Джеймс Уатт (James Watt, 1736-1819)
Машина Сейвери працювала наступним чином: спочатку герметичний резервуар наповнювався парою, потім зовнішня поверхня резервуара охолоджувалася холодною водою, через що пара конденсувався, і в резервуарі створювався частковий вакуум. Після цього вода, наприклад, з дна шахти засмоктувалася в резервуар через забірну трубу і після впуску чергової порції пара викидалася назовні через випускну трубу. Потім цикл повторювався, але воду можна було піднімати тільки з глибини менш 10,36 м, оскільки в дійсності її виштовхувало атмосферний тиск.
Принцип роботи парового
водопідйомник Т.Сейвері
Принцип роботи машини Ньюкомена.
Як і в машині Папена, поршень переміщався у вертикальному циліндрі, але в цілому машина Ньюкомена була значно більш досконалої. Щоб ліквідувати зазор між циліндром і поршнем, Ньюкомен закріпив на торці останнього гнучкий шкіряний диск і налив на нього небагато води.Пара з котла надходив у підставу циліндра і піднімав поршень вгору. При уприскуванні в циліндр холодної води, пара конденсувався, в циліндрі утворювався вакуум, і під впливом атмосферного тиску поршень опускався вниз. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з'єднаної з коромислом, що рухалося на зразок гойдалок, піднімав вгору шток насоса. Коли поршень знаходився в нижній точці свого ходу, в циліндр знову надходив пар, і за допомогою противаги, закріпленого на штоку насоса або на коромислі, поршень піднімався у вихідне положення. Після цього цикл повторювався.
Машина Ньюкомена виявилася на рідкість вдалою для того часу і використовувалася по всій Європі більш 50 років. Її використовували для відкачування води з численних шахт в Великобританії. Це було перше багатосерійне виріб в історії техніки (випущено кілька тисяч штук).
У 1740 р машина з циліндром довжиною 2,74 м і діаметром 76 см за один день виконувала роботу, яку бригади з 25 чоловік і 10 коней, працюючи позмінно, раніше виконували за тиждень.
У 1775 р ще більш велика машина, побудована Джоном Смитоном (творцем Еддистоунского маяка), за два тижні осушила док в Кронштадті (Росія). Раніше з використанням високих вітряків на ето ішов цілий рік.
І, тим не менше, машина Ньюкомена була далека до досконалості. Вона перетворювала в механічну енергію всього лише близько 1% теплової енергії і, як наслідок, пожирала величезну кількість палива, що, втім, не мало особливого значення, коли машина працювала на вугільних шахтах.
В цілому машини Ньюкомена зіграли величезну роль у збереженні вугільної промисловості. З їх допомогою вдалося відновити видобуток вугілля в багатьох затоплених шахтах.
Про винахід Ньюкомена можна сказати, що це була дійсно парова машина, вірніше, пароатмосферная машина. Від попередніх прототипів парових машин її відрізняло наступне:
- рушійною силою в ній було атмосферний тиск, а розрідження досягалося при конденсації пари;
- в циліндрі перебував поршень, який здійснював робочий хід під дією пара;
- вакуум досягався в результаті конденсації пари при уприскуванні всередину циліндра холодної води.
ПЕРША парової машини
Джеймса Ватта,
THE GRANGER COLLECTION, New York.
І хоча випробування машини пройшли успішно, в ході її подальшої експлуатації стало ясно, що перша модель Уатта виявилася не зовсім вдалою, і співпраця з Ребека перервалося. Незважаючи на брак коштів, Уатт продовжував працювати над удосконаленням парової машини. Його роботи зацікавили Метью Боултона (Matthew Boulton), інженера і багатого фабриканта, власника металообробного заводу в містечку Сохо під Бірмінгемом. У 1775 р Уатт і Боултоне уклали угоду про партнерство.
У 1781 р Джеймс Уатт отримав патент на винахід другої моделі своєї машини. Серед нововведень, внесених в неї і в наступні моделі, були:
- циліндр подвійної дії, в якому пар подавався поперемінно по різні боки від поршня, при цьому відпрацьований пар надходив в конденсатор;
- жаровая сорочка, що оточувала робочий циліндр для зниження теплових втрат, і золотник;
- перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертальний рух вала спочатку за допомогою шатунно-кривошипного механізму, а потім за допомогою шестеренчатой передачі, що стала прообразом планетарного редуктора;
- відцентровий регулятор для підтримання сталості числа обертів вала і маховик для зменшення нерівномірності обертання.
У 1782 році ця чудова машина, перша універсальна парова машина «подвійної дії», була побудована. Кришку циліндра Уатт оснастив винайденим незадовго до того сальником, що забезпечував вільний рух штока поршня, але запобігав витоку пара з циліндра. Пара надходила в циліндр поперемінно то з одного боку поршня, то з іншого, створюючи вакуум з протилежного боку циліндра. Тому поршень робив і робітник і зворотний хід за допомогою пари, чого не було в колишніх машинах.
Принцип роботи останніх моделей парових машин Джеймса Ватта.
Крім того, в 1782 р Джеймс Уатт ввів принцип розширювального дії. розділяючи потік пара в циліндрі на початку його перебігу так, що він починав розширюватися решту циклу під своїм власним тиском. Розширене дію означає деяку втрату в потужності, але виграш в «продуктивності». З усіх цих ідей Уатта найкориснішою була ідея розширювального дії. Надалі її практичному впровадженні дуже допомогла індикаторна діаграма, створена близько 1790 р помічником Уатта Джеймсом Саузерну. Індикатор був самопишущим пристроєм, який можна було приєднувати до двигуна для того, щоб відзначати тиск в циліндрі в залежності від обсягу пара, що надходить за даний такт. Площа під такою кривою була заходом роботи, виконаної за даний такт. Індикатор використовували для того, щоб максимально ефективно налаштувати двигун. Саме ця діаграма згодом стала частиною знаменитого циклу Карно (Сади Карно, 1796-1832) в теоретичній термодинаміки.
Оскільки в паровій машині подвійної дії шток поршня робив що тягне і штовхає дію, колишню приводную систему з ланцюгів і коромисла, яка реагувала тільки на тягу, довелося переробити. Уатт розробив систему зв'язаних тяг і застосував планетарний механізм для перетворення зворотно-поступального руху штока поршня в обертальний рух, використовував важкий маховик, відцентровий регулятор швидкості, дисковий клапан і манометр для вимірювання тиску пари.
Робота циліндра «подвійної дії»
Пам'ятник Джеймсу Уатту.