Атмосферный паровой двигатель

Атмосферный паровой двигатель — это тип теплового двигателя, в котором рабочим телом является водяной пар, а полезная работа совершается за счёт атмосферного давления, вталкивающего поршень в цилиндр после конденсации пара и создания в нём разрежения (вакуума). В отличие от паровой машины высокого давления, в атмосферном двигателе пар используется не для активного расширения, а лишь для создания вакуума, что делает его исторически первой практически применимой конструкцией парового двигателя.

История

Предпосылки и ранние эксперименты

Идея использования силы пара для поднятия воды или приведения механизмов в движение возникла ещё в античности. Герон Александрийский (I век н. э.) описал эолипил — прототип реактивной паровой турбины, однако это устройство не выполняло полезной работы и осталось техническим курьёзом. В XVII веке с развитием горного дела в Европе остро встала проблема откачки воды из шахт. Существовавшие водяные колёса и конные приводы были недостаточно мощными или зависели от естественных источников энергии.

В 1663 году английский изобретатель Эдвард Сомерсет, маркиз Вустер, опубликовал описание устройства, названного «водоподъёмной машиной», которое работало на принципе расширения пара и конденсации. Однако его проект не получил практического распространения из-за отсутствия надёжных материалов и точной технологии изготовления.

Первая рабочая машина — двигатель Дени Папена

Французский физик Дени Папен в 1690 году сконструировал первую модель атмосферного парового двигателя. Его установка представляла собой вертикальный цилиндр с поршнем. Вода нагревалась в нижней части цилиндра, образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждался снаружи, пар конденсировался, и атмосферное давление вталкивало поршень обратно вниз, совершая работу по подъёму груза. Папен не смог создать непрерывно действующий механизм, но его работа заложила теоретическую основу для последующих разработок.

Промышленная реализация — машина Ньюкомена

Первым практически пригодным атмосферным паровым двигателем стала машина Томаса Ньюкомена, построенная в 1712 году в Англии (Дартмут, графство Девон). Ньюкомен, кузнец и торговец скобяными товарами, совместно с Джоном Кэлли (Калли) усовершенствовал конструкцию Папена, добавив впрыск холодной воды непосредственно в цилиндр для быстрой конденсации пара. Это позволило значительно увеличить частоту ходов поршня и сделать двигатель пригодным для откачки воды из шахт.

Машина Ньюкомена была громоздкой (цилиндры достигали диаметра 1–2 метра и высоты 3–4 метра), имела низкий КПД (около 0,5–1 %), но была надёжной и могла работать круглосуточно. К 1730-м годам такие двигатели распространились по угольным шахтам Англии, а затем и других стран Европы. К концу XVIII века было построено более 100 машин Ньюкомена.

Усовершенствования и замена

В 1765 году шотландский инженер Джеймс Уатт, ремонтируя модель машины Ньюкомена в Университете Глазго, заметил, что её главный недостаток — постоянное охлаждение и нагревание цилиндра, что вело к огромным потерям тепла. Уатт предложил конденсировать пар в отдельной ёмкости (конденсаторе), что позволило поддерживать цилиндр постоянно горячим. Это нововведение, запатентованное в 1769 году, привело к созданию паровой машины Уатта — двигателя двойного действия, который уже не был атмосферным, так как пар использовался и для активного впуска в цилиндр. Тем не менее, первые машины Уатта, выпускавшиеся с 1775 года, всё ещё работали по атмосферному принципу на такте обратного хода, но с отдельным конденсатором. К началу XIX века атмосферные паровые двигатели были полностью вытеснены более эффективными паровыми машинами высокого и среднего давления.

Принцип действия

Цикл работы

Работа атмосферного парового двигателя состоит из четырёх тактов:

1. Впуск пара: Из парового котла пар под небольшим давлением (обычно 0,1–0,3 атм выше атмосферного) поступает в нижнюю часть цилиндра. Под действием пара поршень поднимается вверх до верхней мёртвой точки.
2. Конденсация: После достижения верхней точки клапан впуска пара закрывается. В цилиндр впрыскивается струя холодной воды. Пар резко охлаждается, конденсируется в воду, занимая объём примерно в 1600 раз меньше, чем пар. В цилиндре образуется глубокий вакуум (разрежение).
3. Рабочий ход: Атмосферное давление (около 1 кгс/см² или 0,1 МПа) давит на верхнюю поверхность поршня, вталкивая его вниз. При этом поршень через балансир и систему тяг совершает полезную работу (например, поднимает штангу насоса).
4. Выпуск: В нижней точке поршня открывается выпускной клапан, и конденсат (горячая вода) вместе с остатками воздуха и газов выбрасывается наружу. Цикл повторяется.

Роль атмосферного давления

Название «атмосферный» обусловлено тем, что движущей силой для совершения полезной работы является не давление пара, а давление окружающего воздуха. Пар в таких машинах служит лишь для создания вакуума. Давление пара в цилиндре никогда не превышает атмосферное более чем на 0,1–0,3 атм, что исключало риск взрыва котла, но ограничивало мощность и КПД.

Балансирная конструкция

Практически все атмосферные паровые двигатели имели балансир — массивное коромысло, качающееся на опоре. Один конец балансира соединялся цепью с поршнем, другой — цепью со штангой насоса. Такая конструкция позволяла передавать вертикальное движение поршня на вертикальное движение насоса, расположенного в шахте, при этом сам двигатель мог стоять на поверхности.

Конструктивные особенности

Паровой котёл

Котлы атмосферных машин были простейшими: кубические или цилиндрические ёмкости из медных или чугунных листов, нагреваемые снизу дровами или углём. Давление в котле поддерживалось на уровне, чуть превышающем атмосферное, поэтому предохранительные клапаны были простыми грузовыми. Вода в котле постоянно пополнялась конденсатом, возвращаемым из цилиндра.

Цилиндр и поршень

Цилиндры отливались из чугуна и имели большой диаметр (до 1,8 м) для создания достаточной силы при низком перепаде давлений. Поршень уплотнялся кожаными или пеньковыми манжетами, смоченными водой. Для уменьшения трения и утечек пара поршень смазывали салом. Внутренняя поверхность цилиндра часто была необработанной, что приводило к большим потерям пара.

Система впрыска

Впрыск холодной воды в цилиндр производился через специальный кран, открываемый вручную или автоматически при достижении поршнем верхней точки. Вода поступала из отдельного резервуара, расположенного выше двигателя, или из насоса. Конденсат вместе с впрыснутой водой удалялся через выпускной клапан. Для нагрева воды в котле требовалось много топлива, так как цилиндр постоянно охлаждался.

Автоматика

Первые машины Ньюкомена управлялись вручную: рабочий («двигатель») открывал и закрывал краны впуска пара, впрыска и выпуска. В 1718 году Генри Бейтон изобрёл автоматический клапанный механизм, который синхронизировал все операции с помощью системы рычагов, приводимых в движение самим балансиром. Это сделало машину полностью автоматической и позволило работать без постоянного присутствия человека.

Применение

Откачка воды из шахт

Основное и практически единственное применение атмосферных паровых двигателей в XVIII веке — водоотлив в угольных и рудных шахтах. Вода, скапливавшаяся в выработках, поднималась на поверхность с помощью поршневых насосов, соединённых с балансиром. Одна машина Ньюкомена могла заменить десятки лошадей или работу водяного колеса. Благодаря этому стало возможным углубление шахт до 100–150 метров, что резко увеличило добычу угля в Англии.

Другие попытки использования

В конце XVIII века предпринимались попытки применить атмосферные двигатели для привода мельниц, кузнечных молотов и воздуходувок, но из-за низкой скорости и неравномерности хода (один ход поршня в секунду) они были малопригодны для таких задач. В 1780-х годах в России на Колывано-Воскресенских заводах (Алтай) была установлена машина Ньюкомена для откачки воды, но она проработала недолго из-за сурового климата и проблем с топливом.

Интересные факты

• Первая машина Ньюкомена (1712) совершала 12 ходов поршня в минуту и поднимала 45 литров воды с глубины 50 метров.
• Самая большая машина Ньюкомена была построена в 1775 году в Англии и имела цилиндр диаметром 1,8 м и ход поршня 2,7 м. Её мощность составляла около 50 лошадиных сил.
• Термин «лошадиная сила» (horsepower) был введён Джеймсом Уаттом для сравнения мощности его паровых машин с лошадьми, которые ранее использовались для откачки воды.
• Атмосферные паровые двигатели были крайне неэффективны: только 0,5–1 % энергии сгоревшего угля превращалось в полезную работу. Остальное тепло уходило на нагрев цилиндра и окружающей среды.
• Вплоть до 1830-х годов в некоторых отдалённых шахтах Англии продолжали работать машины Ньюкомена, так как их ремонт и обслуживание были дешевле, чем замена на более современные паровые машины Уатта.
• В России первая атмосферная паровая машина была установлена в 1774 году на Воткинском заводе (Удмуртия) для откачки воды из шахт. Она была построена по чертежам, привезённым из Англии.

Критика и ограничения

Атмосферные паровые двигатели обладали рядом существенных недостатков:

• Низкий КПД: Постоянное охлаждение и нагревание цилиндра приводило к огромным потерям тепла. Машина потребляла огромное количество топлива (до 1 тонны угля в час для крупных моделей).
• Низкая мощность и скорость: Из-за малого перепада давлений (максимум 1 атм) сила, действующая на поршень, была ограничена. Скорость хода поршня составляла 10–12 циклов в минуту.
• Громоздкость: Для достижения достаточной мощности требовались цилиндры огромного диаметра, что делало машину очень тяжёлой и дорогой в изготовлении.
• Ограниченная область применения: Машина была пригодна только для возвратно-поступательного движения (насосы) и не могла обеспечить непрерывное вращение вала, необходимое для большинства промышленных механизмов.
• Необходимость в большом количестве воды: Для конденсации пара требовался постоянный приток холодной воды, что ограничивало размещение двигателей вблизи источников воды.

Несмотря на эти недостатки, атмосферный паровой двигатель стал первым в истории человечества тепловым двигателем, который нашёл практическое промышленное применение, и открыл эру паровой энергетики.

Источники

• «A History of Mechanical Inventions» — Abbott Payson Usher (1954)
• «The Steam Engine: A Treatise on Steam Engines and Boilers» — William John Macquorn Rankine (1859)
• «The Atmospheric Steam Engine» — L. T. C. Rolt (1963)
• «Паровые машины» — И. И. Куколевский (1936)
• «Очерки истории техники в России (XVII — начало XIX вв.)» — под ред. С. В. Шухардина (1978)