Сделай Сам Свою Работу на 5

Создание паровых машин непрерывного действия Джеймсом Уаттом

Паровые машины конструкции Ньюкомена успешно использовалась для откачки воды в шахтах и на судоремонтных предприятиях более 50 лет. В то же время эта конструкция имела внушительные размеры и требовала постоянного пополнения запасов угля. Временами для снабжения паровой машины топливом приходилось задействовать до 50 лошадей. Ещё одним недостатком машины Ньюкомена было то, что она, как и машина Севери, работала прерывисто, из-за чего её нельзя было использовать на транспорте или в промышленности, так как большинство машин требуют непрерывного вращения. Всё указывало на то, что данный агрегат требует усовершенствования, весь вопрос состоял лишь в том, кому эта идея придет в голову первому. Этим человеком оказался Джеймс Уатт, шотландский инженер и изобретатель.

Он родился в 1736 близ Глазго. Для обучения на мастера по слесарному делу отец отправил Уатта в Лондон. Освоив за год семилетнюю программу, Уатт возвратился в Шотландию и получил место механика в университете Глазго. Здесь он познакомился с талантливыми физиками — Дж. Блэком и Дж. Робинсоном, которые занимались определением теплоты парообразования. Уатт принимал участие в обеспечении технической стороны экспериментов .

Как мы уже знаем, среди паровых машин того времени были:

— «огневая машина» Папена, объединявшая в одном устройстве котел для парообразования и рабочий цилиндр;

— паровой водоподъемник военного инженера Севери, в котором рабочий цилиндр был отделен от котла и для быстрой конденсации пара обливался снаружи холодной водой;

— пароатмосферная машина Ньюкомена.

Отлаживая университетскую модель паровой машины Ньюкомена, Уатт пришел к выводу, что для уменьшения расхода пара необходимо вынести процесс конденсации за пределы цилиндра. К такому решению Уатт пришёл, обнаружив, что в машине Ньюкомена почти три четверти энергии горячего пара тратятся неэффективно: при каждом цикле пар должен нагревать цилиндр, так как перед этим в цилиндр поступала холодная вода, чтобы сконденсировать часть пара для уменьшения давления. Таким образом, энергия пара тратилась на постоянный разогрев цилиндра, вместо того, чтобы быть преобразованной в механическую энергию.



Но чтобы воплотить в жизнь данную идею, следовало разобраться с проблемой конденсации пара. Уатт сообразил, что пар следует рассматривать как обыкновенный газ, который из цилиндра можно легко направить в другую емкость, создав в ней меньшее давление. Для этих целей Уатт решил использовать откачивающий насос и систему металлических отводящих трубок, которые забирали из цилиндра пар.

Получив патент на это изобретение в 1769 году, при материальной поддержке доктора Ребека, основателя первого металлургического завода в Шотландии, Уатт построил свою первую машину. Модель оказалась неудачной. Основная сложность заключалась в том, чтобы заставить работать поршень и цилиндр, а металлургия того времени была не способна обеспечить нужную точность изготовления. Сотрудничество с Ребеком прервалось из-за его банкротства. Тогда спонсором Уатта стал Мэттью Болтон, владелец литейного завода, где работали профессиональные литейщики. Проблема изготовления цилиндра большого диаметра и соответствующего поршня с необходимой точностью была решена Джоном Уилкинсоном, который разработал соответствующую технологию на заводе, выпускающем пушечные ядра.

Следующим важным шагом в развитии паровых машин 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.

Уатт сконструировал цилиндр двойного действия — пар подавался попеременно по разные стороны от поршня, поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Отработанный пар при этом поступал в конденсатор.

Система двойного действия позволила повысить скорость работы машины и достичь непрерывного вращения вала, улучшив плавность хода. Но, поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал возвратно-поступательное движение, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара.

Крышку цилиндра Уатт оснастил изобретенным незадолго до того сальником, который обеспечивал свободное движение штока поршня, но предотвращал утечку пара из цилиндра. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, и, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

В 1781 году Уатт получил патент на вторую модель своей машины и она стала символом «века пара».

При наличии каменного угля и воды Двигатель Уатта мощностью десять лошадиных сил стало возможным установить и использовать в любом месте и для любой цели. Благодаря тому, что поршень в новом двигателе перемещался под воздействием пара, можно было многократно увеличить его мощность, просто создав большее давление. Таким образом, не нужно было наращивать габариты — последнее слово оставалось за компактными паровыми машинами, которые совсем скоро стали использоваться во всех отраслях промышленности.

В 1785 году одна из первых машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу вместо 24 лошадей. Машина сохранилась до наших дней, и сегодня ее можно увидеть в действии в сиднейском музее «Пауэрхауз». Позже машина широко применялась для приведения в действие станков прядильных и ткацких фабрик, и прочих промышленных предприятий. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов. Таким образом, паровая машина Уатта стала изобретением века, положившим начало промышленной революции.

Позже, в 1787 Джеймс Уатт создал двигатель, на котором впервые был применен регулятор частоты вращения. Регулирование частоты вращения осуществлялось двумя сбалансированными на одной оси грузами, вращающимися синхронно с валом машины и соединенными с дроссельной заслонкой, перекрывающей проходное сечение парового патрубка. При увеличении частоты вращения центробежные силы вращающихся шаров поднимали с помощью тяг муфту, соединенную с заслонкой, уменьшая проходное сечение паропровода и скорость вращения двигателя снижалась [3]. паровой машина двигатель транспорт

Центробежный регулятор был известен задолго до Уатта и широко применялся на ветряных мельницах для автоматической регулировки зазора между жерновами, в зависимости от скорости вращения крыльев мельницы, Уатт же адаптировал его под паровую машину, создав более совершенную конструкцию, названную для отличия от прототипа «регулятором Уатта». Особое место в истории техники регулятор Уатта занял благодаря тому, что именно его конструкция легла в основу теории и практики регуляторостроения, новой отрасли промышленности, повлекшей за собой формирование особой области знаний — «Теории автоматического управления и регулирования», составляющей основу современных технологий управления промышленными системами.

Установка паровой машины Дж. Уатта на транспортные объекты (повозки и корабли) привела к появлению транспортного машиностроения.

 



©2015- 2019 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.