Первые поршневые машины - история создания

Первую паровую машину построил в 90-х годах XVII в. французский изобретатель Дени Папен. Она была весьма несовершенна. В цилиндрическом сосуде с поршнем кипятили воду о образующийся пар поднимал поршень. Затем сосуд снимали с огня и обливали холодной водой, чтобы пар конденсировался и образовался вакуум, под действием атмосферного давления поршень опускался вниз. Это был рабочий ход поршня.

Для следующего хода поршня вверх надо было снова кипятить воду в цилиндре. КПД этой машины был очень низок, а работала она медленно. Однако большая заслуга Д. Папена состоит в том, что он впервые (в 1690 г.) правильно описал, в какой последовательности должен идти процесс работы поршневой паровой машины.

В дальнейших ранних попытках создания паровой машины паровой котел уже был отдален от рабочего цилиндра.

Наиболее удачной была машина, построенная англичанами Т. Ньюкоменом и его помощником Коули. Их машина начала работать в 1711 г. Она приводила в движение насос. Пар получали в котле. Когда под действием силы тяжести опускались штанга насоса и груз, то поднимался поршень, подвешенный на другом конце балансира, а пар из парового котла поступал в цилиндр.

Когда поршень достигал своего высшего положения, кран закрывался, из сосуда через кран в цилиндр вспрыскивалась холодная вода, пар конденсировался и образовывался вакуум. Атмосферное давление заставляло поршень опускаться, а груз подниматься. Затем снова в цилиндр впускался пар.

Машина Ньюкомена — Коули использовалась свыше 90 лет, однако она имела серьезные недостатки:

• КПД ее был низок, а рабочие ходы-поршня машины разделялись длительными промежутками;
• она могла приводить в действие только насос.

Русский техник Иван Иванович Ползунов значительно усовершенствовал паровую машину. Постройку своей машины Ползунов завершил в 1765 г., а пущена она была в 1766 г. после смерти изобретателя.

Машина Ползу нова имела два цилиндра. Когда один из цилиндров сообщался с паровым котлом, в другой впускалась охлаждающая вода. Поршни опускались под действием атмосферного давления. В то время, как один из них опускался, под другой поступал пар, и он поднимался. Движение поршней передавалось на шкив, поэтому шкив непрерывно поворачивался то в одну, то в другую сторону.

Возвратно-поступательное движение шкива могло быть преобразовано во вращение рабочего вала. Это давало возможность приводить в движение станки и другие механизмы. Таким образом, машина Ползунова была первым в мире универсальным паровым двигателем.

Паровая машина стала использоваться широко после усовершенствований, внесенных в ее конструкцию англичанином Джемсом Уаттом. Он стремился снизить затраты топлива и решил разделить цилиндр машины на два: в одном — горячем — осуществлять впуск пара и рабочий ход, в другом — холодном — конденсацию пара.

Так паровая машина приобрела конденсатор. Это сразу значительно повысило ее экономичность. Уатт внес в конструкцию паровой машины целый ряд других усовершенствований. Важнейшее из них заключалось в том, что в машине Уатта движущей силой было уже не атмосферное давление, а давление самого пара, которое могло быть сделано значительно большим атмосферного. Поршень перемещался под давлением пара как в одну, так и в другую сторону. Первые паровые машины Уатта имели мощность около 35 кВт и КПД менее 3%.

Трудами Уатта и других изобретателей паровая машина постепенно совершенствовалась и завоевывала все новые, и новые отрасли промышленности и транспорт.

К концу XIX века мощность паровой машины достигла 15 МВт, КПД 15%, давление используемого пара 12 МПа, а его температура 400 ^оС. Но поршневая паровая машина с ее невысоким КПД постепенно была заменена более совершенными тепловыми двигателями.