Паровая машина

Честь создания паровой машины досталась скромному механику из университета в городе Глазго Джеймсу Уатту (1736 – 1819), который понял то, мимо чего проходили многие инженеры и ученые: 1) паровая рубашка вокруг цилиндра, поддерживающаястенки цилиндра в разогретом состоянии при температуре близкой к температуре поступающего в него пара; 2) конденсация пара в отдельном сосуде – конденсаторе; 3) цилиндр двойного действия; 4) механизм для автоматического парораспределения; 5) преобразование поступательного движения поршня во вращательное движение вала; 6) введение в механизм паровой машины регулятора частоты вращения.

Д.Уаттом было сделано то, что в конечном итоге превратило паровую машину в универсальный промышленный двигатель, способный без непосредственного участия человека превращать тепловую энергию топлива в механическую работу.

Примечание. Джеймс Уатт (James Watt, 1736 - 1819) – великий английский изобретатель, инженер, ученый. В 1769 году получил патент на паровую машину простого действия с конденсатором, в 1782 году получил патент на машину двойного действия. С 1784 г. – член Эдинбургского Королевского общества, с 1785 г. – член Лондонского королевского общества, с 1806 г.- доктор юридических наук, с 1816 г. – член Парижской академии наук.

Принцип действия паровой машины показан на рисунке 4. Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передается главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке применяется центробежный регулятор 9, автоматически изменяющий сечение прохода пара, поступающего в цилиндры (дроссельное регулирование), или изменяющий момент отсечки наполнения (количественное регулирование).

Судьба паровой машины - универсального промышленного двигателя была блистательной, она подняла на своих плечах весь XIX век – «век пара», проникла во все отрасли производства, на сухопутный, морской и речной транспорт, произвела настоящую революцию в промышленности и техники, границы и масштабы которой, трудно охарактеризовать в нескольких; словах. Сегодня мы не можем не быть благодарны ей за ее почти двух вековую службу человеку. За этот период мощность паровой машины выросла с 20 до 20000 л.с., коэффициент полезного действия увеличился с 2 до 20%, давление и температура пара достигли 20 МПа и 400⁰С соответственно, число оборотов превысило 1000 оборотов в минуту.

Д.Уатту выпало редкое счастье видеть повсеместное, триумфальное распространение своего главного изобретения жизни. На его памятнике в Вестминстерском аббатстве начертаны слова: «...применив к усовершенствованию паровой машины силу творческого гения, расширил производительность своей страны, увеличил власть человека над природой и занял выдающееся место среди наиболее прославившихся людей науки и истинных благодетелей человечества».

Рисунок 4 – Паровая машина Д.Уатта

Русский историк техники Николай Божерянов писал: «Без преувеличения можно сказать, что все завоевания англичан в Индии меньше обогатили и усилили их, нежели открытия Д.Уатта».

«Бунт» паровых машин

Усилия инженеров, разрабатывавших все более совершенные паровые машины, были направлены, прежде всего, на увеличение их мощности. Простейший путь к достижению этой цели - расширить объем цилиндра, увеличив его диаметр и длину. Но увеличение диаметра приводило к большому просачиванию пара между поршнем и стенкой цилиндра. Тщательное уменьшение зазора приводило к резкому возрастанию трения, что приводило к падению мощности машины. К такому же результату приводило и удлинение поршня. Удлинение самого цилиндра требовало удлинить ход поршня, а значит утяжелить кривошипно-шатунный механизм, что влекло за собой необходимость делать маховик более массивным, ему предстояло протащить через «мертвую точку» и вернуть в исходное положение ставший более массивным поршень.

Борьба за увеличение мощности паровых машин стави­ла перед инженерами все более сложные задачи. Чтобы их решить, казалось выгодным увеличить расход пара, однако при этом возрастал диаметр паропровода, росли размеры и масса регулирующей заслонки. Чтобы при этом управлять машиной, приходилось все более увеличивать массы гру­зов в центробежных регуляторах и таким образом утяже­лять удерживающие их рычаги и муфту. Одновременно инженеры делали машины все более быстроходными, что позволяло им уменьшать и облегчать маховики.

Идя этим путем, инженеры одновременно повышали точность изготовления и качество обработки движущихся частей машины и регулятора. Тщательная обработка стенок цилиндра и многочисленных подшипников снижала трение. Однако по мере увеличения мощ­ности паровых машин и улучшения их деталей, все чаще возникали жалобы на их неустойчивую работу. Чтобы поддерживать число оборотов приходилось непрестанно вручную манипулировать заслонкой (и это при том, что на машине был установлен регулятор), и ни­какие усилия инженеров не позволяли отрегулировать машины так, чтобы они действовали так же устойчиво и послушно, как более старые и менее мощные машины, созданные при Д.Уатте.

Подозрение пало, прежде всего, на регулятор Уатта. Обращали на себя внимание два главных недостатка регулятора Уатта: а) регулятор начинает действовать, когда изменение скорости вращения уже произошло (в дальнейшем такой принцип регулирования получил название «принцип регулирования по отклонению»; б) регулятор поддерживает скорость вращения с некоторой погрешностью – на малых нагрузках несколько выше заданной, на больших – ниже (в дальнейшем такое свойство регуляторов получило название «неравномерность регулятора», а сами регуляторы стали называться статическими). Неравномерность можно был уменьшить, переместив опору рычага ближе к измерителю частоты вращения, однако при этом уменьшался момент, развиваемый грузами регулятора, что, в свою очередь, требовало увеличения их массы. И опять возникала парадоксальная ситуация: чем успешнее инженеры устраняли неравномерность регулятора, тем сложнее было его налаживать, тем менее эффективно он действовал, и тем чаще машина выходила из заданного режима.

Десятки тысяч паровых машин «взбунтовались» против своих создателей и владельцев. Инженеры должны были признать свое бессилие. Никто не мог гарантировать, что новый экземпляр машины, изго­товленный в точности по образцу предшествующей, будет работать надежно. Никто, приступая к наладке машины, не был уверен, что ему удастся ее укротить. В 1868 году только в Англии работало примерно 75000 паровых машин, которые были снабжены регуляторами Уатта. Причем большинство из них работало ненадежно. Машины, оборудованные ре­гуляторами других типов (к тому времени появились другие регуляторы, свободные от недостатков, при­сущих регуляторам Уатта), отличались еще меньшей надеж­ностью.

Возникла острая необходимость в создании теории регулирования машин, могущей, ответить на вопросы промышленной практики. Из многих сотен ученых и инженеров, работавших в XIX веке над вопросами теории регулирования машин, нужно выделить трех: 1) английского физика - профессора в Кембридже Джеймса Клерка Максвелла (1831 - 1879); 2) русского инженера - профессора Санкт-Петербургского технологического института Ивана Алексеевича Вышнеградского (1831 - 1895) и 3) словацкого инженера - профессора Цюрихского Политехникума Ауреля Стодолу (1859 - 1942), фундаментальные работы которых создали то, что сейчас называется классической линеаризованной теорией автоматического регулирования (ТАР).