증기 기관을 만드는 방법. 증기 기관의 창조와 그 응용의 역사 증기 기관

산업영국은 많은 연료가 필요했고 숲은 점점 작아지고 있었습니다. 이와 관련하여 석탄 추출은 매우 관련성이 있습니다.
채광의 주요 문제는 물이었고, 펌프질할 시간보다 더 빨리 광산에 범람했고, 개발된 광산을 버리고 새로운 광산을 찾아야 했습니다.
이러한 이유로 물을 펌핑하는 메커니즘이 시급하게 필요하여 최초의 증기 기관이되었습니다.

증기 기관 개발의 다음 단계는 창조였습니다. 1690년) 피스톤 증기 기관, 유용한 작업증기를 가열하고 응축함으로써.

1647년 프랑스 블루아에서 태어났다. 앙제 대학교에서 의학을 공부하고 박사 학위를 받았지만 의사가 되지는 못했습니다. 여러 면에서 그의 운명은 네덜란드 물리학자 H. Huygens와의 만남으로 미리 결정되었으며, 그의 영향으로 Papen은 물리학과 역학을 연구하기 시작했습니다. 1688년에 그는 Huygens가 파리 과학 아카데미에 제출한 피스톤이 있는 실린더 형태의 분말 엔진 프로젝트에 대한 설명(건설적인 추가 사항과 함께)을 출판했습니다.
Papin은 또한 원심 펌프의 설계를 제안했으며 유리 용해로, 증기 마차 및 잠수함을 설계했으며 압력솥과 물을 들어 올리는 여러 기계를 발명했습니다.

세계 최초의 압력솥:

1685년에 파팽은 (위그노의 박해 때문에) 프랑스를 떠나 독일로 강제 이주되었고 그곳에서 그의 기계 작업을 계속했습니다.
1704년 베커하겐 공장에서 세계 최초의 실린더를 주조했습니다. 증기 기관그리고 같은 해에 그는 증기 동력 보트를 만들었습니다.

Denis Papin의 첫 번째 "기계"(1690)

실린더 안의 물은 가열되면 증기가 되어 피스톤을 위로 움직이고, 냉각되면(증기응축) 진공이 생성되어 대기압력은 피스톤을 아래로 밀어냅니다.

기계가 작동하도록 하려면 밸브 스템과 스토퍼를 조작하고 화염원을 이동하고 물로 실린더를 냉각시켜야 했습니다.

1705년에 Papin은 두 번째 증기 기관

수도꼭지(D)가 열리면 보일러(오른쪽)의 증기가 중간 탱크로 흘러 들어가고 피스톤을 통해 왼쪽 탱크로 물을 밀어넣습니다. 그 후, 밸브(D)를 닫고, 밸브(G)와 (L)을 열고, 깔때기에 물을 첨가하고, 중간 용기에 새로운 부분을 채우고, 밸브(G)와 (L)을 닫히고 사이클이 반복되었습니다. 따라서 물을 높이 올릴 수있었습니다.

1707년 Papin은 1690년 작품에 대한 특허를 신청하기 위해 런던에 왔습니다. 그 당시 Thomas Savery와 Thomas Newcomen의 기계가 이미 등장했기 때문에 작품은 인식되지 않았습니다(아래 참조).

1712년 데니스 파팽은 가난하게 죽어 아무 표시도 없는 무덤에 묻혔습니다.

최초의 증기 기관은 물을 펌핑하기 위한 부피가 큰 고정식 펌프였습니다. 이것은 광산과 탄광에서 물을 퍼낼 필요가 있었기 때문입니다. 광산이 깊을수록 남아있는 물을 퍼내기가 더 어려워졌고, 그 결과 미개발 광산을 버리고 새로운 곳으로 옮겨야 했습니다.

1699년, 영국 엔지니어는 광산에서 물을 펌핑하도록 설계된 "소방차"의 발명으로 특허를 받았습니다.
Severi의 기계는 엔진이 아닌 증기 펌프이며 피스톤이 있는 실린더가 없었습니다.

Severi 기계의 주요 하이라이트는 증기가 다음에서 생성되었다는 것입니다. 별도의 보일러.

참조

토마스 세이버리 자동차

수도꼭지 5가 열리면 보일러 2의 증기가 용기 1에 공급되어 파이프 6을 통해 물이 배출됩니다. 동시에 밸브 10은 열리고 밸브 11은 닫힙니다. 주입이 끝나면 밸브 5를 닫고 밸브 9를 통해 용기 1에 냉수를 공급했습니다. 용기 1의 증기는 냉각되고 응축되며 압력이 떨어지고 튜브 12를 통해 물을 흡입합니다. 밸브 11이 열리고 밸브 10이 닫힙니다.

Severi의 펌프는 전력이 부족하고 연료를 많이 소모하며 간헐적으로 작동했습니다. 이러한 이유로 Severi의 기계는 널리 사용되지 않았고 "왕복 증기 기관"으로 대체되었습니다.

1705년 Severi(독립형 보일러)와 Papin(피스톤이 있는 실린더)의 아이디어를 결합하여 제작 피스톤 스팀 펌프광산에서 일하기 위해.
기계를 개선하기 위한 실험은 제대로 작동하기 시작할 때까지 약 10년 동안 지속되었습니다.

토마스 뉴커먼 소개

1663년 2월 28일 다트머스에서 태어났다. 직업별 대장장이. 1705년에 땜장이 J. Cowley와 함께 증기 펌프를 만들었습니다. 당시에는 매우 효과적이었던 이 증기 대기 기계는 광산에서 물을 퍼 올리는 데 사용되었으며 18세기에 널리 보급되었습니다. 이 기술은 현재 건설 현장의 콘크리트 펌프에 사용됩니다.
Newcomen은 T. Severi에 의해 1699년에 스팀 워터 리프트가 특허를 받았기 때문에 특허를 얻을 수 없었습니다. Newcomen 증기 기관은 범용 엔진이 아니었고 펌프로만 작동할 수 있었습니다. Newcomen은 피스톤의 왕복 운동을 사용하여 선박의 외륜을 돌리려는 시도는 실패했습니다.

그는 1729년 8월 7일 런던에서 사망했습니다. Newcomen의 이름은 "영국 기술사 협회"입니다.

토마스 뉴커먼의 자동차

먼저 증기가 피스톤을 올린 다음 약간의 차가운 물이 실린더에 주입되고 증기가 응축되어(따라서 실린더에 진공이 형성됨) 피스톤이 대기압의 영향을 받게 됩니다.

"Papin 실린더"(실린더가 보일러 역할을 함)와 달리 Newcomen의 기계에서는 실린더가 보일러에서 분리되었습니다. 따라서 다소 균일한 작업을 달성할 수 있었습니다.
기계의 첫 번째 버전에서는 밸브가 수동으로 제어되었지만 나중에 Newcomen은 적절한 시간에 해당 탭을 자동으로 열고 닫는 메커니즘을 고안했습니다.

사진

실린더 정보

Newcomen 기계의 첫 번째 실린더는 구리로 만들어졌으며 파이프는 납으로 만들어졌으며 로커는 나무로 만들어졌습니다. 작은 부품은 가단성 철로 만들어졌습니다. 약 1718년 이후 Newcomen의 후기 기계에는 주철 실린더가 있었습니다.
실린더는 Colbrookdale에 있는 Abraham Derby의 주조 공장에서 만들어졌습니다. Darby는 주조 기술을 개선하여 충분한 실린더를 얻을 수 있었습니다. 양질. 실린더 벽의 다소 규칙적이고 매끄러운 표면을 얻기 위해 기계가 총구를 뚫는 데 사용되었습니다.

이 같은:

약간의 수정으로 Newcomen의 기계는 50년 동안 산업용으로 적합한 유일한 기계로 남아 있었습니다.

1720년 2기통 증기 기관에 대해 설명했습니다. 이 발명은 그의 주요 작품 "Theatri Machinarum Hydraulicarum"에 발표되었습니다. 이 원고는 기계 공학에 대한 최초의 체계적인 분석이었습니다.

Jacob Leopold가 제안한 기계

납으로 만들어진 피스톤은 증기압에 의해 올라가고 자체 무게에 의해 낮아진다고 가정했습니다. 기중기 (실린더 사이)에 대한 아이디어는 증기가 한 실린더에 유입되고 동시에 다른 실린더에서 방출되면서 흥미롭습니다.
Jacob이 이 차를 만든 것이 아니라 그가 디자인했을 뿐입니다.

1766년알타이 광산 및 야금 공장에서 정비사로 일하는 러시아 발명가는 러시아 최초이자 세계 최초의 2기통 증기 기관을 만들었습니다.
Polzunov는 Newcomen의 기계를 업그레이드하고(그는 연속 작동을 보장하기 위해 하나가 아닌 두 개의 실린더를 사용했습니다) 이 기계를 사용하여 제련로의 벨로우즈를 작동시킬 것을 제안했습니다.

슬픈 도움

당시 러시아에서는 증기 기관이 실제로 사용되지 않았으며 Polzunov는 Newcomen 증기 기관을 설명하는 I.A. Schlatter가 저술한 "A Detailed Instruction to Mining"(1760) 책에서 모든 정보를 받았습니다.

이 프로젝트는 캐서린 2세 황후에게 보고되었습니다. 그녀는 그를 승인하고 I.I. Polzunov를 "기술자 대위 중위의 계급과 계급을 가진 정비공"으로 승진시키고 400 루블을 보상으로 받았습니다 ...
Polzunov는 처음에는 새로운 발명에서 불가피한 모든 단점을 식별하고 제거할 수 있는 작은 기계를 만들 것을 제안했습니다. 공장 당국은 이에 동의하지 않고 즉시 거대한 기계를 만들기로 결정했습니다. 1764년 4월, Polzunov는 건설을 시작했습니다.
1766년 봄, 대부분의 공사가 완료되고 테스트가 진행되었습니다.
그러나 5월 27일 Polzunov는 소비로 사망했습니다.
그의 제자인 Levzin과 Chernitsyn만이 증기 기관의 마지막 테스트를 시작했습니다. 7월 4일자 '데이노트'에는 '엔진의 정상작동'이 기록되어 있으며, 1766년 8월 7일에는 증기기관과 강력한 송풍기의 전체 설비가 가동되었습니다. 불과 3개월 만에 Polzunov의 기계는 7233루블 55코펙의 건설 비용을 모두 정당화할 뿐만 아니라 12640루블 28코펙의 순이익을 냈습니다. 그러나 1766년 11월 10일 기계에서 보일러가 타버린 후 15년 5개월 10일 동안 공회전 상태가 되었습니다. 1782년에 자동차가 해체되었습니다.

(백과 사전 알타이 영토. 바르나울. 1996. V. 2. S. 281-282; 바르나울. 도시의 연대기. 바르나울. 1994. 파트 1. p. 30).

폴주노프의 차

작동 원리는 Newcomen 기계와 유사합니다.
증기로 채워진 실린더 중 하나에 물이 주입되고 증기가 응축되고 실린더에 진공이 생성되어 대기압의 영향으로 피스톤이 내려가고 동시에 증기가 다른 실린더로 들어가 상승했습니다.

실린더로의 물과 증기 공급은 완전히 자동화되었습니다.

증기 기관의 모형 I.I. 1820년대의 원본 도면에 따라 제작된 Polzunov.
바르나울 지역 박물관.

1765년 제임스 와트에게글래스고 대학에서 기계공으로 일하던 그는 Newcomen의 기계 모델을 수리하라는 의뢰를 받았습니다. 누가 그것을 만들었는지 알려지지 않았지만 그녀는 몇 년 동안 대학에 있었습니다.
John Anderson 교수는 Wat에게 이 기이하지만 변덕스러운 장치에 대해 무엇인가 할 수 있는지 보도록 제안했습니다.
와트는 수리뿐만 아니라 기계도 개선했습니다. 그는 증기를 냉각하기 위한 별도의 용기를 추가하고 그것을 콘덴서라고 불렀습니다.

신인 증기 기관 모델

모델에는 15cm의 작동 스트로크가있는 실린더 (직경 5cm)가 장착되어 있으며 Watt는 일련의 실험을 수행했으며 특히 금속 실린더를 나무로 교체하고 아마 인유로 윤활하고 오븐에서 건조했으며, 한 사이클에서 발생하는 물의 양을 줄이고 모델이 작동했습니다.
실험을 하는 동안 Watt는 기계의 비효율성을 확신하게 되었습니다.
각각의 새로운 사이클에서 증기 에너지의 일부는 실린더를 가열하는 데 사용되었으며, 증기를 냉각하기 위해 물을 주입한 후 냉각되었습니다.
일련의 실험 끝에 Watt는 다음과 같은 결론에 도달했습니다.
“... 완벽한 증기 기관을 만들기 위해서는 실린더가 항상 뜨거워야 하고 실린더에 들어가는 증기도 마찬가지입니다. 그러나 다른 한편으로는 진공을 형성하기 위한 증기의 응결은 30도 Réaumur”(섭씨 38도) 이하의 온도에서 일어나야 했습니다 ...

Watt가 실험한 Newcomen 기계의 모델

모든 것이 어떻게 시작되었는지...

Watt는 1759년에 처음으로 증기에 관심을 갖게 되었습니다. 이것은 그의 친구 Robison에 의해 촉진되었습니다. 그 후 그는 "증기 엔진의 힘을 사용하여 마차를 움직이게 하겠다"는 생각으로 서둘러 갔습니다.
같은 해에 로비슨은 북미로 싸우러 갔고, 와트는 그것 없이는 압도당했다.
2년 후 Watt는 증기 엔진에 대한 아이디어로 돌아갔습니다.

Watt는 "1761-1762년경에 Papen 가마솥에서 증기의 힘에 대한 몇 가지 실험을 했고 증기 기관과 같은 것을 만들었습니다. 그 위에 직경이 약 1/8인치이고 강력한 피스톤이 달린 주사기를 고정했습니다. , 보일러의 유입 밸브 스팀이 장착되어 있으며 주사기에서 공기 중으로 배출됩니다. 밸브가 보일러에서 실린더로 열렸을 때, 실린더로 들어가 피스톤에 작용하는 증기는 피스톤이 가해지는 상당한 하중(15파운드)을 들어 올렸습니다. 부하가 원하는 높이로 올라가면 보일러와의 연통이 닫히고 밸브가 열려 증기가 대기로 방출됩니다. 증기가 나오고 무게가 떨어졌습니다. 이 동작을 여러 번 반복했고, 이 장치는 손으로 탭을 돌리는데, 자동으로 돌리는 장치를 찾는 것이 어렵지 않았다.

A - 실린더; B - 피스톤; C - 하중을 걸기 위한 후크가 있는 막대; D - 외부 실린더(케이싱); E 및 G - 증기 입구; F - 실린더를 콘덴서에 연결하는 튜브; K - 커패시터; P - 펌프; R - 저수지; V - 증기에 의해 변위 된 공기 배출구 용 밸브; K, P, R - 물로 채워져 있습니다. 증기는 G를 통해 A와 D 사이의 공간으로 들어가고 E를 통해 실린더 A로 들어갑니다. 펌프 실린더 P(피스톤은 그림에 표시되지 않음)의 피스톤이 약간 상승하면 K의 수위가 떨어지고 A의 증기가 통과합니다. K로 들어간 다음 침전됩니다. A에서 진공이 얻어지고 A와 D 사이에 위치한 증기가 피스톤 B를 누르고 거기에 매달린 하중과 함께 피스톤 B를 올립니다.

Watt의 기계와 Newcomen의 기계를 구별하는 기본 아이디어는 절연된 응축실(증기 냉각)이었습니다.

시각적 이미지:

Watt의 기계에서 콘덴서 "C"는 작동 실린더 "P"에서 분리되었으며 지속적으로 가열 및 냉각할 필요가 없었기 때문에 효율성을 약간 높일 수 있었습니다.

1769-1770년에 광부 John Roebuck의 광산에서(Roebuck은 증기 기관에 관심을 갖고 Watt에게 잠시 자금을 지원했습니다) Watt 기계의 대형 모델이 만들어졌으며 1769년에 그의 첫 번째 특허를 받았습니다.

특허의 본질

Watt는 자신의 발명을 "소방차에서 증기와 연료 소비를 줄이는 새로운 방법"으로 정의했습니다.
특허(No. 013)에는 여러 가지 새로운 기술이 요약되어 있습니다. 와트가 엔진에서 사용한 위치:
1) 단열재, 스팀자켓으로 인해 실린더 벽의 온도를 유입되는 스팀의 온도와 동일하게 유지
차가운 몸과의 접촉 부족.
2) 별도의 용기에서 증기의 응축 ​​- 응축기, 온도는 주변 수준으로 유지되어야 합니다.
3) 펌프를 사용하여 응축기에서 공기 및 기타 비응축성 제거.
4) 과도한 증기 압력의 적용; 증기 응축을 위한 물이 부족한 경우 대기로 배출되는 초과 압력만 사용합니다.
5) 한 방향으로 회전하는 피스톤이 있는 "회전하는" 기계의 사용.
6) 부분 응축으로 작동(즉, 진공 감소). 특허의 동일한 단락은 피스톤 씰 및 개별 부품의 설계를 설명합니다. 당시 사용된 1기압의 증기압에서 별도의 응축기를 도입하고 그로부터 공기를 펌핑함으로써 증기와 연료의 소비를 절반 이상으로 줄일 수 있는 실질적인 가능성을 의미했습니다.

얼마 후 Roebuck은 파산했고 영국 기업가 Matthew Bolton은 Watt의 새로운 파트너가 되었습니다.
Roebuck과 Watt의 계약이 청산된 후 제작된 자동차는 해체되어 Soho에 있는 Bolton 공장으로 보내졌습니다. Watt는 오랫동안 거의 모든 개선 사항과 발명품을 테스트했습니다.

매튜 볼턴 소개

Roebuck이 Watt의 기계에서 무엇보다도 먼저 광산을 홍수로부터 보호하기 위해 개선된 펌프만 보았다면 Bolton은 Watt의 발명품에서 물레방아를 대체할 새로운 유형의 엔진을 보았습니다.
Bolton 자신은 Newcomen의 차를 개선하여 연료 소비를 줄이려고 했습니다. 그는 런던의 수많은 상류층 친구들과 후원자들을 기쁘게 하는 모델을 만들었습니다. 볼튼은 실린더에 냉각수를 주입하는 가장 좋은 방법에 대해 미국 과학자이자 외교관인 벤자민 프랭클린과 통신했습니다. 최고의 시스템밸브. Franklin은 이 분야에서 합리적인 조언을 할 수 없었지만 연료 절약을 달성하고 더 잘 태우고 연기를 제거하는 다른 방법에 주의를 기울였습니다.
볼튼은 신차 생산에 대한 세계 독점 이상을 꿈꿨습니다. 볼튼은 와트에게 이렇게 썼다. 크기."

볼튼은 이를 위한 전제 조건을 분명히 알고 있었습니다. 새차오래된 장인의 방식으로 만들 수 없습니다. 그는 와트에게 이렇게 썼습니다. 명성을 유지하고 발명을 정당화하는 가장 좋은 방법은 무지, 경험 부족 및 기술적 수단의 부족으로 인해 평판에 영향을 미칠 수 있는 많은 기술자의 손에서 생산을 중단하는 것입니다. 발명의.
이를 피하기 위해 그는 "당신의 도움으로 우리는 장비를 갖춘 우수한 직원을 특정 숫자로 유치하고 훈련할 수 있는 특수 공장을 건설할 것을 제안했습니다. 최고의 도구, 대장장이의 작업과 수학 도구의 대가 사이에 존재하는 솜씨의 차이만큼이나 이 발명품을 20퍼센트 더 저렴하게 만들 수 있었을 것입니다."
고도로 숙련된 작업자의 간부, 새로운 기술 장비 - 그것이 대규모로 기계를 만드는 데 필요한 것이었습니다. 볼턴은 이미 선진 19세기 자본주의의 용어와 개념에 대해 생각하고 있었습니다. 그러나 지금까지는 여전히 꿈이었다. Bolton과 Watt가 아니라 그들의 아들들, 30년 후, 기계의 대량 생산이 조직되었습니다 - 최초의 기계 제작 공장.

Bolton과 Watt는 Soho 공장에서 증기 엔진 생산에 대해 논의합니다.

증기 기관 개발의 다음 단계는 실린더 상부의 밀봉과 하부뿐만 아니라 실린더 상부에도 증기를 공급하는 것이었습니다.

그래서 Watt와 Bolton은 복동 증기 기관.

이제 증기는 실린더의 두 공동에 교대로 공급되었습니다. 실린더 벽은 외부 환경으로부터 단열되었습니다.

Watt 기계가 Newcomen 기계보다 더 효율적이기는 했지만 효율성은 여전히 ​​매우 낮았습니다(1-2%).

Watt와 Bolton이 자동차를 만들고 홍보하는 방법

18세기에는 제조 가능성과 생산 문화에 대해 의문의 여지가 없었습니다. 와트가 볼튼에게 보낸 편지에는 노동자들의 술취함, 절도, 게으름에 대한 불만으로 가득 차 있다. 그는 볼턴에게 보낸 편지에서 “우리는 소호에 있는 우리 노동자들을 거의 믿을 수 없다. - 제임스 테일러는 술을 더 많이 마시기 시작했습니다. 그는 완고하고 고의적이며 불행합니다. 카트라이트가 작업한 기계는 오류와 실수의 연속입니다. 스미스와 나머지 사람들은 무지하고 더 나쁜 일이 일어나지 않도록 매일 지켜봐야 합니다."
그는 볼튼에게 엄격한 조치를 요구했고 일반적으로 소호에서 자동차 생산을 중단하는 경향이 있었습니다. “모든 게으른 사람들은 지금까지처럼 부주의하면 공장에서 쫓겨날 것이라는 말을 들어야 합니다. 소호에서 기계를 만드는 데 드는 비용은 우리에게 막대한 비용이 들고, 생산을 개선할 수 없다면 아예 중단하고 일을 옆으로 분담해야 한다.

기계 부품을 만들기 위해서는 적절한 장비가 필요했습니다. 따라서 다른 공장에서 다른 기계 구성 요소가 생산되었습니다.
그래서 Wilkinson 공장에서는 실린더를 주조하고 구멍을 뚫고 실린더 헤드, 피스톤, 공기 펌프 및 콘덴서도 제작했습니다. 실린더용 주철 케이싱은 버밍엄에 있는 주조 공장 중 한 곳에서 주조되었고, 구리 파이프는 런던에서 가져왔고, 기계 건설 현장에서 작은 부품이 생산되었습니다. 이 모든 부품은 광산이나 공장의 소유자인 고객을 희생시켜 Bolton과 Watt가 주문했습니다.
점차적으로 별도의 부품을 현장으로 가져와 Watt의 개인 감독하에 조립했습니다. 나중에 그는 컴파일 자세한 지침기계 조립용. 가마솥은 일반적으로 현지 대장장이가 현장에서 리벳을 박았습니다.

가장 어려운 광산으로 간주되는 콘월 광산에서 탈수 기계를 성공적으로 가동한 후 Bolton과 Watt는 많은 주문을 받았습니다. 광산 소유주는 Newcomen의 기계가 무력한 곳에서 Watt의 기계가 성공한 것을 보았습니다. 그리고 그들은 즉시 와트 펌프를 주문하기 시작했습니다.
Watt는 일로 가득 차 있었습니다. 그는 몇 주 동안 그림에 앉아 기계 설치에갔습니다. 그의 도움과 감독 없이는 아무 것도 할 수 없었습니다. 그는 혼자였고 어디에서나 따라가야 했습니다.

증기 기관이 다른 메커니즘을 구동할 수 있으려면 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하고 휠을 플라이휠로 적용할 수 있는 균일한 운동이 필요했습니다.

우선 피스톤과 밸런서를 단단히 묶는 것이 필요했다(지금까지는 체인이나 로프를 사용했다).
Watt는 기어 스트립을 사용하여 피스톤에서 밸런서로의 전송을 수행하고 밸런서에 기어 섹터를 배치하려고 했습니다.

톱니 섹터

이 시스템은 신뢰할 수 없는 것으로 판명되었고 Watt는 이를 포기할 수 밖에 없었습니다.

토크 전달은 크랭크 메커니즘을 사용하여 수행되도록 계획되었습니다.

크랭크 메커니즘

그러나 이 시스템은 James Pickard가 1780년에 이미 특허를 받았기 때문에 크랭크를 포기해야 했습니다. Picard는 Watt에게 교차 라이선스를 제안했지만 Watt는 제안을 거부하고 그의 차에 유성 기어를 사용했습니다. (특허에 대한 모호함이 있습니다, 당신은 기사의 끝에서 읽을 수 있습니다)

유성 기어

와트 엔진 (1788)

연속 회전 운동이 있는 기계를 만들 때 Watt는 여러 가지 사소한 문제(2개의 실린더 캐비티에 대한 증기 분배, 자동 속도 제어 및 피스톤 로드의 직선 운동)를 해결해야 했습니다.

와트의 평행사변형

와트 메커니즘은 피스톤의 추진력을 직선 운동으로 주기 위해 발명되었습니다.

1848년 독일 프라이베르크(Freiberg)에서 제임스 와트(James Watt)의 특허에 따라 제작된 증기 기관.

원심 조절기

원심 조절기의 작동 원리는 간단하고 샤프트가 더 빨리 회전할수록 원심력의 작용으로 부하가 더 많이 분산되고 증기 파이프 라인이 더 많이 차단됩니다. 무게가 낮아짐 - 증기 파이프 라인이 열립니다.
맷돌 사이의 거리를 조정하는 유사한 시스템이 밀링 업계에서 오랫동안 알려져 왔습니다.
Watt는 증기 기관용 조절기를 개조했습니다.

증기 분배 장치

피스톤 밸브 시스템

그림은 1783년 Watt의 조수 중 한 명이 작성했습니다(편지는 설명을 위한 것입니다). B 및 B - 튜브 C에 의해 서로 연결되고 콘덴서 H에 연결된 튜브 D에서 이동하고 실린더 A에 튜브 E와 F로 이동하는 피스톤; G - 증기 파이프라인; K - 폭발물을 이동시키는 역할을 하는 막대.
도면에 도시된 피스톤(BB)의 위치에서 피스톤(B)과 피스톤(B) 사이의 배관(D)의 공간과 피스톤(도면에 미도시) 아래의 실린더(A) 하부, F에 인접하여, 증기로 채워지는 동안 실린더 A의 상부, 피스톤 위, E를 통해 통신하고 C를 통해 커패시터 H - 희박 상태; 폭발물이 F 및 E 이상으로 올라가면 A에서 F의 하부가 H와 통신하고 상부 E와 D를 통해 증기 파이프라인과 통신합니다.

눈길을 끄는 그림

그러나 1800년까지 와트는 "피스톤 밸브" 시스템의 제조에 높은 정밀도가 필요했기 때문에 포핏 밸브(해당 창 위로 올리거나 내리고 복잡한 레버 시스템으로 구동되는 금속 디스크)를 계속 사용했습니다.

증기 분배 메커니즘의 개발은 주로 Watt의 조수인 William Murdoch에 의해 수행되었습니다.

Murdoch은 증기 분배 메커니즘을 계속 개선했으며 1799년에 D자형 스풀(박스 스풀)에 대한 특허를 받았습니다.

스풀의 위치에 따라 창(4) 및 (5)는 스풀을 둘러싸고 증기로 채워진 폐쇄 공간(6) 또는 대기 또는 응축기에 연결된 공동(7)과 연결됩니다.

모든 개선 후에 다음 머신이 구축되었습니다.

증기 분배기를 사용하여 증기는 실린더의 다른 공동에 교대로 공급되고 원심 조절기는 증기 공급 밸브를 제어합니다(기계가 너무 가속되면 밸브가 닫히고 너무 느려지면 그 반대로 열립니다).

비주얼 비디오

이 기계는 이미 펌프로 작동할 뿐만 아니라 다른 메커니즘도 작동할 수 있습니다.

1784년 Watt는 특허를 받았습니다. 만능 증기 기관(특허 제1432호).

공장 소개

1986년에 Bolton과 Watt는 증기 기관으로 구동되는 공장("Albion Mill")을 런던에 세웠습니다. 공장이 가동되자 본격적인 순례가 시작되었습니다. 런던 시민들은 기술 개선에 큰 관심을 보였습니다.

마케팅에 익숙하지 않은 Watt는 구경꾼이 자신의 작업을 방해하는 사실을 분개하고 외부인의 액세스를 거부할 것을 요구했습니다. 반면 볼튼은 가능한 한 많은 사람들이 자동차에 대해 알아야 한다고 믿었고 와트의 요청을 거부했습니다.
일반적으로 Bolton과 Watt는 클라이언트 부족을 경험하지 않았습니다. 1791년에 방앗간은 전소되었습니다(제분업자들이 경쟁을 두려워하여 불에 탔을 수도 있습니다).

80년대 후반, Watt는 자동차 개선을 중단합니다. 볼튼에게 보낸 편지에서 그는 다음과 같이 씁니다.
"기계 메커니즘의 몇 가지 개선 사항을 제외하고는 우리가 이미 생산한 것보다 더 나은 것은 자연적으로 허용되지 않을 가능성이 매우 높습니다. .”
그리고 나중에 Watt는 증기 기관에서 새로운 것을 발견할 수 없다고 주장했으며, 증기 기관에 종사했다면 세부 사항의 개선과 이전 결론 및 관찰의 검증만 가능하다고 주장했습니다.

러시아 문학 목록

카멘스키 A.V. 제임스 와트, 그의 삶과 과학적이고 실용적인 활동. 1891년 상트페테르부르크
바이젠버그 L.M. 증기기관을 발명한 제임스 와트. M. - L., 1930
레스니코프 M.P. 제임스 와트. 엠., 1935
연합 I.Ya. 증기 기관의 발명가 제임스 와트(James Watt). 엠., 1969

따라서 우리는 증기 기관 개발의 첫 번째 단계가 끝났다고 가정할 수 있습니다.

TSB에서 인용

Watt의 보편적인 엔진은 효율성 때문에 널리 사용되었으며 자본주의 기계 생산으로의 전환에 큰 역할을 했습니다. K. 마르크스는 “와트의 위대한 천재성은 증기 기관을 기술한 그가 1784년 4월에 취득한 특허가 증기 기관을 특별한 목적을 위한 발명이 아니라 보편적인 기관으로 묘사하고 있다는 사실에서 드러납니다. 대규모 산업”(Marx, K. Capital, vol. 1, 1955, pp. 383-384).

1800년까지 Watt and Bolton 공장은 St. Petersburg에 의해 건설되었습니다. 250개의 증기 기관이 있었고 1826년까지 영국에는 총 출력이 약 1,500개에 달하는 증기 기관이 있었습니다. 80000마력 드문 예외를 제외하고는 와트형 기계였습니다. 1784년 이후 Watt는 주로 생산 개선에 전념했으며 1800년 이후에는 완전히 은퇴했습니다.

증기 기관은 팽창하는 증기의 위치 에너지가 소비자에게 주어진 기계적 에너지로 변환되는 열 기관입니다.

우리는 그림 1의 단순화 된 다이어그램을 사용하여 기계 작동 원리에 대해 알게 될 것입니다. 하나.

실린더(2) 내부에는 증기 압력 하에서 앞뒤로 이동할 수 있는 피스톤(10)이 있습니다. 실린더에는 열고 닫을 수 있는 4개의 채널이 있습니다. 2개의 상부 스팀 채널1 그리고3 파이프라인으로 증기 보일러에 연결되고 이를 통해 신선한 증기가 실린더에 들어갈 수 있습니다. 두 개의 하부 캡 9, 11을 통해 이미 작업이 완료된 쌍이 실린더에서 해제됩니다.

다이어그램은 채널 1과 9가 열린 순간, 채널 3과11 닫은. 따라서 보일러에서 채널을 통해 신선한 증기가1 실린더의 왼쪽 캐비티에 들어가 압력으로 피스톤을 오른쪽으로 움직입니다. 이때 배기 증기는 채널 9를 통해 실린더의 오른쪽 공동에서 제거됩니다. 피스톤의 가장 오른쪽 위치로 채널1 그리고9 닫히고 신선한 증기의 입구를위한 3과 배기 증기의 배출을위한 11이 열리고 결과적으로 피스톤이 왼쪽으로 움직입니다. 피스톤의 가장 왼쪽 위치에서 채널이 열립니다.1 9와 채널 3과 11이 닫히고 프로세스가 반복됩니다. 따라서 피스톤의 직선 왕복 운동이 생성됩니다.

이 움직임을 회전으로 변환하기 위해 소위 크랭크 메커니즘. 한쪽 끝은 피스톤에 연결된 피스톤 로드(4)와 다른 쪽 끝은 슬라이더(크로스헤드) 5를 사용하여 피벗식으로 가이드 평행선 사이에서 미끄러지며 연결 로드(6)로 구성되어 움직임을 전달합니다. 니 또는 크랭크 8을 통해 메인 샤프트 7.

주축의 토크량은 일정하지 않습니다. 과연, 힘아르 자형 , 줄기(그림 2)를 따라 향하는 은 두 가지 구성 요소로 분해될 수 있습니다.에게 커넥팅 로드를 따라 지시되고,N , 가이드 평행면에 수직입니다. 힘 N은 움직임에 영향을 미치지 않고 가이드 평행선에 대해 슬라이더를 누르기만 합니다. 힘에게 커넥팅 로드를 따라 전달되어 크랭크에 작용합니다. 여기서 다시 두 가지 구성 요소로 분해될 수 있습니다.지 , 크랭크의 반경을 따라 지시되고 베어링에 대해 샤프트를 누르는 힘, 그리고티 크랭크에 수직으로 샤프트를 회전시킵니다. 힘 T의 크기는 삼각형 AKZ를 고려하여 결정됩니다. 각도 ZAK = ? + ?, 그럼

티 = 케이 죄 (? + ?).

그러나 OCD 삼각형에서 강도

K= 피/ 코사인 ?

그렇기 때문에

티= 신( ? + ?) / 코사인 ? ,

축이 1회전하는 동안 기계가 작동하는 동안 각도는? 그리고? 그리고 힘아르 자형 지속적으로 변화하므로 비틀림(접선) 힘의 크기티 또한 변수. 1회전 동안 메인 샤프트의 균일한 회전을 생성하기 위해 샤프트의 일정한 회전 각속도가 유지되는 관성으로 인해 무거운 플라이휠이 장착됩니다. 힘이 솟는 그 순간에티 증가하면 플라이휠이 가속될 때까지 샤프트의 회전 속도를 즉시 증가시킬 수 없으며 이는 플라이휠의 질량이 크기 때문에 즉시 발생하지 않습니다. 비틀림의 힘에 의해 일이 생기는 그 순간에티 , 소비자에 의해 생성 된 저항력의 작업이 줄어들고 관성으로 인해 플라이휠은 다시 속도를 즉시 줄일 수 없으며 가속 중에받는 에너지를 포기하여 피스톤이 부하를 극복하는 데 도움이됩니다.

피스톤 각도의 극한 위치에서? +? = 0, 따라서 sin(? + ?) = 0, 따라서 T = 0입니다. 이 위치에는 회전력이 없기 때문에 기계에 플라이휠이 없으면 절전 모드가 중지되어야 합니다. 피스톤의 이러한 극단적인 위치를 데드 위치 또는 데드 포인트라고 합니다. 크랭크도 플라이휠의 관성으로 인해 통과합니다.

데드 위치에서는 피스톤이 실린더 커버와 접촉하지 않고 피스톤과 커버 사이에 소위 유해 공간이 남습니다. 유해 공간의 부피에는 증기 분배 기관에서 실린더까지의 증기 채널의 부피도 포함됩니다.

뇌졸중에스 한 극단 위치에서 다른 극단 위치로 이동할 때 피스톤이 이동하는 경로라고 합니다. 메인 샤프트의 중심에서 크랭크 핀의 중심까지의 거리(크랭크의 반경)를 R로 표시하면 S = 2R입니다.

실린더 변위 V 시간 피스톤이 설명하는 부피라고 합니다.

일반적으로 증기 기관은 이중(양면) 작용을 합니다(그림 1 참조). 때로는 증기가 덮개 측면에서만 피스톤에 압력을 가하는 단동식 기계가 사용됩니다. 이러한 기계에서 실린더의 다른 쪽은 열려 있습니다.

증기가 실린더를 나가는 압력에 따라 기계는 증기가 대기로 빠져 나가는 경우 배기, 증기가 응축기에 들어가면 응축 (감압이 유지되는 냉장고) 및 열 추출로 나뉩니다. 기계에서 배출되는 증기를 모든 용도(가열, 건조 등)에 사용하는 것

증기 기관은 1800년대 초반부터 1950년대까지 대부분의 증기 기관차에 설치되어 동력을 공급했습니다. 이 엔진의 작동 원리는 디자인과 치수의 변경에도 불구하고 항상 변경되지 않았습니다.

애니메이션 삽화는 증기 기관이 어떻게 작동하는지 보여줍니다.

엔진에 공급되는 증기를 생성하기 위해 목재와 석탄, 그리고 액체 연료로 작동하는 보일러가 사용되었습니다.

첫 번째 측정

보일러의 증기는 증기 챔버로 들어가고 증기 챔버에서 증기 밸브 밸브(파란색으로 표시)를 통해 실린더의 상부(전면) 부분으로 들어갑니다. 증기에 의해 생성된 압력은 피스톤을 BDC까지 밀어냅니다. 피스톤이 TDC에서 BDC로 이동하는 동안 휠이 반바퀴를 돌게 됩니다.

풀어 주다

BDC에 대한 피스톤 행정의 맨 끝에서 스팀 밸브가 변위되어 밸브 아래에 있는 배기 포트를 통해 나머지 스팀을 방출합니다. 나머지 증기는 밖으로 나와 증기 기관의 소리 특성을 만듭니다.

두 번째 측정

동시에 나머지 증기를 방출하기 위해 밸브를 이동하면 증기의 입구가 실린더의 하부(후방) 부분으로 열립니다. 실린더의 증기에 의해 생성된 압력으로 인해 피스톤이 TDC로 이동합니다. 이때 바퀴는 반바퀴를 더 돌게 됩니다.

풀어 주다

피스톤이 TDC로 이동이 끝나면 나머지 증기는 동일한 배기 포트를 통해 방출됩니다.

주기가 새로 반복됩니다.

증기 기관에는 소위 있습니다. 밸브가 팽창에서 배기 행정으로 변경될 때 각 행정의 끝에서 데드 센터. 이러한 이유로 각 증기 기관에는 2개의 실린더가 있어 어느 위치에서나 엔진을 시동할 수 있습니다.

기술 분야에서 흔히 볼 수 있듯이 증기 기관을 발명하는 과정은 거의 한 세기 동안 지속되었으므로 이 이벤트의 날짜 선택은 다소 임의적입니다. 그러나 기술 혁명으로 이어진 돌파구가 Scot James Watt에 의해 수행되었다는 것을 부정하는 사람은 아무도 없습니다.

사람들은 고대부터 증기를 작동 유체로 사용하는 것에 대해 생각했습니다. 그러나 XVII-XVIII 세기가 바뀔 때만. 증기의 도움으로 유용한 작업을 생성하는 방법을 찾았습니다. 인간을 위해 증기를 공급하려는 최초의 시도 중 하나는 1698년 영국에서 이루어졌습니다. 발명가 Savery의 기계는 광산을 배수하고 물을 펌핑하도록 설계되었습니다. 사실, Savery의 발명품은 아직 완전한 의미의 엔진이 아니었습니다. 수동으로 열리고 닫힌 몇 개의 밸브를 제외하고는 움직이는 부품이 없었기 때문입니다. Savery의 기계는 다음과 같이 작동했습니다. 먼저 밀봉된 탱크에 증기를 채운 다음 탱크의 외부 표면을 차가운 물로 냉각시켜 증기를 응축시키고 탱크에 부분 진공을 생성했습니다. 그 후, 물(예: 광산 바닥에서)이 흡입 파이프를 통해 탱크로 빨려들어갔고 다음 부분의 증기가 유입된 후 배출되었습니다.

피스톤이 있는 최초의 증기 기관은 1698년 프랑스인 Denis Papin에 의해 제작되었습니다. 피스톤이 있는 수직 실린더 내부에서 물을 가열하고 그 결과 증기가 피스톤을 위로 밀어 올립니다. 증기가 냉각되고 응축되면서 피스톤은 대기압에 의해 아래로 눌려졌습니다. 블록 시스템을 통해 Papin의 증기 기관은 펌프와 같은 다양한 메커니즘을 구동할 수 있습니다.

더 완벽한 기계는 1712년 영국 대장장이 Thomas Newcomen에 의해 만들어졌습니다. Papin의 기계에서와 같이 피스톤은 수직 실린더에서 움직였습니다. 보일러에서 나온 증기가 실린더 바닥으로 들어가 피스톤을 들어 올렸습니다. 냉수가 실린더에 주입되면 증기가 응축되고 실린더에 진공이 형성되고 대기압의 영향으로 피스톤이 아래로 떨어졌습니다. 이 리턴 스트로크는 실린더에서 물을 제거하고 로커에 연결된 체인을 통해 스윙처럼 움직여 펌프 로드를 위로 올립니다. 피스톤이 스트로크의 바닥에 있을 때 증기가 다시 실린더로 들어가고 펌프 로드나 로커에 장착된 균형추의 도움으로 피스톤이 위로 올라갔습니다. 초기 위치. 그 후 사이클이 반복되었습니다.

Newcomen 기계는 50년 이상 유럽에서 널리 사용되었습니다. 1740년대에는 길이 2.74m, 지름 76cm의 실린더가 있는 기계가 25명과 10마리의 말이 교대로 작업하는 작업을 하루 만에 처리했습니다. 그러나 그 효율성은 극히 낮았습니다.

가장 눈에 띄는 산업 혁명은 주로 섬유 산업에서 영국에서 나타났습니다. 직물의 공급과 빠르게 증가하는 수요 사이의 불일치는 최고의 디자인 마인드를 방적 및 직조기의 개발로 끌어들였습니다. 영어 기술의 역사에는 Cartwright, Kay, Crompton, Hargreaves의 이름이 영원히 포함되었습니다. 그러나 그들이 만든 방적기와 직조기는 기계를 단방향 회전 운동으로 계속해서 균일하게 구동할 수 있는(수차로는 제공할 수 없는) 질적으로 새롭고 보편적인 엔진이 필요했습니다. 유명한 엔지니어인 "그리녹의 마법사" 제임스 와트의 재능이 빛을 발했던 곳입니다.

Watt는 조선소의 가족으로 스코틀랜드의 Greenock 마을에서 태어났습니다. 처음 2년 동안 James는 Glasgow의 워크샵에서 견습생으로 일하면서 수학, 측량, 광학 기기 및 다양한 항해 기기 제조의 대가인 조각사의 자격을 취득했습니다. 그의 삼촌인 교수의 조언에 따라 James는 기계공으로 지역 대학에 입학했습니다. 여기에서 Watt가 증기 기관 작업을 시작했습니다.

James Watt는 일반적으로 물을 펌핑하는 데만 적합했던 Newcomen의 증기 대기 기계를 개선하려고 했습니다. Newcomen의 기계의 주요 단점은 실린더의 가열 및 냉각이 번갈아 가며 있다는 것이 그에게 분명했습니다. 1765년 Watt는 응축되기 전에 밸브가 있는 파이프라인을 통해 증기를 별도의 저장소로 전환하면 실린더가 항상 뜨거운 상태를 유지할 수 있다는 아이디어를 내놓았습니다. 또한 Watt는 증기 기관을 증기 기관으로 전환하는 몇 가지 개선 사항을 더 만들었습니다. 예를 들어, 그는 피스톤의 왕복 운동을 메인 샤프트의 회전 운동으로 변환하는 힌지 메커니즘 - "와트의 평행사변형"(링크의 일부 - 구성을 구성하는 레버가 평행사변형을 형성하기 때문에 그렇게 불림)을 발명했습니다. . 이제 직기는 계속해서 작동할 수 있습니다.

1776년 와트의 기계가 테스트되었습니다. 그 효율성은 Newcomen의 기계의 두 배인 것으로 밝혀졌습니다. 1782년 Watt는 최초의 범용 복동 증기 기관을 만들었습니다. 증기는 피스톤의 한 쪽에서 교대로 실린더에 들어간 다음 다른 쪽에서 들어갔습니다. 따라서 피스톤은 이전 기계에서는 없었던 증기의 도움으로 작동 및 역 스트로크를 모두 만들었습니다. 복동식 증기기관의 피스톤 로드는 당기고 미는 동작을 수행하기 때문에 추력에만 반응하는 기존의 체인 및 로커암 구동 시스템을 다시 만들어야 했습니다. Watt는 연결 시스템을 개발하고 무거운 플라이휠, 원심 속도 컨트롤러, 디스크 밸브 및 압력계를 사용하여 피스톤 로드의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는 유성 메커니즘을 사용하여 증기 압력을 측정했습니다. Watt가 특허를 받은 "회전식 증기 기관"은 처음에는 방적 및 직조 공장에서 널리 사용되었으며 나중에는 다른 산업 기업에서도 사용되었습니다. 와트 엔진은 모든 자동차에 적합했으며 자체 추진 메커니즘의 발명가는 이를 활용하는 데 서두르지 않았습니다.

와트의 증기 기관은 산업 혁명의 시작을 알리는 진정한 세기의 발명품이었습니다. 그러나 발명가는 여기서 멈추지 않았습니다. 이웃 사람들은 Watt가 특별히 선택된 추를 끌면서 말을 몰고 초원을 가로질러 가는 것을 두 번 이상 놀랐습니다. 그래서 힘의 단위가 나타났습니다- 마력이후 보편적인 인정을 받았습니다.

불행히도 재정적 어려움으로 인해 이미 성인이 된 Watt는 측지 측량을 수행하고 운하 건설 작업을 수행하고 항구와 정박지를 건설하고 마침내 완전한 재정 붕괴를 겪은 기업가 John Rebeck과 경제적으로 노예가 된 동맹을 맺었습니다.

증기 엔진은 펌핑 스테이션, 기관차, 증기선, 트랙터, 증기 자동차 등의 구동 엔진으로 사용되었습니다. 차량오. 증기 기관은 기업에서 기계의 광범위한 상업적 사용에 기여했으며 18세기 산업 혁명의 에너지 기반이었습니다. 증기 기관은 나중에 더 효율적인 내연 기관, 증기 터빈, 전기 모터 및 원자로로 대체되었습니다.

작동 중인 증기 엔진

발명과 개발

증기로 구동되는 최초의 알려진 장치는 1세기에 알렉산드리아의 헤론에 의해 기술되었으며, 이른바 "헤론의 목욕" 또는 "애올리필"입니다. 볼에 고정된 노즐에서 접선 방향으로 나오는 증기는 볼을 회전시킵니다. 증기로의 전환은 다음과 같다고 가정한다. 기계적 움직임로마 시대 이집트에서 알려졌으며 간단한 장치에 사용되었습니다.

최초의 산업용 엔진

설명된 장치 중 어느 것도 실제로 유용한 문제를 해결하는 수단으로 사용되지 않았습니다. 생산에 사용된 최초의 증기 기관은 1698년 영국의 군사 엔지니어 Thomas Savery가 설계한 "소방차"였습니다. Savery는 1698년에 그의 장치에 대한 특허를 받았습니다. 왕복식 증기 펌프였으며 컨테이너가 냉각될 때마다 증기의 열이 손실되기 때문에 분명히 매우 효율적이지 않았으며 증기의 고압으로 인해 때때로 탱크 및 엔진 파이프라인이 작동하기 때문에 매우 위험했습니다. 폭발했다. 이 장치는 물레방아의 바퀴를 돌리고 광산에서 물을 퍼 올리는 데 사용할 수 있기 때문에 발명가는 그것을 "광부의 친구"라고 불렀습니다.

그런 다음 영국 대장장이 Thomas Newcomen은 1712년에 상업적 수요가 있을 수 있는 최초의 증기 기관인 "대기 엔진"을 시연했습니다. 이것은 Newcomen이 증기의 작동 압력을 상당히 줄인 Savery의 증기 기관에 대한 개선 사항이었습니다. Newcomen은 런던 왕립 학회에서 개최한 Papin의 실험에 대한 설명을 기반으로 했으며 Papin과 함께 일한 Robert Hooke 학회 회원을 통해 액세스할 수 있었습니다.

Newcomen 증기 기관의 다이어그램.
– 증기는 보라색, 물은 파란색으로 표시됩니다.
– 열린 밸브는 녹색으로 표시되고 닫힌 밸브는 빨간색으로 표시됩니다.

Newcomen 엔진의 첫 번째 적용은 깊은 광산에서 물을 퍼 올리는 것이었습니다. 광산 펌프에서 로커는 광산으로 펌프실로 내려가는 막대에 연결되었습니다. 추력의 왕복 운동은 펌프의 피스톤으로 전달되어 상단에 물을 공급했습니다. 초기 Newcomen 엔진의 밸브는 손으로 열고 닫았습니다. 첫 번째 개선 사항은 기계 자체에 의해 구동되는 밸브의 자동화였습니다. 전설에 따르면 이 개선은 밸브를 열고 닫아야 했던 소년 험프리 포터(Humphrey Potter)가 1713년에 만들었다고 합니다. 지겨워지면 밸브 손잡이를 밧줄로 묶고 아이들과 놀러 갔다. 1715년까지 엔진 자체의 메커니즘에 의해 구동되는 레버 제어 시스템이 이미 만들어졌습니다.

러시아 최초의 2기통 진공 증기 기관은 1763년 정비공 I.I. Polzunov에 의해 설계되었으며 1764년에 Barnaul Kolyvano-Voskresensky 공장에서 송풍기 벨로우즈를 구동하기 위해 제작되었습니다.

Humphrey Gainsborough는 1760년대에 모델 콘덴서 증기 기관을 만들었습니다. 1769년에 스코틀랜드의 정비공 James Watt(아마 Gainsborough의 아이디어를 사용하여)는 Newcomen 진공 엔진에 대한 최초의 중요한 개선 사항에 대한 특허를 취득하여 연료 효율성을 훨씬 높였습니다. Watt의 기여는 피스톤과 실린더가 증기 온도에 있는 동안 별도의 챔버에서 진공 엔진의 응축 단계를 분리하는 것이었습니다. Watt는 Newcomen 엔진에 몇 가지를 더 추가했습니다. 중요한 세부 사항: 피스톤을 실린더 내부에 배치하여 증기를 배출하고 피스톤의 왕복운동을 구동륜의 회전운동으로 변환.

이러한 특허를 바탕으로 Watt는 버밍엄에 증기 기관을 만들었습니다. 1782년까지 Watt의 증기 기관은 Newcomen의 증기 기관보다 3배 이상 효율적이었습니다. 와트 엔진의 효율성 향상은 산업에서 증기 동력의 사용으로 이어졌습니다. 또한 Newcomen 엔진과 달리 Watt 엔진은 회전 운동을 전달할 수 있게 해주었지만 초기 증기 기관 모델에서는 피스톤이 커넥팅 로드에 직접 연결되지 않고 로커 암에 연결되었습니다. 이 엔진은 이미 현대 증기 기관의 주요 기능을 갖추고 있습니다.

효율성의 추가 증가는 고압 증기의 사용이었습니다(미국인 Oliver Evans 및 영국인 Richard Trevithick). R. Trevithick은 "Cornish 엔진"으로 알려진 고압 산업용 단일 행정 엔진을 성공적으로 제작했습니다. 50psi 또는 345kPa(3.405기압)에서 작동했습니다. 그러나 압력이 증가함에 따라 기계와 보일러의 폭발 위험도 높아져 처음에는 수많은 사고가 발생했습니다. 그런 점에서 고압기계의 가장 중요한 요소는 과압을 풀어주는 안전밸브였다. 믿을 수 있고 안전한 운영은 경험의 축적과 장비의 구축, 운영, 유지보수 절차의 표준화에서 시작되었습니다.

프랑스 발명가 Nicolas-Joseph Cugnot는 1769년에 최초로 작동하는 자체 추진 증기 차량인 "fardier à vapeur"(증기 카트)를 시연했습니다. 아마도 그의 발명은 최초의 자동차로 간주될 수 있습니다. 자체 추진 증기 트랙터는 탈곡기, 프레스 등 다른 농업 기계를 작동시키는 기계적 에너지의 이동 소스로 매우 유용한 것으로 판명되었습니다. 1788년에 John Fitch가 만든 증기선은 이미 필라델피아(펜실베니아)와 벌링턴(뉴욕주) 사이의 델라웨어 강. 그는 30명의 승객을 태우고 시속 7-8마일의 속도로 이동했습니다. J. Fitch의 증기선은 좋은 육로가 경로와 경쟁했기 때문에 상업적으로 성공하지 못했습니다. 1802년 스코틀랜드 엔지니어 William Symington은 경쟁력 있는 증기선을 제작했으며 1807년 미국 엔지니어 Robert Fulton은 와트 증기 기관을 사용하여 최초의 상업적으로 성공한 증기선에 동력을 공급했습니다. 1804년 2월 21일, Richard Trevithick이 제작한 최초의 자주식 철도 증기 기관차가 South Wales의 Merthyr Tydfil에 있는 Penydarren 제철소에 전시되었습니다.

왕복 증기 기관

왕복 엔진은 증기 동력을 사용하여 밀폐된 챔버 또는 실린더에서 피스톤을 움직입니다. 피스톤의 왕복 운동은 피스톤 펌프의 경우 선형 운동으로 기계적으로 변환되거나 공작 기계 또는 차량 바퀴의 회전 부품을 구동하기 위한 회전 운동으로 변환될 수 있습니다.

진공 기계

초기 증기 기관은 처음에는 "소방차"라고 불렀고 "대기" 또는 "응축" 와트 엔진이라고도 합니다. 그들은 진공 원리에 따라 작업했기 때문에 "진공 엔진"으로도 알려져 있습니다. 이러한 기계는 피스톤 펌프를 구동하기 위해 작동했지만 어쨌든 다른 목적으로 사용되었다는 증거는 없습니다. 진공 형 증기 기관의 작동 중에 사이클이 시작될 때 저압 증기가 작업실 또는 실린더로 유입됩니다. 입구 밸브그 후, 닫히고 증기가 냉각되어 응축됩니다. Newcomen 엔진에서 냉각수는 실린더에 직접 분사되고 응축수는 응축수 수집기로 빠져 나옵니다. 이것은 실린더에 진공을 생성합니다. 실린더 상단의 대기압은 피스톤을 누르고 피스톤을 아래로 움직이게 하는 것, 즉 파워 스트로크입니다.

기계의 작동 실린더를 지속적으로 냉각하고 재가열하는 것은 매우 낭비적이고 비효율적이었지만 이러한 증기 기관은 등장하기 전보다 더 깊은 곳에서 물을 펌핑할 수 있었습니다. 그 해에 Watt가 Matthew Boulton과 협력하여 만든 증기 엔진 버전이 등장했으며, 그 주요 혁신은 특수 별도의 챔버(응축기)에서 응축 과정을 제거한 것입니다. 이 챔버를 냉수조에 넣고 밸브로 닫힌 튜브로 실린더에 연결했습니다. 특수한 소형 진공 펌프(응축수 펌프의 원형)는 로커에 의해 구동되고 응축기에서 응축수를 제거하는 데 사용되는 응축 챔버에 부착되었습니다. 생성된 온수는 특수 펌프(공급 펌프의 원형)에 의해 보일러로 다시 공급되었습니다. 또 다른 급진적 혁신은 작동 실린더의 상단을 닫는 것이었습니다. 상단은 이제 저압 증기였습니다. 동일한 증기가 실린더의 이중 재킷에 존재하여 일정한 온도를 유지했습니다. 피스톤이 위로 움직이는 동안 이 증기는 특수 튜브를 통해 실린더의 하부로 전달되어 다음 스트로크 동안 응축됩니다. 실제로 기계는 "대기"가 중단되었으며 이제 그 힘은 저압 증기와 얻을 수 있는 진공 간의 압력 차이에 달려 있습니다. Newcomen 증기 기관에서는 피스톤 위에 소량의 물을 붓고 피스톤을 윤활했지만 Watt의 엔진에서는 실린더 상부에 증기가 있었기 때문에 이것이 불가능해졌습니다. 그리스와 오일의 혼합물. 실린더 로드 스터핑 박스에도 동일한 그리스가 사용되었습니다.

진공 증기 기관은 효율성의 명백한 한계에도 불구하고 18세기 보일러 기술의 일반적인 낮은 수준과 상당히 일치하는 저압 증기를 사용하여 비교적 안전했습니다. 기계의 동력은 낮은 증기압, 실린더 크기, 보일러의 연료 연소 및 수분 증발 속도, 응축기 크기에 의해 제한되었습니다. 최대 이론 효율은 피스톤 양쪽의 상대적으로 작은 온도 차이로 인해 제한되었습니다. 이것은 산업용 진공 기계를 너무 크고 비싸게 만들었습니다.

압축

증기 기관 실린더의 출구 포트는 피스톤이 끝 위치에 도달하기 전에 약간 닫히고 실린더에 약간의 배기 증기가 남습니다. 이것은 작동 주기에 압축 단계가 있음을 의미하며, 이는 극단적인 위치에서 피스톤의 움직임을 늦추는 소위 "증기 쿠션"을 형성합니다. 또한 신선한 증기가 실린더에 들어갈 때 흡입 단계 초기에 급격한 압력 강하를 제거합니다.

전진

"스팀 쿠션"의 설명된 효과는 피스톤이 극한 위치에 도달하는 것보다 약간 더 일찍 실린더로의 신선한 증기의 흡입이 시작된다는 사실, 즉 흡입의 일부 전진이 있다는 사실에 의해 향상됩니다. 이 전진은 피스톤이 신선한 증기의 작용으로 작동 행정을 시작하기 전에 증기가 이전 단계의 결과로 발생한 데드 스페이스, 즉 흡기-배기 채널 및 피스톤 운동에 사용되지 않는 실린더의 부피.

간단한 확장

단순 팽창은 증기가 실린더에서 팽창할 때만 작동하고 배기 증기가 대기로 직접 방출되거나 특수 응축기로 들어가는 것으로 가정합니다. 그런 다음 증기의 잔류열은 예를 들어 방이나 차량을 가열하고 보일러에 들어가는 물을 예열하는 데 사용할 수 있습니다.

화합물

고압 기계 실린더의 팽창 과정에서 증기의 온도는 팽창에 비례하여 떨어집니다. 열 교환(단열 과정)이 없기 때문에 증기는 실린더를 떠나는 것보다 더 높은 온도에서 실린더로 들어갑니다. 실린더의 이러한 온도 변동은 프로세스의 효율성을 감소시킵니다.

이 온도차를 다루는 방법 중 하나는 1804년 영국 엔지니어 Arthur Wolfe에 의해 제안되었습니다. Wulff 고압 복합 증기 기관. 이 기계에서는 증기 보일러의 고온 증기가 고압 실린더로 들어간 다음 더 낮은 온도와 압력에서 배출 된 증기가 저압 실린더 (또는 실린더)로 들어갑니다. 이것은 각 실린더의 온도 차이를 줄여 일반적으로 온도 손실을 줄이고 증기 기관의 전체 효율을 향상시킵니다. 저압 증기는 더 큰 부피를 가지므로 더 많은 실린더 부피가 필요했습니다. 따라서 복합 기계에서 저압 실린더는 고압 실린더보다 직경이 더 크며 때로는 더 길었습니다.

이 배열은 증기 팽창이 두 단계로 발생하기 때문에 "이중 팽창"으로도 알려져 있습니다. 때로는 하나의 고압 실린더가 두 개의 저압 실린더에 연결되어 거의 동일한 크기의 실린더 3개가 생성되었습니다. 그러한 계획은 균형을 잡기가 더 쉬웠습니다.

2기통 컴파운딩 기계는 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

• 크로스 컴파운드- 실린더가 나란히 위치하고 증기 전도 채널이 교차합니다.
• 탠덤 컴파운드- 실린더는 직렬로 배열되어 하나의 로드를 사용합니다.
• 앵글 컴파운드- 실린더는 일반적으로 90도 각도로 서로 비스듬히 있으며 하나의 크랭크에서 작동합니다.

1880년대 이후, 복합 증기 기관은 제조 및 운송 분야에서 널리 보급되었으며 증기선에 사실상 사용되는 유일한 유형이 되었습니다. 증기 기관차에 대한 사용은 부분적으로 철도 운송에서 증기 기관의 어려운 작동 조건으로 인해 너무 복잡한 것으로 판명된 만큼 널리 사용되지 않았습니다. 복합 기관차는 결코 주류 현상이 되지 않았지만(특히 영국에서는 매우 드물었고 1930년대 이후에는 전혀 사용되지 않음) 여러 국가에서 인기를 얻었습니다.

다중 확장

삼중 팽창 증기 기관의 단순화된 다이어그램.
보일러에서 나오는 고압 증기(빨간색)는 기계를 통과하여 응축기를 저압(파란색)으로 유지합니다.

복합 계획의 논리적 개발은 추가 확장 단계를 추가하여 작업 효율성을 높였습니다. 그 결과 3중 또는 4중 확장 기계로 알려진 다중 확장 계획이 탄생했습니다. 이러한 증기 기관은 일련의 복동 실린더를 사용했으며 각 단계마다 부피가 증가했습니다. 때로는 저압 실린더의 부피를 늘리는 대신 일부 복합 기계에서와 같이 수를 늘리는 데 사용되었습니다.

오른쪽 이미지는 작동 중인 3중 팽창 증기 기관을 보여줍니다. 증기는 기계를 통해 왼쪽에서 오른쪽으로 흐릅니다. 각 실린더의 밸브 블록은 해당 실린더의 왼쪽에 있습니다.

이러한 유형의 증기 엔진의 출현은 선박 엔진의 크기와 중량 요구 사항이 그다지 엄격하지 않았기 때문에 함대와 특히 관련이 있게 되었으며, 가장 중요한 것은 이 방식으로 인해 배기 증기를 담수를 보일러로 되돌려 보내는 것(보일러에 전력을 공급하기 위해 짠 바닷물을 사용하는 것은 불가능했습니다). 지상 기반 증기 기관은 일반적으로 물 공급에 문제가 없었으므로 배기 증기를 대기로 방출할 수 있었습니다. 따라서 그러한 계획은 특히 복잡성, 크기 및 무게를 고려할 때 관련성이 낮습니다. 다중 팽창 증기 기관의 지배는 증기 터빈의 출현과 광범위한 사용과 함께 끝났습니다. 그러나 현대의 증기 터빈은 흐름을 고압, 중압 및 저압 실린더로 나누는 동일한 원리를 사용합니다.

직류 증기 엔진

관류식 증기 기관은 고유 한 단점을 극복하려는 시도의 결과로 등장했습니다. 증기 기관전통적인 증기 분배. 사실 일반 증기 기관의 증기는 실린더의 양쪽에 있는 동일한 창이 증기의 입구와 출구 모두에 사용되기 때문에 끊임없이 이동 방향을 변경합니다. 배기 증기가 실린더를 떠날 때 실린더의 벽과 증기 분배 채널을 냉각시킵니다. 따라서 신선한 증기는 에너지의 특정 부분을 가열하는 데 소비하므로 효율성이 떨어집니다. 관류식 증기 엔진에는 각 단계의 끝에서 피스톤에 의해 열리고 증기가 실린더를 나가는 추가 포트가 있습니다. 이것은 증기가 한 방향으로 이동하고 실린더 벽의 온도 구배가 다소 일정하게 유지됨에 따라 기계의 효율성을 향상시킵니다. 단일 확장이 있는 관류식 기계는 기존의 증기 분배가 있는 복합 기계와 거의 동일한 효율성을 보여줍니다. 또한, 그들은 더 많은 일을 할 수 있습니다 높은 회전수따라서 증기 터빈이 출현하기 전에는 높은 회전 속도가 필요한 발전기를 구동하는 데 자주 사용되었습니다.

관류식 증기 기관은 단동 또는 복동입니다.

증기 터빈

증기 터빈은 터빈 로터라고 하는 단일 축에 고정된 일련의 회전 디스크와 고정자라고 하는 베이스에 고정된 일련의 고정 디스크가 교대로 회전하는 것입니다. 로터 디스크는 바깥쪽에 블레이드가 있으며 이 블레이드에 증기가 공급되어 디스크를 회전시킵니다. 고정자 디스크에는 반대 각도로 설정된 유사한 블레이드가 있어 증기 흐름을 다음 회전자 디스크로 리디렉션하는 역할을 합니다. 각 로터 디스크와 해당 고정자 디스크를 터빈 스테이지라고 합니다. 각 터빈의 단계의 수와 크기는 공급되는 속도와 압력의 증기의 유용한 에너지를 최대화하는 방식으로 선택됩니다. 터빈을 떠나는 배기 증기는 콘덴서로 들어갑니다. 터빈은 매우 빠른 속도로 회전하므로 다른 장비에 동력을 전달할 때 일반적으로 특수 강압 변속기가 사용됩니다. 또한 터빈은 회전 방향을 변경할 수 없으며 종종 추가 역회전 메커니즘이 필요합니다(때로는 추가 역회전 단계가 사용됨).

터빈은 증기 에너지를 직접 회전으로 변환하며 왕복 운동을 회전으로 변환하기 위한 추가 메커니즘이 필요하지 않습니다. 또한 터빈은 왕복 기계보다 더 작고 출력 샤프트에 일정한 힘을 가합니다. 터빈은 설계가 더 단순하기 때문에 유지보수가 덜 필요합니다.

다른 유형의 증기 기관

애플리케이션

증기 기관은 용도에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

고정 기계

스팀 해머

쿠바, 오래된 설탕 공장의 증기 기관

고정식 증기 기관은 사용 모드에 따라 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

• 압연기, 스팀 윈치 및 이와 유사한 장치와 같이 자주 정지하고 방향을 바꿔야 하는 가변형 기계.
• 거의 멈추지 않고 회전 방향을 변경할 필요가 없는 동력 기계. 여기에는 발전소의 동력 모터와 널리 사용되기 전에 공장, 공장 및 케이블 철도에서 사용된 산업용 모터가 포함됩니다. 전기 견인. 저출력 엔진은 해양 모델 및 특수 장치에 사용됩니다.

스팀 윈치는 기본적으로 고정식 엔진이지만 베이스 프레임에 장착되어 움직일 수 있습니다. 앵커에 케이블로 고정하고 자체 추력으로 새 위치로 이동할 수 있습니다.

운송 차량

증기 엔진은 다음과 같은 다양한 유형의 차량에 동력을 공급하는 데 사용되었습니다.

• 육상 차량:
  • 증기 자동차
  • 증기 트랙터
  • 스팀 굴삭기, 심지어
• 증기 비행기.

러시아에서는 1834년 E.A.와 M.E. Cherepanov가 Nizhny Tagil 공장에서 최초의 작동 증기 기관차를 건설하여 광석을 운송했습니다. 그는 시속 13마일의 속도로 발전했으며 200파운드(3.2톤) 이상의 화물을 운반했습니다. 첫 번째 철도의 길이는 850m였습니다.

증기 기관의 장점

증기 기관의 주요 장점은 거의 모든 열원을 사용하여 기계 작업으로 변환할 수 있다는 것입니다. 이것은 각각의 유형이 특정 유형의 연료를 사용해야 하는 내연 기관과 구별됩니다. 이 이점은 원자력을 사용할 때 가장 두드러집니다. 원자로는 기계적 에너지를 생성할 수 없고 증기 엔진(보통 증기 터빈)을 구동하는 증기를 생성하는 데 사용되는 열만 생성하기 때문입니다. 또한 태양 에너지와 같이 내연 기관에서 사용할 수 없는 다른 열원이 있습니다. 흥미로운 방향은 서로 다른 깊이에서 세계 해양의 온도차 에너지를 사용하는 것입니다.

다른 유형의 외부 연소 엔진도 스털링 엔진과 같은 유사한 특성을 가지고 있습니다. 이 엔진은 매우 높은 효율을 제공할 수 있지만 최신 유형의 증기 엔진보다 훨씬 크고 무겁습니다.

증기 기관차는 낮은 대기압으로 인해 효율성이 떨어지지 않기 때문에 높은 고도에서 잘 작동합니다. 증기 기관차는 저지대에서 더 현대적인 유형의 기관차로 오랫동안 대체되었다는 사실에도 불구하고 라틴 아메리카의 산악 지역에서 여전히 사용됩니다.

스위스(Brienz Rothhorn)와 오스트리아(Schafberg Bahn)에서는 건증기를 사용하는 새로운 증기 기관차가 그 가치를 입증했습니다. 이 유형의 증기 기관차는 스위스 기관차 및 기계 공장(Swiss Locomotive and Machine Works, SLM) 모델을 기반으로 개발되었으며 롤러 베어링의 사용, 현대적인 단열, 연료로서의 경유 연소, 개선된 증기 파이프라인 등과 같은 많은 현대적 개선이 이루어졌습니다. . 결과적으로 이 기관차는 연료 소비가 60% 낮고 유지 관리 요구 사항이 훨씬 낮습니다. 이러한 기관차의 경제적 특성은 현대의 디젤 및 전기 기관차와 비슷합니다.

또한 증기 기관차는 디젤 및 전기 기관차보다 훨씬 가벼우며 광산에 특히 그렇습니다. 철도. 증기 기관의 특징은 동력을 바퀴에 직접 전달하는 변속기가 필요하지 않다는 것입니다.

능률

효율 계수(COP) 열 기관연료에 포함된 소모된 열량에 대한 유용한 기계적 작업의 비율로 정의할 수 있습니다. 나머지 에너지는 열의 형태로 환경으로 방출됩니다. 열기관의 효율은