Не суждено было найти применение машинам Папена, но другое его изобретение - паровой котёл - являлось отправной точкой для других конструкций, более или менее удачных. Папен также был первопроходцем в области конструирования ДВС, что также является его заслугой.

2.4.2 Паровой насос Сэвери

Изобретён английским горным инженером Томасом Сэвери.

Предназначался для откачки воды из шахт. Этот насос имел малую мощность и КПД.

Из-за острой нужды в универсальном двигателе были попытки соединить этот насос и водяное колесо для получения вращательного движения: насос качает воду из нижнего в верхний бак, из которого вода льётся на водяное колесо и возвращается в нижний бак.

Работа насоса происходила так: пар в насосном резервуаре охлаждался впущенной через кран водой, создавая в нём (в резервуаре) давление ниже атмосферного, из-за чего происходило всасывание воды из шахты; после этого в резервуар подавался пар, который и вытеснял всосанную воду; затем описанный цикл повторялся. Клапаны обеспечивали работу насоса: они не допускали попадания пара в шахту, попаданию воды в резервуар тогда, когда этого не было нужно, не допускали обратный сток воды в шахту.

Об этом насосе знал русский царь Пётр I, который хотел применить его при строительстве каналов в Петербурге, но был разочарован его малой мощностью и приказал поставить насос в Летнем саду для обеспечения водой фонтанов.

2.4.3 Паровая машина Ньюкомена

Была создана в 1711 году английским изобретателем - кузнечным мастером Томасом Ньюкоменом.

Принципиальное устройство изображено на рисунке.

Машина управлялась вручную, лишь в 1718 году Бейтон придумал механизм, обеспечивающий машине самостоятельность.

Машина имела КПД, равный 1%, и поэтому нашла применение только на угольных шахтах, где было дешёвое топливо.

Применялась для привода водяного насоса, откачивающего воду из шахт.

Принцип действия машины был несложен: давление пара, впускаемого в цилиндр, поднимало поршень вверх. Когда он достигал определённой точки, в цилиндр подавалась холодная вода, из-за чего пар конденсировался, и давление резко падало - поршень начинал двигаться вниз под действием атмосферного давления.

Исходя из описанного принципа действия, машину Ньюкомена правильнее называть пароатмосферной, так как атмосферное давление играет не меньшую, чем пар, роль.

2.4.4 Паровая машина Ползунова

Паровая машина русского механика И.И. Ползунова была построена за 20 лет до создания Уаттом своей машины, в 1766 году на Алтае. Ползунов был высоко образованным человеком для своего сословия, имел представление об машинах Сэвери и Ньюкомена. Перед конструированием машины механик проделал большую работу - не только расчёты, но и преодоление чиновничьей волокиты. И только посулив большую выгоду от использования своей "огнедействующей" машины, Ползунов смог её построить. Но…тяжёлая болезнь - туберкулёз - погубила не только изобретателя, но и его изобретение. После смерти Ползунова машина проработала 43 суток, не только окупила сама себя, но и принесла большую экономию заводу. Машина встала из-за поломки парового котла, сделанного из меди (для пробы), а не из чугуна. Вскоре она была разобрана "за ненадобностью". Схематическая конструкция машины показана на рисунке. У ней было два цилиндра, поршни которого были соединены таким образом, что, когда один из них опускался, то другой в это время поднимался. С помощью механизмов машина работала самостоятельно, требовалось лишь подбрасывать топливо в топку котла. В машине использовалось не только атмосферное давление, но и давление пара. Конструкция Ползунова являлась машиной непрерывного действия. Механик также знал, как можно преобразовать возвратно-поступательное движение её во вращательное, если это потребуется, хотя 90% механизмов завода, на котором стояла машина, требовали именно возвратно-поступательного привода (воздуходувные меха, насосы и пр.). В целом, машина Ползунова являлась первым в мире универсальным тепловым двигателем. Несмотря на печальную судьбу как машины, так и её изобретателя, мы не должны забывать, кто первым изобрёл этот так необходимый для промышленности того времени двигатель - выдающийся уральский механик, солдатский сын Иван Иванович Ползунов.

2.4.5 Паровая машина Уатта

Более удачливым в конструировании, а также признании универсального двигателя был английский механик Джеймс Уатт.

Уатт был механиком, работавшим в мастерских университета города Глазго. Однажды он получил задание - починить имевшуюся при университете машину Ньюкомена. Уатт выполнил задание, а сам сделал себе модель машины и начал с ней экспериментировать. После нескольких опытов механик выявил её основные недостатки, и решил построить свой тепловой двигатель, который был от них свободен.

Имея не только материальную, но и научную поддержку, Уатт принялся за работу.

Прежде всего, Уатт отказался от конденсации пара в самом цилиндре - на это тратилась дополнительная энергия. Для конденсации он сконструировал отдельный прибор, в котором во время работы машины создавалось разряжение, приводившийся в действие самой машиной.

После нескольких более или менее удачных проектов Уатт сконструировал действительно универсальный тепловой двигатель, устройство которого показано на рисунке (для наглядности опора балансира развёрнута на 180 градусов). Машина имела цилиндр двойного действия: в то время, как в верхней его части происходило расширение пара, пар из нижней части выпускался в конденсатор, и наоборот. Для впуска - выпуска пара то из нижней, то из верхней части цилиндра Уатт применил золотник, являвшийся своеобразным краном и игравший не менее важную роль, чем поршень или цилиндр ("Мал "золотник", да дорог!"). Точная подгонка всех деталей имела очень важное значение, так как без этого машина не стала бы работать, но для промышленно развитой Англии достижение точности не являлось трудным вопросом. Уатт применил в своей машине ещё одно полезное приспособление - регулятор подачи пара, который заставлял работать машину с постоянным числом оборотов вала. Именно Уатт ввёл понятие "лошадиная сила". Двигатель Уатта оказался не только универсальным, но и мощным и компактным, что позволяло его ставить не только на заводы, но и на средства передвижения.

Паровая машина Уатта сыграла значительную роль в истории человечества, т.к. она сумела произвести промышленный переворот, т.е. переход от ручного производства к машинному.

2.4.6 Паровая турбина

История промышленной паровой турбины началась с изобретения шведским инженером Карлом - Густавом - Патриком де Лавалем …сепаратора для молока. Сконструированный аппарат требовал для себя привода с большим числом оборотов. Изобретатель знал, что ни паровая машина, ни ДВС того времени не могли развить нужное число оборотов. Но он также знал о турбине Герона, и применил его изобретение для своего сепаратора: через две изогнутые трубки выходил пар, и они начинали двигаться, вращая всю конструкцию.

Вскоре Лаваль отошёл от реактивного принципа, и построил турбину по активному. Рабочее колесо этой турбины имело по окружности множество лопаток. К лопаткам примыкало 4 сопла, из которых со скоростью свыше 1 км/с выходил пар, передавая свою кинетическую энергию турбине, заставляя её вращаться с огромной скоростью. Эта турбина имела мощность 5 лс и развивала 30000 оборотов в минуту, что делало её непригодной для привода рабочих машин (станков и пр). Но после упорной работы Лаваль стал строить турбины мощностью 500 лс при 10000 оборотов в минуту; чтобы ещё снизить число оборотов, Лаваль применял редуктор.

Но и после появления этих турбин новый двигатель не мог конкурировать с паровой машиной: одноступенчатая турбина Лаваля с редуктором была дорога, громоздка и имела не очень высокий КПД.

Значительно больших успехов в конструировании паровых турбин добились изобретатели других стран.

Основной ошибкой Лаваля было применение только одной ступени, что и вызывало указанные недостатки. Французский инженер Огюст Рато предложил активную турбину с несколькими ступенями, рассчитанную на 1000 лс. Главным новшеством было то, что Рато заставил пар расширятся постепенно, для чего в перегородках между колёсами турбины были проделаны сопла, причём в первой перегородке сопла менее широкие, чем во второй, а те, в свою очередь, менее широкие, чем в третей и так далее, что позволяло использовать всю кинетическую энергию пара, так как он расширялся и терял давление постепенно, увеличивая свою скорость.

Активную турбину несколько другой конструкции построил американский инженер Чарльз Кертис. Он предложил на одном рабочем колесе помещать несколько рядов лопаток, между которыми конструктор расположил неподвижные, связанные со стенками корпуса турбины направляющие каналы. Таким образом, струя пара встречается с первым рядом лопаток, но не успев передать всю энергию колесу и значительно снизить свою скорость, струя попадает в неподвижные каналы, которые направляют пар на второй ряд рабочих лопаток. Отдав часть энергии первому ряду, другую часть струя пара отдаёт второму и так далее. В результате пар передаёт турбине Кертиса ту же энергию, что и турбине с одним рядом лопаток, но при меньшей скорости вращения. Эта турбина имеет один недостаток - низкий КПД.

Не был забыт и реактивный принцип. Англичанин Чарльз Парсон вошёл в историю техники как создатель промышленной турбины реактивного типа. Свою первую турбину, используя реактивный принцип, Парсон построил в 1884 - 1885 годах. В этой конструкции использовался и активный принцип. Это была многоступенчатая турбина. Пар в этой турбине, проходя между неподвижными лопатками направляющего аппарата, образующими коническое сопло, стремится расшириться, увеличивая свою скорость. Но, кроме расширения в направляющих аппаратах, Парсон ввёл расширение и в каналах лопаток рабочего колеса, следовательно, проходя по рабочим лопаткам, пар продолжает расширяться. Таким образом, вдоль лопаток пар движется в конце с большей скоростью, чем в начале. Когда пар покидает рабочие лопатки с повышенной скоростью, он как бы дополнительно отталкивается от их вогнутых поверхностей, создавая реактивное действие на рабочие лопатки, сообщающее им дополнительную скорость, а, следовательно, и дополнительную энергию.

2.5 Двигатели внутреннего сгорания

История ДВС началась, как уже было сказано, с пороховой модели Папена, но бурное развитие и конструирование этого типа тепловых двигателей началось в XIX веке.

Всё началось с открытия в 1799 году Филиппом Лебоном светильного газа. Он же высказал идею о создании двигателя, работавшего на этом газе. Но в 1804 году Лебон погиб, не успев воплотить в жизнь свою идею. Честь создания газового ДВС принадлежит бельгийцу Жану Этьену Ленуару, который он построил в 1860 году. По устройству и внешнему виду двигатель напоминал паровую машину. Его КПД едва достигал 4%, он потреблял гигантские количества смазки и газа, но всё же был дешевле паровой машины. Разбогатев, Ленуар перестал работать над двигателем, вследствие чего тот был вытеснен другими моделями двигателей - уже на жидком топливе.

Первый бензиновый двигатель предложил немецкий изобретатель Август Отто. Сначала он работал над газовым двигателем, но больший коммерческий успех ему принёс двигатель на жидком топливе с четырёхтактным рабочим циклом. Во время первого такта происходило всасывание горючей смеси, во время второго - сжатие, во время третьего горючая смесь поджигалась и происходило расширение образовавшихся газов, четвёртым тактом был выпуск отработанных газов. Устройство и принцип работы этого двигателя показаны на правом рисунке. Очень важное значение имел такт сжатия, которого не было в двигателе Ленуара. Благодаря счастливой случайности Отто понял, что, чем сильнее сжата горючая смесь перед поджогом, тем большую работу могут совершить образовавшиеся газы.

Вскоре обнаружилось, что четырёхтактный цикл был предложен гораздо раньше французом Бо де Роша, и монополия Отто на четырёхтактный рабочий цикл была снята.

В 1878 году англичанин Дуглас Клерк предложил ДВС с двухтактным циклом (на левом рисунке). Во время первого такта происходило сжатие горючей смеси, во время второго - рабочий ход, а в промежутке между 2 и 1 тактами происходила продувка и заполнение цилиндра рабочей смесью.

В целом, двухтактный двигатель оказался мощнее и проще по устройству, чем четырёхтактный, но…он был не экономичен - часть топлива улетала в трубу в прямом смысле. Двухтактный цикл нашёл применение в дизель - моторах и в двигателях малой мощности.

Конструкция и принцип действия 4-хтактного двигателя изображены на левом рисунке, 2-хтактного - на левом.

2.5.1 Цикл Карно

Знал ли парижский книгоиздатель Башелье, что отпечатав и выставив в витрине своего магазина в 1824 году тоненькую брошюрку, что ей суждено положить начало новой науке и взбудоражить умы многих учёных и инженеров того времени. Название книги удивляло и озадачивало: "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". Автором её был молодой инженер Сади Карно.

В своей книги Карно излагал принципы, по которым мог бы работать идеальная тепловая машина, указывая также на недостатки существующих тепловых двигателей. Графики, описывающие работу этой идеальной машины, показаны на рисунке. Графиком 1-2 является изотермическое расширение, графиком 2-3 - адиабатическое расширение, графиком 3-4 - изотермическое сжатие, графиком 4-1 - адиабатическое сжатие. Механическая работа, совершаемая рабочим телом, численно равна площади фигуры, ограниченной кривыми 1-2-3 и осью абсцисс, а площадь фигуры, заключённой между кривыми 1-4-3 и осью абсцисс численно равна работе, затраченной на сжатие газа. Была выведена формула КПД для этого цикла: КПД равен разности единицы и отношения температур охладителя и нагревателя. Он не зависит от вида рабочего тела (газ или пар), а является только функцией от температуры. КПД будет тем выше, чем выше температура нагревателя и чем ниже - охладителя. КПД цикла Карно самый высокий из КПД всех тепловых двигателей. Цикл Карно не противоречил основным законам термодинамики, однако, практически он был неосуществим, так как изотермический процесс является идеальным, практически невозможным.

Итак, положив начало новой науке - термодинамике, Карно продолжил свои работы в этой области. Но дальнейшая судьба его была трагична: в 1832 году, полный энергии и творческих сил, Сади Карно скончался из-за тяжёлой болезни - холеры. Все бумаги и труды больного были сожжены, кроме некоторых отрывочных записей.

2.5.2 "Идеальный двигатель" Рудольфа Дизеля

В 1893 году на весь мир прогремела брошюра, принадлежащая перу немецкого инженера Рудольфа Дизеля, с кричащим, сенсационным названием: "Теория и конструкция теплового двигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели".

Что же предлагал в своей брошюре Дизель? Он предлагал построить двигатель, который мог бы работать по циклу Карно. Однако уже после постройки первых моделей двигателя Дизель отошёл от многих предложений Карно и своих первоначальных замыслов, например, Дизель предлагал сжимать воздух до 250 атмосфер (огромное давление!), но в первом опытном двигателе давление дошло только до 34 атмосфер. Дизель также предлагал использовать в качестве топлива угольную пыль, но ему пришлось заменить её парами бензина, из-за чего при первом пуске двигателя в нём произошёл такой взрыв, что сам изобретатель и его помощники чудом остались живы.

После первых двух моделей Дизель построил третью, на которую уже можно было что - либо нагружать. Её конструкция и принцип действия показаны на рисунке. Двигатели Дизеля работали на керосине, и их КПД был выше, чем у обычных ДВС. Работа дизель - мотора проходила по циклу, изображённому на рисунке на стр.12, и как можно заметить, сильно отличавшемуся от цикла, предложенного Карно.

Впоследствии, дизель-мотор постепенно совершенствовался, в том числе и русскими инженерами; было установлено, что двигатель может работать и в два такта. После усовершенствований двигатель стал очень распространённым.

Дальнейшая же судьба самого Дизеля загадочна. В 1913 году он отплыл на пароходе "Дрезден" из Антверпена в Англию. Однако в английский порт Харви пароход пришёл без Дизеля. Но, несмотря на это, дизели продолжили победное шествие: во время Великой Отечественной войны русские танки Т-34 с дизельным двигателем были быстрее, маневреннее немецких танков с бензиновым двигателем.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5