Зрілість промислової революції

(1815…1918 рр.)

У цей період повністю розвернули свої можливості США, Франція й Германія. Цей період ознаменувався розвитком залізниць, океанського пароплавства, створенням ряду двигунів (водяної турбіни, парової турбіни й двигунів внутрішнього згорання), появою автомобіля та аероплана, розвитком електроенергетики і т.п.

3.6.1. Водяна турбіна

Незважаючи на простоту конструкції водяної турбіни, в якій вода діє на лопаті в щільно пригнаній камері, створення водяної турбіни вимагало переборення ще багато труднощів. І тільки пізніше наукові дослідження гідродинаміки, виконані в кінці ХVІІІ століття (роботи Ейлера та інших), рядом вчених, поступово доводили до розуміння принципів дії водяної турбіни.

Існувала велика серйозність інженерного порядку. Для забезпечення достатньо прийнятної роботи турбіни необхідна була точна підгонка порівняно швидкорухомих частин. На початку ХІХ століття ця проблема була вирішена. Завдяки роботам французів (перш за все) Бурдена й Фунейрона (1827 р.) було покладено початок промислового виготовлення і використання гідротурбін. І з 1832 року, коли Фунейрон побудував турбіну потужністю 50 кінських сил, водяні турбіни стали широко використовуватись у техніці. Їх одинична потужність до 1855 р. збільшилась до 800 к.с.

3.6.2. Електрика. Електрогенератори та електродвигуни

Практичне використання електрики було одним із найбільших досягнень ХІХ століття.

1808 рік – Деві запропонував дугову лампу.

1821 рік – Фарадей розробив теоретичні основи дії електродвигуна.

1831 рік – Фарадей розробив теоретичні основи динамомашини.

1832 рік – Шилінг П.А. а в 1837 році одночасно американець Семюель Морзе та англійці Кук і Уітсон винайшли телеграф (морзянка).

1861 рік – Філіп Рейс і пізніше 1876 р. Белл Олександр винайшли телеграф з передачею усної мови (телефон).

Поряд з винайденням телеграфу й телефону, винайдення можливості передачі енергії електричним струмом здійснили не менш великі перетворення. Це дозволило підвести енергію до невеликих установок, до приладів домашнього вжитку, до індивідуальних приводів заводських машин. При цьому виробництва позбавлялись від незручних, непродуктивних і дуже шумливих трансмісій. Було покінчено з необхідністю установлювати верстати навколо парового (водяного, вітрового) двигуна.

Електрика зробила можливим будівництво фабрик за межами перенаселених міст, на віддаленні від районів видобутку вугілля, до яких вони раніше були прив’язані і в сільській місцевості з її більш здоровими для робітників умовами. Якщо ж фабрики за іншими причинами необхідно було зосереджувати в одному місці, то паливо можна було спалювати подалі від них, не забруднюючи тут атмосферу кіптявою й димом, подаючи сюди електроенергію здалеку.

Над створенням електрогенераторів (динамомашин) працював цілий ряд винахідників.

1870 рік – Грамм винайшов кільцевий (електричний) генератор, що розцінювався тоді як найбільш велике досягнення в справі створення генераторів. Це стало поштовхом до широкого впровадження цих генераторів у промисловість.

1880 рік – Едісон довів майже до завершеності конструкцію електрогенераторів, так що останні, що були у вжитку в 1882 році відрізнялись від сучасних тільки вугільною щіткою, введеною в 1883 р., і іншою обмоткою.

1880 рік – Едісон розробив передачу електроенергії по кабелях і провідниках.

1889 рік – Ферранті зі своїми генераторами змінного струму на 10000 вольт займав перспективний напрямок, бо створив можливість передачі електричної енергії на великі відстані. Це дало змогу укрупнити потужності електростанцій, розмістивши їх в місцях знаходження природної енергії (вугілля, вода, вітер).

1900 рік – На передових підприємствах почали широко упроваджуватись електродвигуни замість незграбних, шумливих і небезпечних навісних трансмісій з ремінними приводами. Спочатку двигуни просто пристосовували до існуючих механізмів, але далі почали будувати верстати з індивідуальними двигунами.

3.6.3. Парова турбіна

Одним із найважливіших технічних засобів сучасної технології вироблення електроенергії є парова турбіна. Досить згадати хоч би те, що дві перші схеми парових двигунів, запропоновані Героном (рис. 3.8) у 70-ті роки до н.е. і Бранкі (рис. 3.16) у 1629 р. н.е. були паровими турбінами, хоч і не відіграли ніякої практичної ролі. Успіх поршневих парових машин ослабив увагу до турбін. До того ж ерудованим інженерам того часу ставали все більш очевидними труднощі зі створення робочої парової турбіни. Швидкості обертання роторів турбін далеко виходили за рамки можливостей тих часів, а необхідна точність підгонки деталей за таких високих швидкостей залишалась нерозв’язаною в інженерному відношенні до самого кінця ХІХ ст..

І все ж таки парова турбіна, якби її удалось зробити, обіцяла дійсно визначені вигоди – високий ККД, підвищену потужність і позбавлення від достатньо складного процесу перетворення сили пари в обертальний рух за допомогою поршневого пристрою.

Незважаючи на неоднократні спроби, перші промислові турбіни були створені тільки в кінці ХІХ століття.

1884 рік – Ч. Парсонс запатентував свою багатоступеневу турбіну

(рис. 3.21). Почалось масове використання парових турбін у техніці.

Рис. 3.21. Перший турбогенератор Парсонса

1891 рік – Ч. Парсонс обладнав парову турбіну конденсатором, що підняло її ККД і зробило її конкурентноздатною з поршневим паровим двигуном. Після цього парова турбіна стала швидко впроваджуватись на багатьох електроцентралях і незабаром обігнала за своїми габаритами й ККД найкрупніші поршневі машини.

1912 рік – З’явились турбогенератори потужністю 25000 кВт (біля 33000 к.с.), у той час як максимальна потужність поршневих парових машин ніколи не піднімалась вище 20000 к.с.

Установки такої величезної потужності були потрібні тільки електроенергетиці й судноплавству. У 1905 році в Англії було прийнято рішення про переведення всіх без виключення військових кораблів на паротурбінну тягу. У 1909 році Парсонс приступив до розроблення системи приводів гребних гвинтів з редукторами. Це дало можливість прилаштувати парові турбіни до використання на тихохідних вантажних суднах.

У наші часи парові турбіни використовують також у приводах середньої та малої потужності, особливо там, де є дешева водяна пара. У таких умовах можна досягнути значної економії більш дорогої електричної енергії. Конструкція привода не часто потребує використання редукторів, бо є можливість прямого підключення парових турбін до робочих механізмів і регулювати швидкість обертання парової турбіни подачею водяної пари в турбіну.

3.6.4. Двигун внутрішнього згорання

(Етапи створення)

Ідея спалювання палива безпосередньо в циліндрі під поршнем сама по собі простіша складного теплового циклу, що включає топку, котел і циліндр. Саме з цієї причини перші спроби зі створення двигунів внутрішнього згорання безпосередньо передували періоду створення робочих парових машин. Про спроби Гюйгенса, направлені на створення парового двигуна приблизно в 1680 році, ми вже згадували раніше у нашому курсі лекцій. Але якщо двигун внутрішнього згорання за своїм принципом дії є простішим за парову машину, то в інженерному відношенні його реалізувати набагато важче. Тому створення робочої парової машини тимчасово призупинило роботи над двигуном внутрішнього згорання.

І все ж, винахідників привабили деякі особливості двигуна внутрішнього згорання. Серед цих особливостей: простота дії, мала вага й невеликі габарити, що стали можливими завдяки усуненню колосників й котла, перспектива підвищення ККД завдяки усуненню втрат в димоході, котлі й паропроводах, можливість побудови невеликих двигунів, зручних для невеликих заводів і майстерень (невеликі паросилові установки не рентабельні). З усіх цих причин, починаючи з 90-х років ХУІІІ ст. відновились спроби створити двигуни внутрішнього згорання різних типів.

20 роки ХІХ ст. Створено двигун на газовому паливі.

З 1860 року двигун на газовому паливі стає вже двигуном промисловим.

З 1873 р. почалось створення двигунів на базі бензину, гасу, мазуту.

1876 р. Завершується в основному розвиток „безшумного газового двигуна” Отто.

1885 р. Даймлеру Г. першому вдалось скористатись виграшем потужності за рахунок числа обертів. Він створив бензиновий двигун, що є прототипом сучасного двигуна легкого палива.

1885 р. Бенц К. створив двигун з малим числом обертів, обладнаним системою запалювання від електричної іскри, що в подальшому одержало широке розповсюдження.

У 1883 р. В. Майбах обладнав двигун К.Бенца карбюратором із поплавковою камерою. Після чого двигуни на легкому паливі вже одержали всі характерні признаки сучасних двигунів цього класу.

Приблизно до цього часу відноситься й створення двигунів на важкому паливі.

1886р. Дент і Прістман запатентували двигун, що працював на важких продуктах перегонки нафти.

1890р. Успішно пройшов випробування двигун Аккройда-Стюарта, що працював на більш важких фракціях.

І все ж, ці двигуни були ще недостатньо ефективними.

1892р. Дизель отримав патент на двигун, пізніше названий на його честь. Конструкція двигуна була створена на більш глибоких наукових основах, завдяки чому він міг працювати навіть на мазуті й практично на будь-якому рідинному паливі, незабаром потужність цього двигуна була доведена до рівня потужностей парових установок і ККД дизельних двигунів перевершив таки для парових установок.

1930 р. На нових морських суднах дизельні установки ставились частіше, ніж парові турбіни.

1886 р. Даймлер поставив на велосипед свій легкий двигун з великим числом обертів. У цьому ж році він пристосував цей двигун до чотириколісної коляски.

1889 р. З’явився перший автомобіль Даймлера й далі незабаром автомобілі інших винахідників.

1904 р. До використання стали входити автобуси й вантажні машини з двигунами на легкому паливі.

3.6.5. Винахід літаків

(Етапи створення)

1783 р. Брати Монгофер (Франція): політ на повітряній кулі наповненій нагрітим повітрям.

1783 р. Політ на водневому аеростаті.

1785 р. Переліт на аеростаті через Ла-Манш.

1785 р. Використання аеростатів в армії Франції.

1852 р. Керований аеростат Анрі Жіффара, обладнаний паровим двигуном пролетів 28 км зі швидкістю 6...8 км/г.

1884 р. З цього часу дирижаблі почали використовувати практично для багатьох цілей.

1809, 1810 р. Дж. Кейлі сформулював принципи управління апаратом важчим від повітря.

1840 р. Почалися досліди з моделями аероплана з двигунами.

1857 р. Одна із моделей аероплана піднялась у повітря і нормально приземлилась.

1891 р. Отто Лілієнталь (Німеччина) сконструював і здійснив багато польотів на керованих людиною планерах.

З 90-х років почалися роботи зі створення керованих планерів з двигунами.

1900…1908 рр. Брати Райт почали свої польоти на керованих планерах з двигунами (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Перший політ братів Райт

Аероплан пілотується Орвіллом Райтом (лежачим на нижнім крилі).

Уілбур Райт стоїть справа.

1909 р. Блері перелетів через Ла-Манш на керованому планері з двигуном.

1914 р. Планери з двигунами стали достатньо надійними й почали використовуватись у військових цілях.

1919 р. Елькок і Браін перелетіли на літаку через Атлантичний океан.

1920 р. Почалось використання літаків як засобів пасажирського транспорту.