A gőzgép története - History of the steam engine

Az 1698 Savery gőzszivattyú - az első kereskedelmi sikerű gőzhajtású készülék, amelyet Thomas Savery épített

Az első rögzített kezdetleges gőzgép az aeolipile volt, amelyet az alexandriai Heron írt le az 1. századi római Egyiptomban . Több gőzzel működő eszközök később kísérletezett, illetve javasolt, mint például Taqi al-Din „s gőz jack , egy gőzturbina 16. századi oszmán Egyiptom és Thomas Savery ” s gőz szivattyúval a 17. századi Angliában. 1712-ben, Thomas Newcomen „s légköri motor lett az első kereskedelmileg sikeres motor elvét alkalmazza a dugattyú és a henger, ami alapvető típusa gőzgép használni, amíg a 20. század elején. A gőzgépet víz kiszivattyúzására használták a szénbányákból.

Az ipari forradalom , a gőzgépek kezdték átvenni a víz és szélenergia, és végül lett a domináns hatalom forrása a 19. század végén és a megmaradt, így a korai évtizedekben a 20. században, amikor a hatékonyabb gőzturbina és a belső égésű motor a gőzgépek gyors cseréjét eredményezte. A gőzturbina vált a leggyakoribb módszerré, amellyel elektromos áramfejlesztőket hajtanak. Vizsgálatok folynak annak érdekében, hogy a fejlett gőztechnológia új hullámának alapjául szolgáljon a dugattyús gőzgép újraélesztése .

Prekurzorok

A gőzerő korai felhasználása

Aeolipile .

A legkorábbi ismert kezdetleges gőzmozdony és a reakció gőzturbina , a aeolipil , írja le a matematikus és mérnök elemzi Hérón az 1. században a római Egyiptom rögzítettek szerint, a kézirata Spiritalia seu PNEUMATICA . A fúvókákból érintőlegesen kilökődő gőz elforgatott golyót okozott. Hőhatékonysága alacsony volt. Ez arra enged következtetni, hogy a gőznyomás mechanikai mozgássá való átalakítása ismert volt a római Egyiptomban az 1. században. Heron kifejlesztett egy olyan gépet is, amely oltártűzben felhevített levegőt használva kiszorított egy mennyiségű vizet egy zárt edényből. A víz súlyát arra késztették, hogy egy rejtett kötelet húzzon a templom ajtajainak működtetéséhez. Egyes történészek összekeverték a két találmányt, hogy helytelenül azt állítsák, hogy az aeolipile hasznos munkára képes.

Szerint William of Malmesbury , 1125-ben, Reims otthona volt egy templom, hogy volt egy szerv powered by távozó levegő kompressziós „által felmelegített víz”, nyilván tervezte és professzor Gerbertus.

A Leonardo da Vinci 15. század végére vonatkozó iratai között szerepel az Architonnerre nevű gőzüzemű ágyú tervezése , amely hirtelen forró víz beáramlásával működik egy lezárt, piros forró ágyúba.

A kezdetleges hatása gőzturbina írták le 1551-ben a Taqi al-Din , a filozófus , csillagász és mérnök a 16. századi oszmán Egyiptom , aki leírta a módszert forgatására nyárson útján gőzsugár játszik a forgó lapátok kerületén egy kerék. Hasonló eszközt a nyárs forgatására később John Wilkins is leírt 1648 -ban. Ezeket az eszközöket akkor "malmoknak" nevezték, de ma gőz -emelőkként ismerik őket . Egy másik hasonló kezdetleges gőzturbina mutatja Giovanni Branca , egy olasz mérnök, 1629-ben fordult hengeres menekülését eszköz, amely váltakozva emelte, és elejt egy pár pestles dolgozó habarcs. Ezeknek a korai gőzturbináknak a gőzáramlása azonban nem volt koncentrált, és energiájának nagy része minden irányban eloszlott. Ez nagy energiapazarláshoz vezetett volna, ezért soha nem vették komolyan az ipari felhasználást.

1605 -ben Florence Rivault francia matematikus a tüzérségről szóló értekezésében azt írta felfedezéséről, hogy a víz, ha bombába zárják és felmelegítik, felrobbantja a kagylókat.

1606-ban a spanyol Jerónimo de Ayanz y Beaumont demonstrált és szabadalmat kapott a gőzüzemű vízpumpára. A szivattyút sikeresen használták a spanyolországi Guadalcanal elárasztott bányáinak elvezetésére .

A kereskedelmi gőzgép fejlesztése

"A Thomas Newcomen által 1712 -ben összehozott felfedezések gőzgépet eredményeztek:"

• A vákuum fogalma (azaz a környezeti nyomás alatti nyomáscsökkentés)
• A nyomás fogalma
• Vákuum létrehozásának technikái
• Gőzfejlesztő eszköz
• A dugattyú és a henger

1643 -ban Evangelista Torricelli kísérleteket hajtott végre szívóvíz -szivattyúkon, hogy teszteljék határaikat, ami körülbelül 32 láb volt. (A légköri nyomás 32,9 láb vagy 10,03 méter. A víz gőznyomása csökkenti az elméleti emelési magasságot.) Kísérletet dolgozott ki higanynal töltött cső segítségével, amelyet higanyos tálban ( barométer ) megfordítottak, és megfigyelte az üres teret az oszlop felett. higany, amelyet ő elmélete szerint nem tartalmazott, vagyis vákuumot.

Befolyásolja Torricelli, Otto von Guericke feltalált egy vákuumszivattyú módosításával egy légszivattyú használt nyomás egy légpuska . Guericke tüntetést tartott 1654 -ben a németországi Magdeburgban, ahol polgármester volt. Két réz félgömböt illesztettek össze, és a levegőt kiszivattyúzták. A félgömbökre rögzített súlyok nem tudták széthúzni őket, amíg a légszelepet ki nem nyitották. A kísérletet 1656 -ban megismételték két, egyenként 8 lovas csapat segítségével, amelyek nem tudták elválasztani a magdeburgi félgömböket .

Elsőként Gáspár Schott írta le a féltekés kísérletet a Mechanica Hydraulico-Pneumatica című művében (1657).

Schott könyvének elolvasása után Robert Boyle felépített egy továbbfejlesztett vákuumszivattyút, és kapcsolódó kísérleteket végzett.

Denis Papin érdekeltté vált a vákuum segítségével generálni hajtóerő munka közben Christiaan Huygens és Gottfried Leibniz Párizsban 1663. Papin dolgozott Robert Boyle 1676-1679, kiadói veszi a munkáját a folytatása az új kísérletek (1680) és az 1689 -ben előadást tartott a Royal Society -nek. Papin 1690 -től kísérletezni kezdett egy dugattyúval, hogy gőzzel energiát termeljen, és gőzgépeket gyártott. Kísérletezett atmoszférikus és nyomásos gőzgépekkel, eredményeit 1707 -ben publikálta.

1663 -ban Edward Somerset, Worcester 2. márkije megjelentetett egy 100 találmányból álló könyvet, amely leírott egy módszert a víz emeletének közötti emelésére, amely hasonló elvet alkalmaz, mint egy kávéfőző . Az ő rendszere volt az első, amely elválasztotta a kazánt (fűtött ágyúcsövet) a szivattyúzástól. A vizet egy tartályból egy megerősített hordóba engedték, majd egy szelepet nyitottak, hogy beengedjék a gőzt egy külön kazánból. A nyomás a víz tetejére épült, felvezetve egy csövet. Gőzüzemű készülékét a Raglan-kastély Nagytornyának falára szerelte, hogy vizet biztosítson a toronyon keresztül. A fal barázdái, ahol a motort beszerelték, még a 19. században láthatók voltak. Senki azonban nem volt hajlandó pénzt kockáztatni egy ilyen forradalmi koncepcióért, és támogatók nélkül a gép fejletlen maradt.

Samuel Morland , a szivattyúkon dolgozó matematikus és feltaláló jegyzeteket hagyott a Vauxhall Rendeleti Irodában a Thomas Savery által olvasott gőzszivattyú -tervezésről . 1698 -ban Savery „Bányász barátja” néven gőzszivattyút épített. Vákuumot és nyomást is alkalmazott. Ezeket néhány évig alacsony lóerős kiszolgálásra használták.

Thomas Newcomen kereskedő volt, aki öntöttvas árukkal foglalkozott. A Newcomen motorja a Papin által javasolt dugattyú és henger kialakításon alapult. A Newcomen motorjában a gőzt a henger belsejébe permetezett víz kondenzálta, ami légköri nyomást gyakorolt ​​a dugattyú mozgatására. A Newcomen első motorját szivattyúzásra telepítették 1712 -ben a Staffordshire -i Dudley kastélyban.

Hengerek

Denis Papin tervezése egy dugattyús és hengeres motorhoz, 1680.

Denis Papin (1647. augusztus 22. - 1712. körül) francia fizikus, matematikus és feltaláló, legismertebb úttörő találmányáról, a gőzforralóról , a gyorsfőző elődjéről. Az 1670-es évek közepén Papin együttműködött Christiaan Huygens holland fizikussal egy olyan motoron, amely a belsejében lévő lőpor felrobbantásával kiszorította a levegőt a hengerből . Papin, felismerve az ily módon előállított vákuum hiányosságát és 1680 -ban Angliába költözve, ugyanazon henger egy olyan változatát dolgozta ki, amely teljesebb vákuumot nyert forrásban lévő vízből, majd hagyta, hogy a gőz lecsapódjon; így tudott súlyokat emelni úgy, hogy a dugattyú végét egy szíjtárcsán áthaladó kötélhez rögzítette. Bemutató modellként a rendszer működött, de a folyamat megismétléséhez az egész készüléket szétszerelni és újra össze kellett szerelni. Papin gyorsan látta, hogy az automatikus ciklus létrehozásához a gőzt külön kell előállítani egy kazánban; azonban nem vitte tovább a projektet. Papin a Taqi al Din és Savery elképzeléseinek kombinációjával egy malomkeréken játszó sugárhajtású evezős csónakot is tervezett, és számos jelentős eszköz, például a biztonsági szelep is nevéhez fűződik . Papin évekig tartó kutatása a gőz kihasználásának problémáival kulcsszerepet játszott az első sikeres ipari motorok kifejlesztésében, amelyek hamarosan a halála után következtek.

Finom gőzszivattyú

Az első iparilag alkalmazott gőzgép a "tűzoltógép" vagy "Bányász barátja" volt, amelyet Thomas Savery tervezett 1698-ban. Ez egy dugattyú nélküli gőzszivattyú volt, hasonló a Worcester által kifejlesztetthez. Savery két kulcsfontosságú hozzájárulást tett, amelyek nagymértékben javították a tervezés praktikusságát. Először is, annak érdekében, hogy a vízellátást a motor alá lehessen helyezni, sűrített gőzt használt, hogy részleges vákuumot alakítson ki a szivattyúzó tartályban (Worcester példájában a hordó), és ezzel húzza felfelé a vizet. Másodszor, annak érdekében, hogy gyorsan lehűtse a gőzt, hogy vákuum keletkezzen, hideg vizet öntött a tartályba.

A működéshez több szelep szükséges; amikor a tartály üres volt a ciklus kezdetén, szelepet nyitottak a gőz beengedésére. A szelepet lezárták, hogy lezárják a tartályt, és a hűtővíz -szelepet bekapcsolva gőzt kondenzáltak és részleges vákuumot hoztak létre. A tápszelep kinyílt, és felfelé húzta a vizet a tartályba, és a tipikus motor 20 lábig képes vizet húzni. Ezt lezárták, és a gőzszelep újra kinyílt, nyomás alá helyezve a vizet és felfelé pumpálva, mint a Worcester kivitelben. A ciklus lényegében megduplázta azt a távolságot, amelyet a víz szivattyúzására adott gőznyomás mellett végezhet, és a gyártási példák körülbelül 40 láb magasra emelték a vizet.

Savery motorja megoldott egy problémát, amely csak a közelmúltban vált komolyra; vizet emelve ki a dél -angliai bányákból, amint azok nagyobb mélységekbe értek. Savery motorja valamivel kevésbé volt hatékony, mint a Newcomené, de ezt kompenzálta az a tény, hogy a Newcomen motor által használt külön szivattyú nem volt hatékony, így a két motor nagyjából azonos hatékonysággal, 6 millió láb font szénnel (kevesebb, mint 1 %). A Savery motor sem volt túl biztonságos, mert ciklusának egy része kazán által táplált nyomás alatt lévő gőzt igényelt, és az adott időszak technológiáját figyelembe véve a nyomástartó edény nem volt elég erős, és így robbanásveszélyes volt. Az egyik szivattyújának robbantása Broad Waters -en ( Wednesdaybury közelében ), 1705 körül, valószínűleg a találmányának kiaknázására irányuló kísérletek végét jelzi.

A Savery motor olcsóbb volt, mint a Newcomen, és kisebb méretben gyártották. Néhány építő a Savery motor továbbfejlesztett verzióit gyártotta egészen a 18. század végéig. A Bento de Moura Portugal , az FRS zseniális fejlesztést vezetett be Savery konstrukciójában, "hogy képes legyen működni önmagában", amint azt John Smeaton leírta az 1751 -ben közzétett filozófiai tranzakciókban.

Légköri kondenzációs motorok

Newcomen "légköri" motor

A Newcomen motor gravírozása. Úgy tűnik, ezt Desaguliers 1744 -es művének rajzából másolták le: "A kísérleti filozófia folyamata", amelyről úgy vélik, hogy Henry Beighton 1717 -es gravírozásának fordított másolata volt, ami valószínűleg az 1714 körül felállított második Newcomen -motor. a Griff bányában, Warwickshire -ben.

Thomas Newcomen volt az 1712 -es " légköri motorjával ", aki elmondható, hogy összehozta a Papin által létrehozott lényeges elemek nagy részét annak érdekében, hogy kifejlessze az első olyan praktikus gőzgépet, amelyre kereskedelmi igény lehet. Ez a felszíni szintre szerelt dugattyús motor alakját öltötte, amely a gerenda egyik végén szivattyúkat hajtott végre. A gerenda másik végéből lánccal rögzített motor a légköri vagy vákuum elven működött.

A Newcomen tervezése a korábbi koncepciók néhány elemét használta. A Savery dizájnhoz hasonlóan a Newcomen motorja vízzel lehűtött gőzt használt vákuum létrehozásához. Savery szivattyújával ellentétben azonban a Newcomen a vákuum segítségével a dugattyút húzta ahelyett, hogy közvetlenül a vizet húzta volna. A henger felső vége nyitva volt a légköri nyomásnak, és amikor a vákuum létrejött, a dugattyú feletti légköri nyomás lenyomta a hengerbe. A dugattyút megkente és lezárta a hűtővizet szolgáltató tartályból származó víz. Továbbá a hűtőhatás javítása érdekében vizet szórt közvetlenül a palackba.

A dugattyút lánccal rögzítették egy nagy forgógerendához. Amikor a dugattyú meghúzta a gerendát, a gerenda másik oldala felfelé húzódott. Ezt a végét egy rúdhoz rögzítették, amely egy sor hagyományos szivattyúfogantyút húzott a bányában. Ennek az áramütésnek a végén a gőzszelepet újra kinyitották, és a szivattyú rudak súlya lehúzta a gerendát, felemelve a dugattyút és ismét gőzt húzva a hengerbe.

A dugattyú és a gerenda használata lehetővé tette a Newcomen motor számára, hogy különböző szinteken működtesse a szivattyúkat az egész bányában, és nem volt szükség nagynyomású gőzre. Az egész rendszer a felszínen egyetlen épülethez volt elkülönítve. Bár ezek a motorok nem hatékonyak és rendkívül nehezek szénre (a későbbi motorokhoz képest), ezek a motorok sokkal nagyobb vízmennyiséget és nagyobb mélységet vetettek fel, mint korábban. 1735 -ig Anglia környékén több mint 100 Newcomen motort telepítettek, és becslések szerint 1800 -ig már 2000 is működött (beleértve a Wattos verziókat is).

John Smeaton számos fejlesztést hajtott végre a Newcomen motoron, nevezetesen a tömítéseket, és ezek javításával majdnem megháromszorozta hatékonyságukat. Továbbá inkább kerekeket használt gerendák helyett az erőátvitelhez a hengerből, ami kompaktabbá tette motorjait. Smeaton volt az első, aki kifejlesztett egy szigorú elméletet a gőzgép tervezéséről. A tervezett feladattól visszafelé dolgozott, hogy kiszámítsa a feladathoz szükséges teljesítmény mennyiségét , az azt biztosító henger méretét és sebességét, a kazán méretét és az üzemanyag -fogyasztást. . Ezeket empirikusan fejlesztették ki, miután tucatnyi Newcomen motort tanulmányoztak Cornwallban és Newcastle -ben, és 1770 -ben Austhorpe -i otthonában saját kísérleti motort építettek . Mire a Watt -motor csak néhány évvel később került bevezetésre, a Smeaton tucatnyi egyre nagyobb motorok a 100 LE tartományba.

Watt külön kondenzátor

Korai wattos szivattyúmotor.

Míg a Glasgow -i Egyetemen műszergyártóként és javítóként dolgozott 1759 -ben, James Wattot John Robison professzor ismertette meg a gőz erejével . Watt lenyűgözve mindent elolvasott a témában, és önállóan kifejlesztette a látens hő fogalmát , amelyet csak nemrég jelent meg Joseph Black ugyanabban az egyetemen. Amikor Watt megtudta, hogy az egyetemnek van egy kis működő modellje a Newcomen motorból, sürgette, hogy vigye vissza Londonból, ahol sikertelenül javították. Watt megjavította a gépet, de azt találta, hogy még akkor sem működik, ha teljesen megjavították.

A tervezéssel végzett munka után Watt arra a következtetésre jutott, hogy a motor által felhasznált gőz 80% -a kárba vész. Ahelyett, hogy hajtóerőt biztosítana, a henger fűtésére használták. A Newcomen kivitelben minden erőátvitelt hideg vízpermettel indítottak, amely nemcsak a gőzt sűrítette, hanem a henger falait is lehűtötte. Ezt a meleget ki kellett cserélni, mielőtt a henger újra befogadta a gőzt. A Newcomen motorban a hőt csak a gőz szolgáltatta, így amikor a gőzszelepet ismét kinyitották, a túlnyomó többség a hideg falakon kondenzálódott, amint beengedték a hengerbe. Elég sok időbe és gőzbe telt, mire a palack felmelegedett, és a gőz elkezdte feltölteni.

Watt úgy oldotta meg a vízpermet problémáját, hogy a hideg vizet egy másik hengerbe vezette, amely a motorpalack mellé került. Miután az indukciós löket befejeződött, szelepet nyitottak a kettő között, és a hengerbe belépő gőz lecsapódott a hideg hengerben. Ez vákuumot hozna létre, amely a gőz nagyobb részét behúzza a hengerbe, és így tovább, amíg a gőz többnyire lecsapódik. A szelepet ezután lezárták, és a főhenger működése folytatódott, mint egy hagyományos Newcomen motor esetében. Mivel az erőhenger végig üzemi hőmérsékleten maradt, a rendszer készen állt az újabb löketre, amint a dugattyút visszahúzták a tetejére. A hőmérséklet fenntartása egy köpeny volt a henger körül, ahol gőzt engedtek be. Watt 1765 -ben gyártott működő modellt.

Meggyőződve arról, hogy ez nagy előrelépés, Watt partnerségre lépett kockázati tőke biztosítása érdekében, miközben a tervezésen dolgozott. Nem elégedett meg ezzel az egyetlen fejlesztéssel, Watt fáradhatatlanul dolgozott egy sor egyéb fejlesztésen a motor gyakorlatilag minden részén. Watt tovább javította a rendszert egy kis vákuumszivattyú hozzáadásával, amely a gőzt a hengerből a kondenzátorba húzza, tovább javítva a ciklusidőt. A Newcomen kialakításhoz képest radikálisabb változás volt a henger tetejének lezárása és alacsony nyomású gőz bevezetése a dugattyú fölé. Most a teljesítményt nem a légköri nyomás és a vákuum különbsége okozta, hanem a gőz és a vákuum nyomása, valamivel magasabb érték. A felfelé irányuló visszatérő löketnél a tetején lévő gőz egy csövön keresztül a dugattyú alsó oldalára került, amely készen áll a süllyesztésre. A dugattyú tömítését a Newcomen motoron úgy sikerült elérni, hogy kis mennyiségű vizet tartottak fenn a felső oldalán. Ez Watt motorjában a gőz jelenléte miatt már nem volt lehetséges. Watt jelentős erőfeszítéseket tett, hogy megtaláljon egy működő pecsétet, amelyet végül faggyú és olaj keverékével nyertek. A dugattyúrúd áthaladt a henger felső fedelén lévő tömszelencén is , hasonló módon.

A dugattyútömítés problémája abból adódott, hogy nem volt módunk megfelelően kerek hengert előállítani. Watt megpróbálta öntöttvasból megfúrni a hengereket, de túlságosan kifordultak. Watt kénytelen volt kalapált vashengert használni. A következő idézet Roe -ból (1916) származik:

"Amikor [John] Smeaton először meglátta a motort, jelentette a Mérnökök Társaságának, hogy" nem léteznek olyan szerszámok és munkások, akik képesek lennének egy ilyen bonyolult gépet kellő pontossággal gyártani ".

Watt végül 1774 -ben elég jónak ítélte a dizájnt a kiadáshoz, és a Watt -motort piacra dobták. Mivel a konstrukció egy része könnyen illeszthető a meglévő Newcomen motorokhoz, nem volt szükség teljesen új motor építésére a bányákban. Ehelyett Watt és üzleti partnere, Matthew Boulton engedélyezte a fejlesztéseket a hajtómű -üzemeltetőknek, felszámítva nekik a pénz egy részét, amit megtakarítanak a csökkentett üzemanyagköltségekben. A tervezés vadul sikeres volt, és a Boulton és Watt cég azért jött létre, hogy engedélyezze a tervezést, és segítsen az új gyártóknak a motorok megépítésében. Később a Soho -öntödét megnyitották saját motorok gyártásához.

1774 -ben John Wilkinson feltalált egy fúrógépet, amelynek tengelye a fúrószerszámot mindkét végén megtámasztja, és átnyúlik a hengeren, ellentétben az akkor használt konzolos fúrókkal. Ezzel a géppel sikeresen meg tudta fúrni a hengert Boulton és Watt első kereskedelmi motorja számára 1776 -ban.

Watt nem hagyta abba a tervek fejlesztését. Ez tovább javította a működési ciklus sebességét, bevezették a szabályozókat, az automatikus szelepeket, a kettős működésű dugattyúkat, a különféle forgó erőátvitelt és sok más fejlesztést. A Watt technológiája lehetővé tette az álló gőzgépek széles körű kereskedelmi használatát.

Humphrey Gainsborough az 1760 -as években gyártott egy kondenzációs gőzgépet, amelyet megmutatott Richard Lovell Edgeworth -nek , a Lunar Society tagjának . Gainsborough úgy vélte, hogy Watt felhasználta ötleteit a találmányhoz; James Watt azonban nem volt tagja a Holdtársaságnak ebben az időszakban, és sok beszámolója, amelyek a végső tervezéshez vezető gondolati folyamatok egymásutánját magyarázzák, hajlamosak meghazudtolni ezt a történetet.

A teljesítményt továbbra is korlátozta az alacsony nyomás, a henger elmozdulása, az égési és párolgási sebesség, valamint a kondenzátor kapacitása. A maximális elméleti hatékonyságot a dugattyú mindkét oldalán lévő viszonylag alacsony hőmérsékletkülönbség korlátozta; ez azt jelentette, hogy ahhoz, hogy egy Wattos motor hasznos energiát biztosítson, az első sorozatgyártású motoroknak nagyon nagyoknak kellett lenniük, és így drága volt az építésük és telepítésük.

Wattos kettős működésű és forgó motorok

Watt kifejlesztett egy kettős működésű motort, amelyben a gőz mindkét irányba hajtotta a dugattyút, ezáltal növelve a motor fordulatszámát és hatékonyságát. A kettős működés elve jelentősen növelte az adott fizikai méretű motor teljesítményét is.

A Boulton & Watt rotációs típusba fejlesztette a dugattyús motort . A Newcomen motorral ellentétben a Watt motor elég zökkenőmentesen működhet ahhoz, hogy a hajtótengelyhez- nap- és bolygókerekes hajtóműveken keresztül-csatlakoztassa , hogy rotációs erőt biztosítson a kettős működésű kondenzációs hengerekkel együtt. A legkorábbi példa bemutatónak készült, és Boulton gyárában telepítették a gombok vagy hasonló csiszológépekhez. Emiatt mindig Lap Motor néven ismerték . A korai gőzgépek a dugattyú általában rúd kapcsolódik, hogy egy kiegyensúlyozott gerenda, nem pedig közvetlenül a lendkerék, és ezek a motorok ezért nevezik nyaláb motorok .

A korai gőzgépek nem biztosítottak elegendő állandó sebességet a kritikus műveletekhez, például a pamutfonáshoz. A fordulatszám szabályozásához a motort vízpumpára használták egy vízkerékhez, amely hajtotta a gépet.

Nagynyomású motorok

A 18. század előrehaladtával a nyomás fokozására szólítottak fel; ennek Watt határozottan ellenállt, aki a szabadalma által biztosított monopóliumot használva megakadályozta, hogy mások nagynyomású motorokat építsenek és azokat járművekben használják. Bizalmatlan volt az akkori kazántechnológiával, a felépítés módjával és a felhasznált anyagok szilárdságával.

A nagynyomású motorok fontos előnyei a következők voltak:

1. Ezeket a teljesítményeket a korábbinál sokkal kisebbre lehet állítani egy adott teljesítmény mellett. Így lehetőség nyílt olyan gőzgépek kifejlesztésére, amelyek elég kicsik és erőteljesek voltak önmaguk és más tárgyak meghajtásához. Ennek eredményeképpen a szállításhoz szükséges gőzerő hajók és szárazföldi járművek formájában vált gyakorlativá, ami forradalmasította a teherszállító vállalkozásokat, az utazást, a katonai stratégiát és lényegében a társadalom minden területét.
2. Kisebb méretük miatt sokkal olcsóbbak voltak.
3. Nem igényelték a légköri motorokhoz szükséges jelentős mennyiségű kondenzátoros hűtővizet.
4. Úgy tervezték őket, hogy nagyobb sebességgel működjenek, így alkalmasabbak a gépek meghajtására.

A hátrányok a következők voltak:

1. Az alacsony nyomású tartományban kevésbé voltak hatékonyak, mint a kondenzációs motorok, különösen akkor, ha a gőzt nem használták széles körben.
2. Fogékonyabbak voltak a kazánrobbanásokra.

A fő különbség a nagynyomású és az alacsony nyomású gőzgépek működése között a dugattyút mozgató erő forrása. A Newcomen és a Watt motorjaiban a gőz páralecsapódása okozza a legtöbb nyomáskülönbséget, ami légköri nyomást (Newcomen) és alacsony nyomású gőzt okoz, ritkán 7 psi-nél nagyobb kazánnyomást, valamint kondenzátor vákuumot (Watt), mozgatni a dugattyút. Nagynyomású motorban a nyomáskülönbség nagy részét a kazánból származó nagynyomású gőz biztosítja; a dugattyú alacsony nyomású oldala légköri nyomáson lehet, vagy a kondenzátor nyomásához köthető. A Newcomen indikátordiagramja , szinte az atmoszférikus vonal alatt, majdnem 200 évvel később újjáéledt, amikor a háromszoros expanziós motorok alacsony nyomású hengere a motor teljesítményének körülbelül 20% -át adja, ismét szinte teljesen a légköri vonal alatt.

Az "erős gőz" első ismert szószólója Jacob Leupold volt, aki 1725 körül enciklopédikus művekben megjelent motorját tervezte. A gőzhajtású csónakok és járművek különböző projektjei is megjelentek az évszázad során, az egyik legígéretesebb az Nicolas-Joseph Cugnot , aki 1769-ben bemutatta "fardier-jét" (gőzkocsiját). Noha az ehhez a járműhöz használt üzemi nyomás ismeretlen, a kazán kicsi mérete miatt a gőztermelési sebesség nem volt elegendő ahhoz, hogy a fardier néhánynál többet tudjon előrehaladni száz métert egyszerre, mielőtt meg kell állnia a gőz felemeléséhez. Más projekteket és modelleket is javasoltak, de William Murdoch 1784 -es modelljéhez hasonlóan sokukat Boulton és Watt blokkolta.

Ez az Egyesült Államokban nem volt érvényes, és 1788 -ban John Fitch által épített gőzhajó működött rendszeres kereskedelmi szolgálatban a Delaware folyó mentén, Philadelphia (Pennsylvania) és Burlington, New Jersey között, akár 30 utassal. Ez a csónak jellemzően 7-8 mérföldet képes megtenni óránként, és rövid szolgálati ideje alatt több mint 2000 mérföldet (3200 km) tett meg. A Fitch gőzhajó nem volt kereskedelmi siker, mivel ezt az útvonalat megfelelően lefedték a viszonylag jó szekérutak. 1802 -ben William Symington praktikus gőzhajót épített, 1807 -ben pedig Robert Fulton Watt gőzgépet használt az első, kereskedelmi szempontból sikeres gőzhajó meghajtására .

Oliver Evans viszont az "erős gőzt" támogatta, amelyet a csónakmotorokra és a helyhez kötött alkalmazásokra alkalmazott. A hengeres kazánok úttörője volt; mindazonáltal Evans kazánjai számos súlyos kazánrobbanást szenvedtek el, amelyek hajlamosak voltak súlyozni Watt aggodalmait. 1811 -ben megalapította a Pittsburgh Steam Engine Company -t Pittsburgh -ben , Pennsylvaniában. A vállalat nagynyomású gőzgépeket vezetett be a folyami csónakkereskedelembe a Mississippi vízgyűjtőjén .

Az első nagynyomású gőzgépet Richard Trevithick találta fel 1800-ban .

A gőz nyomás alatt történő emelése ( termodinamikai szempontból) fontos, hogy magasabb hőmérsékletet érjen el. Így minden nagynyomású gőzt használó motor magasabb hőmérséklet- és nyomáskülönbséggel működik, mint az alacsony nyomású vákuummotorral lehetséges. A nagynyomású motor tehát a dugattyús gőz technológia továbbfejlesztésének alapjává vált. Ennek ellenére 1800 körül a "magas nyomás" elérte a ma nagyon alacsony nyomást, azaz 40-50 psi (276-345 kPa), ami azt jelenti, hogy a szóban forgó nagynyomású motor nem kondenzálódott , amelyet kizárólag a gőz expanzív ereje hajtott meg, és miután ez a gőz elvégezte a munkát, rendszerint kimerült a légköri nyomásnál. A kipufogó gőz kéménybe való fúvását ki lehet használni, hogy indukált huzatot hozzanak létre a tűzrostélyon ​​keresztül, és ezáltal növeljék az égési sebességet, ezáltal több hőt termelve egy kisebb kemencében, a kipufogó oldali ellennyomás kárára dugattyú.

Február 21-én 1804-ben a Penydarren vasmű a Merthyr Tydfil South Wales, az első önjáró vasúti gőzmozdony vagy gőzmozdony által épített Richard Trevithick , mutatták ki.

Cornish motor és keverék

Trevithick szivattyúmotor (Cornish rendszer).

1811 körül Richard Trevithicknek frissítenie kellett egy wattos szivattyúmotort, hogy az egyik új, nagy hengeres Cornish kazánjához igazítsa . Amikor Trevithick 1816 -ban Dél -Amerikába távozott, William Sims folytatta a fejlesztéseket . Ezzel párhuzamosan Arthur Woolf kifejlesztett egy kéthengeres összetett motort , így a gőz nagynyomású palackban kitágult, mielőtt kisnyomásúvá vált. A hatékonyságot tovább növelte Samuel Groase , aki szigetelte a kazánt, a motort és a csöveket.

A dugattyú feletti gőznyomás végül 40 psi -re (0,28  MPa ), vagy akár 50  psi -re (0,34  MPa ) emelkedett,  és most a lefelé irányuló löket teljesítményét biztosította; ugyanakkor javult a kondenzáció. Ez jelentősen megnövelte a hatékonyságot, és tovább szivattyúzta a motorokat a Cornish rendszerben (gyakran Cornish motoroknak is nevezik ) a 19. század folyamán. A régebbi Watt motorokat frissítették, hogy megfeleljenek.

Ezeknek a Cornish fejlesztéseknek a bevezetése lassú volt a textilgyártási területeken, ahol a szén olcsó volt, a motorok magasabb beruházási költsége és a nagyobb kopás miatt. A változás csak az 1830-as években kezdődött, általában egy másik (nagynyomású) palack hozzáadásával.

A korai gőzgépek másik korlátozása a sebességváltozás volt, ami miatt alkalmatlanná vált számos textilipari alkalmazáshoz, különösen a fonáshoz. Az egyenletes sebesség elérése érdekében a korai gőzüzemű textilgyárak a gőzgép segítségével vizet szivattyúztak egy vízkerékre, ami meghajtotta a gépeket.

Sok ilyen motort világszerte szállítottak, és megbízható és hatékony szolgáltatást nyújtottak hosszú évek alatt, jelentősen csökkentve a szénfogyasztást. Néhányuk nagyon nagy volt, és a típust egészen az 1890 -es évekig építették.

Corliss motor

"Gordon továbbfejlesztett Corliss szelepberendezése", részletes nézet. A csuklólemez a központi lemez, amelyről a rudak a 4 szelep mindegyikébe sugároznak.

A Corliss gőzgépet (szabadalmaztatott 1849) James Watt óta a legnagyobb fejlesztésnek nevezték. A Corliss motor nagymértékben javította a fordulatszám -szabályozást és jobb hatékonyságot, így mindenféle ipari alkalmazásra alkalmas, beleértve a centrifugálást is.

A Corliss külön portokat használt a gőzellátáshoz és a kipufogáshoz, ami megakadályozta, hogy a kipufogógáz lehűtse a forró gőz által használt csatornát. A Corliss részben forgó szelepeket is használt, amelyek gyors működést biztosítanak, és segítenek csökkenteni a nyomásveszteségeket. Maguk a szelepek is csökkentett súrlódást okoztak, különösen a tolózárhoz képest, amely jellemzően a motor teljesítményének 10% -át használta fel.

A Corliss automatikus változó levágást használt. A szelep fogaskerék szabályozza a motor fordulatszámát a szabályozó segítségével a levágás időzítésének megváltoztatásához. Ez részben a hatékonyság javításáért volt felelős a jobb sebességszabályozás mellett.

Porter-Allen nagy sebességű gőzgép

Porter-Allen nagy sebességű motor. Nagyítson, ha látni szeretné a Porter kormányzót a lendkerék bal elején

Az 1862-ben bemutatott Porter-Allen motor egy fejlett szelephajtómű-mechanizmust használt, amelyet a kivételes képességű szerelő Allen fejlesztett ki Porternek, és először általánosan Allen-motorként ismerték. A nagy sebességű motor egy precíziós gép volt, amely kiegyensúlyozott volt, és a szerszámgépek és a gyártási technológia fejlődése tette lehetővé.

A nagy sebességű motor dugattyús fordulatszámon futott, háromszor -ötször akkora sebességgel, mint a hagyományos motorok. Ezenkívül alacsony sebességváltozással is rendelkezett. A nagy sebességű motort széles körben használták a fűrészüzemekben körfűrészek hajtására. Később villamosenergia -termelésre használták.

A motornak számos előnye volt. Bizonyos esetekben közvetlenül összekapcsolható. Ha fogaskerekeket, öveket és dobokat használnának, sokkal kisebb méretűek lehetnek. Maga a motor is kicsi volt a kifejlesztett teljesítményhez képest.

Porter nagymértékben javította a légygolyó-szabályzót azáltal, hogy csökkentette a forgó tömeget és hozzáadott egy súlyt a tengely körül. Ez jelentősen javította a sebességszabályozást. Porter kormányzója 1880 -ra lett a vezető típus.

A Porter-Allen motor hatékonysága jó volt, de nem egyenlő a Corliss motorral.

Uniflow (vagy szivárgásmentes) motor

Az uniflow motor volt a leghatékonyabb nagynyomású motor. 1911 -ben találták fel, és hajókban használták, de gőzturbinák és később tengeri dízelmotorok váltották ki .

Hivatkozások

Bibliográfia

• Gurr, Duncan; Hunt, Julian (1998). Oldham Cotton Mills . Oldham Oktatás és szabadidő. ISBN 0-902809-46-6. Archiválva az eredetiből 2011-07-18 . Letöltve: 2009-02-04 .
• Roberts, AS (1921). "Arthur Robert motorlistája" . Arthur Roberts fekete könyv . Egy srác a Barlick-könyv átiratából. Archiválva az eredetiből 2011-07-23 . Letöltve: 2009-01-11 .
• Curtis, HP (1921). "Textilszótár" . Arthur Roberts fekete könyv . Manchester: Marsden & Company, Ltd. 1921. 2011-10-06-án archiválva az eredetiből . Letöltve: 2009-01-11 .
• Nasmith, József (1894). A legutóbbi pamutmalom építése és tervezése . John Heywood, Deansgate, Manchester, újranyomta az Elibron Classics -ot. ISBN 1-4021-4558-6. Letöltve: 2009-01-11 .
• Hills, Richard Leslie (1993). Teljesítmény a Steamből: Az álló gőzgép története . Cambridge University Press. o. 244. ISBN 0-521-45834-X. Letöltve: 2009. január 10 .
• Taylor, "J.¨ (1827)." Thomas Tredgold ". A gőzgép .lásd Thomas Tredgold

További irodalom

• Stuart, Robert, A gőzgép leíró története , London: J. Knight és H. Lacey, 1824.
• Gascoigne, Bamber (2001). "A Steam története" . HistoryWorld . Lap 16-November 2009-es .