Введение

Ранняя конструкция паровой машины, использующая качающийся луч для соединения основных компонентов. Лучевая паровая машина – это тип парового двигателя, в котором шарнирный верхний луч используется для передачи силы от вертикального поршня к вертикальному шатуну. Эта конструкция, при которой двигатель напрямую приводил в действие насос, впервые была применена Томасом Ньюкоменом около 1705 года для откачки воды из шахт в Корнуолле. Эффективность двигателей была улучшена инженерами, включая Джеймса Уатта, который добавил отдельный конденсатор; Джонатана Хорнблоуэра и Артура Вулфа, которые использовали цилиндры сложной конфигурации; и Уильяма Макнота, который разработал способ модернизации существующего двигателя до сложной конфигурации. Изначально лучевые машины использовались для откачки воды из шахт или подачи воды в каналы, но также могли применяться для подачи воды, дополняющей поток для водяного колеса, приводящего в движение мельницу. Ротационная лучевая машина – это более поздняя конструкция лучевой машины, в которой шатун приводит в движение маховик посредством кривошипа (или, исторически, посредством солнечной и планетарной передачи). Эти лучевые машины могли использоваться для непосредственного привода главного вала на мельнице. Они также могли использоваться для привода пароходов.

История

Первые двигатели работали на воде и использовались для откачки воды из шахт. Сохранившийся образец можно увидеть на свинцовой шахте Straitsteps в Ванлокхеде, Шотландия. Лучевые двигатели широко применялись для привода насосов на английской канальной системе, когда она расширялась за счет шлюзов в начале промышленной революции, а также для откачки воды из шахт в тот же период и в качестве подъемных двигателей. Первый двигатель, связанный с паром, был разработан Томасом Ньюкоменом. Строго говоря, это не был паровой двигатель, поскольку пар, подаваемый под поршень, конденсировался, создавая частичный вакуум, что позволяло атмосферному давлению опускать поршень вниз. Поэтому он назывался атмосферным двигателем. Атмосферный двигатель Ньюкомена был принят на многих шахтах в Корнуолле и других местах, но он был относительно неэффективным и потреблял большое количество топлива. Двигатель был усовершенствован Джоном Смитоном, но Джеймс Уатт устранил основные недостатки двигателя Ньюкомена в своем паровом двигателе Уатта, добавив отдельный конденсатор, что позволило цилиндру оставаться горячим. Технически это все еще был атмосферный двигатель, пока (в рамках последующих патентов) он не закрыл верхнюю часть цилиндра, вводя пар для опускания поршня вниз. Это сделало его настоящим паровым двигателем и, возможно, подтверждает его как изобретателя паровой машины. Он также запатентовал центробежный регулятор и параллельный механизм. Последний позволил заменить цепи вокруг арочной головки, что сделало возможным его использование в качестве ротационного двигателя. Его патенты действовали до начала XIX века, и некоторые считают, что это сдерживало развитие. Однако на самом деле разработки продолжались другими, и по окончании срока действия патента произошел всплеск новых идей и усовершенствований. Лучевые двигатели Уатта использовались в коммерческих целях в гораздо большем количестве, и многие из них продолжали работать 100 лет и более. Уатт владел патентами на ключевые аспекты конструкции своего двигателя, но его ротационный двигатель также был ограничен патентом Джеймса Пикарда на простой кривошипно-шатунный механизм. Впоследствии лучевой двигатель был значительно улучшен и увеличен в богатых оловом и медью районах юго-западной Англии, что позволило осушить глубокие шахты, существовавшие там. В результате корнуоллские лучевые двигатели стали всемирно известными, поскольку они остаются одними из самых крупных лучевых двигателей, когда-либо построенных. Из-за большого количества патентов на различные части двигателей и последствий нарушения патентных прав существуют экземпляры лучевых двигателей, на деталях которых нет имени производителя (коллекция Hollycombe Steam Collection).

Двигатели с вращающимися лучами

В ротативном лучевом двигателе поршень устанавливается вертикально, а поршневой стержень приводит луч в движение, как и прежде. Соединительный стержень с другого конца луча, вместо привода насосного стержня, теперь приводит во вращение маховик. Ранние двигатели Уатта использовали запатентованную Уаттом солнечную и планетарную передачу, а не простой кривошип, поскольку использование последнего было защищено патентом, принадлежащим Джеймсу Пикарду. После истечения срока действия патента простой кривошип стал использоваться повсеместно. Как только было достигнуто вращательное движение, к маховику можно было присоединить приводной ремень. Этот ремень передавал мощность на другие приводные валы, а от них уже можно было подключать ремни к различным стационарным машинам, например, молотилкам, дробилкам или мельницам.

Машины для морских гребцов

Первые паровые корабли использовали различные варианты ротативного парового двигателя. Эти морские паровые двигатели – известные как рычажные, «кузнечиковые», крестовые или «ходячая балка», среди прочих – отличались от оригинальных наземных машин тем, что балка или балки располагались в разных положениях для экономии места на борту судна.

Соединение

Компоновка включает в себя два или более цилиндров; пар низкого давления из первого, цилиндра высокого давления, направляется во второй цилиндр, где он расширяется дальше и обеспечивает дополнительную мощность. Это и есть эффект от компоновки; отработанный пар из него может произвести дополнительную работу, если затем направить его в конденсатор обычным способом. Первый эксперимент с компоновкой был проведен Джонатаном Хорнблоуэром, который запатентовал свою конструкцию в 1781 году. Его первый двигатель был установлен на шахте Тинкрофт в Корнуолле. Он состоял из двух цилиндров – одного диаметром с ходом 6 футов (2 м) и другого диаметром с ходом 8 футов (2 м) – расположенных рядом друг с другом на одном конце рычага. Ранние двигатели показали незначительный прирост в производительности: давление пара было слишком низким, соединительные трубы имели малый диаметр, а конденсатор был неэффективен. В то время законы термодинамики были недостаточно изучены, особенно концепция абсолютного нуля. Инженеры, такие как Артур Вулф, пытались решить инженерную задачу, не до конца понимая физические принципы. В частности, их золотниковый механизм включался не в той фазе хода, не обеспечивая расширительной работы в цилиндре. Успешные двигатели Вулфа с компоновкой были изготовлены в 1814 году для медного рудника Wheal Abraham и оловянного рудника Wheal Vor.

Двигатели McNaught

Уильям Макнот запатентовал двигатель с составным пучком в 1845 году. На гребной двигатель стандартной конструкции Боултона и Уатта он установил цилиндр высокого давления на противоположной стороне гребня от существующего одинарного цилиндра, на месте, где обычно располагался водяной насос. Это дало два важных результата: значительно снизилось давление на балку, а длинный соединительный паропровод выполнял функцию расширительного ресивера – элемента, отсутствовавшего в конструкции Вульфа. Эту модификацию можно было выполнить ретроспективно, и двигатели, подвергшиеся такой модификации, называли "McNaughted". Преимущества составного двигателя не были существенными при давлении ниже , но становились заметными при давлении выше .