Первую универсальную паровую машину запатентовал в 1784 г. английский
изобретатель Дж. Уатт. С небольшими усовершенствованиями она более ста
лет оставалась единственным промышленным двигателем: приводила в
движение станки и паровозы, пароходы и даже первые автомобили.
Познакомимся с ее устройством.
Основная часть машины - чугунный цилиндр, в котором ходит поршень. Рядом
с цилиндром расположен парораспределительный механизм - золотниковая
коробка, сообщающаяся с паровым котлом. Кроме котла коробка соединена
еще с конденсатором (в первых паровых машинах и паровозах чаще всего
просто через дымовую трубу - с атмосферой) и с цилиндром посредством
двух окон. В коробке находится золотник - стержень с двумя клапанами,
своеобразный переключатель, ведающий попеременной подачей пара то с
одной, то с другой стороны поршня. Действует переключатель так. Когда
поршень движется, например, направо, левая часть цилиндра посредством
золотника через окно сообщается с паровым котлом, а правая - через
другое окно - с атмосферой. Пар высокого давления подается в цилиндр
слева, где он расширяется и совершает работу - толкает поршень.
Отработанный пар из правой части уходит в атмосферу. Затем, когда
поршень движется налево, пар высокого давления входит в правую часть
цилиндра, а отработанный пар из левой части уходит в атмосферу. Таким
образом создается разность давлений в правой и левой частях, которая и
приводит поршень в движение.
Схема работы паровой машины
Пар подается не в течение всего хода поршня, а только в начале его.
После этого благодаря особой форме золотника пар отсекается (перестает
подаваться в цилиндр), и механическая работа производится далее
расширяющимся и охлаждающимся паром. Отсечка пара дает большую экономию
энергии.
Выпускать отработанный пар в атмосферу невыгодно, ведь он содержит в
себе много тепловой энергии. Для повышения КПД машины еще Дж. Уатт
применил специальное устройство - конденсатор, охлаждаемый водой сосуд,
в котором пар конденсировался, т. е. превращался в воду. При этом
давление в конденсаторе падало ниже атмосферного, что значительно
увеличивало разность давлений, действующих на поршень. Вода из
конденсатора направлялась обратно в котел, а это позволяло создать
замкнутую систему.
Схема парового котла
Благодаря различным усовершенствованиям к началу XX в. были построены
паровые машины мощностью 15 МВт, развивавшие до 1000 об/мин. При этом
КПД таких машин удалось поднять более чем в 60 раз по сравнению с
машиной Уатта. Но все равно он не превысил 20%. Громоздкие, тяжелые и
неэкономичные паровые машины в наше время полностью вытеснены паровыми
турбинами и двигателями внутреннего сгорания.
Но, как сказано выше, будучи первым и до конца XIX в. единственным
универсальным двигателем, паровая машина сыграла исключительную роль в
прогрессе мировой промышленности и транспорта (см.
Научно-технический прогресс).
