный вакуум в конденсаторе, который сообщался с пространством цилиндра через соединительный канал. Затем внешнее атмосферное давление толкало поршень вниз по цилиндру.
Разделение цилиндра и конденсатора устранило потерю тепла, которая происходила, когда пар конденсировался в рабочем цилиндре двигателя Ньюкомена. Это дало двигателю Ватта большую эффективность, чем двигатель Ньюкомена, уменьшив количество потребляемого угля при том же объеме работы. В конструкции Ватта холодная вода вводилась только в конденсационную камеру. Этот тип конденсатора известен как струйный конденсатор.
Следующим усовершенствованием конструкции Ньюкомена Ватт стал герметизировать верхнюю часть цилиндра и окружить его рубашкой. Пар пропускался через рубашку перед тем, как попасть под поршень, поддерживая теплоту поршня и цилиндра для предотвращения конденсации внутри него. Ватт не использовал пар высокого давления из соображений безопасности, хотя он знал о его потенциале и включил обширные рабочие знания в свой патент 1782 года. Эти улучшения привели к полностью разработанной версии 1776 года, которая фактически пошла в производство.
Бултон и Ватт объединяют усилия
Отдельный конденсатор продемонстрировал значительный потенциал для усовершенствования двигателя Ньюкомена, но Ватт все еще разочаровывался из-за, казалось бы, непреодолимых проблем, прежде чем продаваемый двигатель мог быть усовершенствован. Это стало реальностью только после заключения партнерства с Мэтью Бултоном. Ватт рассказал Боултону о своих идеях по улучшению двигателя, и Боултон, заядлый предприниматель, согласился профинансировать разработку испытательного двигателя в Сохо, недалеко от Бирмингема. Наконец Ватт получил доступ к оборудованию и практическому опыту мастеров, которые вскоре смогли запустить первый двигатель. В полностью разработанном виде он потреблял примерно на 75% меньше топлива, чем аналогичная модель Newcomen.
Паровой двигатель Бултона и Ватта (известный также как двигатель Ватта), спорадически разрабатывавшийся с 1763 по 1775 год, был усовершенствованием конструкции двигателя Ньюкомена и стал ключевым моментом в промышленной революции.
На схеме показаны части парового насоса Ватт, в том числе: насос, подача горячей питательной воды в котел, шток пробки, перекачивающая труба, горячий колодец, резервуар для холодной воды, вакуумный насос, конденсатор, вакуумный конец цилиндра, паровая рубашка, поршень. , и конец пара низкого давления цилиндра.
В 1775 году Ватт спроектировал два больших двигателя: один для шахты Блумфилд в Типтоне и один для металлургического завода Джона Уилкинсона в Уилли, Шропшир, оба были построены в 1776 году. год. Практика Болтона и Ватта заключалась в том, чтобы помогать владельцам шахт и другим клиентам строить двигатели, предоставляя людей для их сборки и специализированных деталей. Однако основная прибыль от их патента была получена от взимания лицензионных сборов с владельцев двигателей в зависимости от стоимости сэкономленного топлива. Более высокая топливная эффективность их двигателей означала, что они были наиболее привлекательными в регионах, где топливо было дорогим, особенно в Корнуолле, для которого в 1777 году были заказаны три двигателя.
Поздние Улучшения
Первые двигатели Уатта были двигателями атмосферного давления, такими как двигатель Ньюкомена, но с конденсатом, отделенным от цилиндра. Управление двигателями с использованием пара низкого давления и частичного вакуума повысило вероятность развития поршневых двигателей. Расположение клапанов могло попеременно впускать пар низкого давления в цилиндр и соединяться с конденсатором. Следовательно, направление рабочего хода может быть изменено на противоположное, что упрощает получение вращательного движения. Дополнительными преимуществами двигателя двойного действия были повышенный КПД, более высокая скорость (большая мощность) и более равномерное движение.
До разработки поршня двустороннего действия, балка и шток поршня были связаны цепью, что означало, что мощность могла быть приложена только в одном направлении, путем вытягивания. Это было эффективно в двигателях, используемых для перекачивания воды, но двойное действие поршня означало, что он мог толкать, а также тянуть. Далее не было возможности напрямую соединить шток герметичного цилиндра, к балке, потому что в то время как стержень перемещался вертикально по прямой линии, балка поворачивалась в своем центре так, чтобы каждая сторона вписывала дугу. Чтобы преодолеть противоречивые действия балки и поршня, Ватт разработал свое параллельное движение. В этом шедевре инженерной мысли используется четырехзвенная связь в сочетании с пантографом (тип токосъемника), чтобы производить необходимое прямолинейное движение гораздо дешевле, чем если бы он использовал ползунковый тип связи. Он очень гордился своим решением.
В письме к своему сыну в 1808 году Джеймс Ватт писал: «Я больше горжусь параллельным движением, чем любым другим изобретением, которое я когда-либо делал». Включенный им набросок на самом деле показывает то, что теперь известно как связь Ватта, которая была описана в патенте Ватта 1784 года, но была немедленно заменена параллельным движением. Параллельное движение отличалось от рычажного механизма Уатта наличием дополнительного рычага пантографа, встроенного в конструкцию. Это не повлияло на основной принцип, но позволило уменьшить машинное отделение, потому что рычажный механизм был более компактным.
Соединение балки с валом поршня посредством попеременного приложения силы в обоих направлениях также означало, что движение балки можно было использовать для поворота колеса. Самым простым решением для преобразования действия балки во вращательное движение было соединение балки с колесом с помощью кривошипа, но поскольку другая сторона имела патентные права на использование кривошипа, Ватт был вынужден предложить другое решение. Он принял планетарную солнечно-планетарную зубчатую передачу, предложенную сотрудником Уильямом Мердоком, только позже, когда истек срок действия патента, вернулся к более знакомой кривошипной системе, которую сегодня можно увидеть на большинстве двигателей. Основное колесо, прикрепленное к кривошипу, было большим и тяжелым, служившим маховиком, который однажды приводился в движение, с помощью своего импульса поддерживал постоянную мощность и сглаживал действие чередующихся ходов. К его вращающемуся центральному валу можно было прикрепить ремни и шестерни для привода большого количества механизмов. Поскольку заводское оборудование должно было работать с постоянной скоростью, Ватт связал клапан регулятора пара с центробежным регулятором, который он адаптировал из тех, которые используются для автоматического управления скоростью ветряных мельниц.
Эти улучшения позволили паровой машине заменить водяное колесо и лошадей в качестве основных источников энергии для британской промышленности, тем самым освободив ее от географических ограничений и став одним из основных двигателей промышленной революции. Ватт также занимался фундаментальными исследованиями функционирования паровой машины. Его наиболее известным измерительным прибором, который используется до сих пор, является индикатор Ватта, включающий манометр для измерения давления пара внутри цилиндра в зависимости от положения поршня. Это позволило построить диаграмму, представляющую давление пара как функцию его объема на протяжении всего цикла.