«Атмосферная»
машина Ньюкомена
Изобретателем первой машины,
преобразовывавшей тепловую энергию в механическую работу по перемещению поршня,
был английский баптистский проповедник и торговец скобяными изделиями Ньюкомен
(Thomas Newcomen). Опытный образец своей машины Ньюкомен
построил в 1705 году с помощью слесаря и стеклодува Колли (John Calley), а
работы по доводке конструкции до уровня исправно работающего промышленного
образца продолжались до 1712 года.
Конструкция и способ работы машины
Прототипом изобретения Ньюкомена послужил
насос Сомерсета-Сейвери, в котором он заменил бак с водой на цилиндр В с поршнем Р (cм. Рис.1)
аналогично тому, как это было в демонстрационном устройстве Папена. Наличие
поршня позволило Ньюкомену с помощью оригинального рычажно-цепного механизма
создать привод не всасывающего, а нагнетательного насоса и создать тем самым возможность
откачки воды из сколь угодно глубоких шахт.
В машине Ньюкомена шток поршня Р прикреплялся цепью к концу D коромысла, а второй конец коромысла F был также через цепь
присоединён к массивной болванке, соединённой через шарнир со штоком насоса.
Рис. 1. Схема
машины Ньюкомена
Поршень Р
совершал циклическое возвратно-поступательное движение, причём каждый цикл
разделялся на два такта.
1. В момент, когда поршень находился в крайнем
нижнем положении, открывался клапан V, связывающий бойлер А с полостью цилиндра В
под поршнем. При этом под давлением пара поршень сдвигался вверх, а на
освободившееся место поступал пар, имеющий ту же температуру и давление, что и
в бойлере.
Во время первого такта болванка,
прикреплённая к штоку поршня насоса, смещалась вниз. При этом сила тяжести
болванки совершала полезную работу по перемещению вниз поршня нагнетательного
насоса.
2. В момент, когда поршень Р находился в крайнем верхнем положении,
закрывался клапан V и открывался клапан V ', через который в полость цилиндра впрыскивалась холодная вода,
поступающая по отдельной трубе. Охлаждённый этой водой пар конденсировался,
давление в полости цилиндра В падало
ниже атмосферного. В этот период атмосферное давление перемещало поршень вниз,
одновременно поднимая с помощью цепи болванку в её верхнее положение.
При
подходе поршня к крайнему нижнему положению клапан V ' закрывался и
открывался клапан V '', через который вода из полости
цилиндра сливалась наружу, после чего клапан V '' закрывался.
Управление всеми клапанами сначала осуществлялось
вручную, а, начиная с 1715 года, рычажным механизмом, приводимым от штока
поршня Р.
Поскольку на втором такте – основном
рабочем такте машины – поршень перемещался под действием атмосферного давления,
Ньюкомен назвал свою машину «атмосферной».
Анализ рабочего цикла.
Кроме усилия, передаваемого через шток, на
поршень машины Ньюкомена в каждый момент времени t действовали две силы:
- постоянная сила атмосферного давления Раt, направленная вниз;
- зависящая от времени сила давления пара Pst(t), направленное вверх.
Работа W, производившаяся этими
силами в течение рабочего цикла, определяется формулой:
2τ
W = ∫ [Pst(t) – Раt] dx/dt dt,
0
где
х(t) – расстояние поршня
от нижней крайней точки в момент t,
τ – длительность одного такта,
Поскольку атмосферное давление постоянно,
его суммарная работа за цикл равна нулю и, следовательно,
2τ
Н
W = ∫Pst(t) dx/dt dt = ∫ [Pst↑(х) – Pst↓(х)] dx,
(1)
0 0
где
H – высота
цилиндра,
Pst↑(х), Pst↓(х) – сила давления пара при прохождении
поршня через точку х снизу вверх и
сверху вниз соответственно.
Таким образом, несмотря на название,
работа, производимая машиной Ньюкомена, не зависела от атмосферного давления, а
определялась разностью давлений пара при движении поршня снизу вверх и сверху
вниз. Из-за принятых мер по конденсации пара при движении поршня вниз,
подынтегральное выражение в правой части (1) положительно и, следовательно,
преобладала работа по выталкиванию поршня вверх.
Недостатки конструкции
Из формулы (1) следует, что для получения
максимальной работы за цикл нужно постараться увеличить давление при движении
поршня вверх и уменьшить – при движении вниз. С этой точки зрения принятый в
машине Ньюкомена способ понижения давления при движении поршня вниз с помощью
впрыскивания холодной воды обладал существенным недостатком – при впрыскивании
холодной воды охлаждались стенки цилиндра и, значит, при движении поршня вверх
на следующем цикле пришедший из бойлера пар должен был потратить часть своей
энергии на нагрев стенок, а компенсация этих потерь приводила в конечном счёте
к увеличению расхода топлива.
Второй недостаток, усложнявший эксплуатацию
машины, был следствием слива воды из полости цилиндра. Это требовало постоянной
подпитки бойлера свежей водой, что вызывало отложение накипи на дне и стенках бойлера.
Существенным ограничением сферы применения
машины Ньюкомена было наличие в ней только возвратно-поступательного движения.
Поэтому она использовалась почти ключительно для откачки воды из шахт.
/* Попытка применения паровой машины для
привода воздуходувных мехов плавильных печей была предпринята в 60-х годах XVIII века русским механиком И.И. Ползуновым на Колывано-Воскресенских заводах.
Выбрав в качестве прототипа машину Ньюкомена, Ползунов разработал свою
оригинальную конструкцию и предложил ряд удачных решений в системе
водораспределения и передачи движения. В 1766 году на Барнаульском заводе был
построен опытный образец машины, однако в самом начале работ по его испытаниям
и доводке Ползунов умер от туберкулёза */.
Дата последнего обновления: 17.12.09
