Сила пара была движущей силой промышленной революции в Соединенном Королевстве и Соединенных Штатах. К концу 1800-х годов благодаря восьмидесятидневным путешествиям по всему миру в пределах досягаемости коммерческие пароходы и железнодорожные пассажиры стали расширять как транспорт, так и индустриализацию во многих частях мира.

Понимание
Несмотря на то, что паломничество и образовательные поездки, такие как Гранд Тур, были созданы еще до Века Steam, именно паровые машины доставляли удовольствие от путешествий и делали возможным рекреационный туризм, позволяя простым людям посещать близлежащие города и курорты, переходить средний класс. континент, и самый богатый для путешествий по всему миру. Отели Grand Old обычно прослеживают свою историю до эпохи Steam.

Большинство поршневых паровых двигателей были вытеснены двигателями внутреннего сгорания или электродвигателями в течение 20-го века, особенно в десятилетия после Второй мировой войны. Количество паровозов резко сократилось как из-за повсеместного дизельного топлива или электрификации существующего железнодорожного транспорта, так и из-за замены железнодорожного движения на шоссе. Паровые турбины остаются широко используемыми для нескольких применений, таких как производство электроэнергии. Паровозы находились в резерве даже в западных странах в течение длительного времени из-за их способности работать практически на любом топливе, но многие из них были проданы энтузиастам или списаны на слом в 2000-х и 2010-х годах.

Паровой двигатель
Ранние эксперименты
Первым зарегистрированным элементарным паровым «двигателем» был эолипил, описанный Героем Александрии, математиком и инженером в Римском Египте в первом веке нашей эры. В последующие столетия несколько известных паровых «двигателей» были, как и эолипил, по существу экспериментальными устройствами, использованными изобретателями для демонстрации свойств пара. Элементарное паротурбинное устройство было описано Таки ад-Дином в Османском Египте в 1551 году и Джованни Бранкой в ​​Италии в 1629 году. Херонимо де Аянц и Бомонт получил в 1606 году патенты на 50 изобретений с паровым приводом, в том числе водяной насос для осушения затопленных шахт. Денис Папен, беженец из гугенотов, в 1679 году проделал полезную работу над паровым варочным котлом, а в 1690 году впервые использовал поршень для поднятия тяжестей.

Насосные двигатели
Первым коммерческим паровым устройством был водяной насос, разработанный в 1698 году Томасом Савери. Он использовал конденсацию пара для создания вакуума, который поднимал воду снизу, а затем использовал давление пара, чтобы поднять его выше. Маленькие двигатели были эффективными, хотя большие модели были проблематичными. Они имели ограниченную высоту подъема и были подвержены взрывам котла. Двигатель Савери использовался в шахтах, насосных станциях и для подачи воды на водяные колеса, которые приводили в движение текстильное оборудование. Экономный двигатель был недорогой. Bento de Moura Portugal представила усовершенствование конструкции Savery, «чтобы она работала сама по себе», как описано Джоном Смитоном в «Философских операциях», опубликованных в 1751 году. Она продолжала изготавливаться до конца 18-го века. Известно, что один двигатель работал в 1820 году.

Поршневые паровые двигатели
Первым коммерчески успешным двигателем, который мог передавать непрерывную мощность на машину, был атмосферный двигатель, изобретенный Томасом Ньюкоменом около 1712 года. Он улучшил паровой насос Savery с использованием поршня, предложенного Папином. Двигатель Ньюкомена был относительно неэффективен и в основном использовался для перекачки воды. Он работал путем создания частичного вакуума путем конденсации пара под поршнем внутри цилиндра. Он использовался для осушения горных выработок на недостижимых до сих пор глубинах и для обеспечения водой многократного использования для привода водяных колес на фабриках, расположенных вдали от подходящей «головки». Вода, прошедшая через колесо, была накачана в резервуар для хранения над колесом.

В 1720 году Джейкоб Лейпольд описал двухцилиндровый паровой двигатель высокого давления. Изобретение было опубликовано в его основной работе «Theatri Machinarum Hydraulicarum». Двигатель использовал два тяжелых поршня, чтобы обеспечить движение водяного насоса. Каждый поршень поднимался под давлением пара и самотеком возвращался в исходное положение. Два поршня имели общий четырехходовой поворотный клапан, соединенный непосредственно с паровым котлом.

Следующий важный шаг произошел, когда Джеймс Уотт разработал (1763–1775) улучшенную версию двигателя Ньюкомена с отдельным конденсатором. Ранние двигатели Boulton и Watt использовали вдвое меньше угля, чем улучшенная версия Newcomen Джона Смитона. Ранние двигатели Newcomen и Watt были «атмосферными». Они приводились в действие давлением воздуха, толкающим поршень в частичный вакуум, создаваемый конденсирующимся паром, вместо давления расширяющегося пара. Цилиндры двигателя должны были быть большими, потому что единственная полезная сила, действующая на них, была атмосферным давлением.

Уатт усовершенствовал свой двигатель, модифицировав его так, чтобы обеспечить вращательное движение, подходящее для вождения машин. Это позволило расположить фабрики вдали от рек и ускорило темпы промышленной революции.

Двигатели
высокого давления Значение высокого давления вместе с фактическим значением выше окружающего зависит от эпохи, в которой этот термин использовался. Для раннего использования термина Ван Реймсдейк означает, что пар находится под достаточно высоким давлением, чтобы его можно было выпускать в атмосферу, не полагаясь на вакуум, чтобы позволить ему выполнять полезную работу. Юинг 1894, р. В 22 говорится, что в то время конденсаторные двигатели Watt были известны как низконапорные по сравнению с неконденсирующимися двигателями высокого давления того же периода.

Патент Ватта не позволил другим создать двигатели высокого давления и составные двигатели. Вскоре после истечения срока действия патента Уатта в 1800 году Ричард Тревитик и отдельно Оливер Эванс в 1801 году представили двигатели, использующие пар высокого давления; Тревитик получил свой патент на двигатель высокого давления в 1802 году, а Эванс сделал несколько рабочих моделей до этого. Они были намного более мощными для данного размера цилиндра, чем предыдущие двигатели, и их можно было сделать достаточно маленькими для транспортных применений. После этого технологические разработки и усовершенствования в технологиях производства (частично вызванные принятием парового двигателя в качестве источника энергии) привели к разработке более эффективных двигателей, которые могут быть меньше, быстрее или мощнее, в зависимости от предполагаемого применения.

Корнишский двигатель был разработан Тревитиком и другими в 1810-х годах. Это был двигатель с комбинированным циклом, который интенсивно использовал пар высокого давления, затем конденсировал пар низкого давления, что делало его относительно эффективным. Корнишский двигатель имел нерегулярное движение и крутящий момент в цикле, ограничивая его главным образом прокачкой. Корниш двигатели использовались в шахтах и ​​для водоснабжения до конца 19 века.

Горизонтальный стационарный двигатель
Ранние производители стационарных паровых двигателей считали, что горизонтальные цилиндры будут подвергаться чрезмерному износу. Поэтому их двигатели были расположены с вертикальной осью поршня. Со временем горизонтальное расположение стало более популярным, позволяя устанавливать компактные, но мощные двигатели в небольших помещениях.

Вершина горизонтального двигателя была паровым двигателем Corliss, запатентованным в 1849 году, который представлял собой четырехклапанный противоточный двигатель с раздельными клапанами впуска и выпуска пара и автоматическим переменным отсечением пара. Когда Корлиссу была вручена медаль Румфорда, комитет заявил, что «ни одно изобретение со времен Ватта не улучшило эффективность парового двигателя». Помимо использования на 30% меньше пара, он обеспечивает более равномерную скорость благодаря переменному отсечению пара, что делает его хорошо подходящим для производства, особенно для прядения хлопка.

Дорожный транспорт
Первые экспериментальные дорожные паровые машины были построены в конце 18-го века, но только после того, как Ричард Тревитик разработал использование пара высокого давления, около 1800 года, мобильные паровые двигатели стали практическим предложением. В первой половине 19-го века был достигнут значительный прогресс в разработке дизайна паровых транспортных средств, а к 1850-м годам стало возможным выпускать их на коммерческой основе. Этот прогресс был ограничен законодательством, которое ограничивало или запрещало использование паровых транспортных средств на дорогах. Улучшения в технологии автомобилей продолжались с 1860-х по 1920-е годы. Паровые машины использовались для многих применений. В 20-м веке быстрое развитие технологии двигателей внутреннего сгорания привело к упадку парового двигателя в качестве источника движения транспортных средств на коммерческой основе, с относительно небольшим количеством оставшихся в использовании после Второй мировой войны. Многие из этих автомобилей были приобретены энтузиастами для сохранения, и многочисленные примеры все еще существуют. В 1960-х годах проблемы загрязнения воздуха в Калифорнии вызвали короткий период интереса к разработке и изучению паровых транспортных средств как возможного средства уменьшения загрязнения. Помимо интереса паровых энтузиастов, случайных копий транспортных средств и экспериментальных технологий, в настоящее время паровые машины не производятся. В 1960-х годах проблемы загрязнения воздуха в Калифорнии вызвали короткий период интереса к разработке и изучению паровых транспортных средств как возможного средства уменьшения загрязнения. Помимо интереса паровых энтузиастов, случайных копий транспортных средств и экспериментальных технологий, в настоящее время паровые машины не производятся. В 1960-х годах проблемы загрязнения воздуха в Калифорнии вызвали короткий период интереса к разработке и изучению паровых транспортных средств как возможного средства уменьшения загрязнения. Помимо интереса паровых энтузиастов, случайных копий транспортных средств и экспериментальных технологий, в настоящее время паровые машины не производятся.

Морские двигатели
Ближе к концу 19-го века составные двигатели стали широко использоваться. Составные двигатели выпускали пар в последовательно большие цилиндры, чтобы вместить большие объемы при пониженном давлении, что повышает эффективность. Эти этапы назывались расширениями, причем двигатели с двойным и тройным расширением были распространены, особенно в судоходстве, где эффективность была важна для снижения веса перевозимого угля. Паровые двигатели оставались доминирующим источником энергии до начала 20-го века, когда достижения в разработке паровых турбин, электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания постепенно привели к замене поршневых (поршневых) паровых двигателей, с поставкой в ​​20-м веке опираясь на паровую турбину.

Паровозы по
мере развития паровых двигателей в течение 18-го века, были предприняты различные попытки применить их для автомобильного и железнодорожного использования. В 1784 году шотландский изобретатель Уильям Мердок построил прототип паровоза. Ранняя рабочая модель паровозного рельсового локомотива была спроектирована и изготовлена ​​пионером парохода Джоном Фитчем в США, вероятно, в 1780-х или 1790-х годах. Его паровоз использовал внутренние лопастные колеса, направляемые рельсами или гусеницами.

Первый полномасштабный работающий железнодорожный паровоз был построен Ричардом Тревитиком в Соединенном Королевстве, и 21 февраля 1804 года состоялось первое в мире железнодорожное путешествие, когда неназванный паровоз Тревитика вытащил поезд вдоль трамвая из Пен-и-Даррена. металлургический завод, недалеко от Мертир-Тидфила до Аберцинона в Южном Уэльсе. В конструкцию был включен ряд важных нововведений, в том числе использование пара высокого давления, что позволило снизить вес двигателя и повысить его эффективность. Тревитик посетил район Ньюкасла позже, в 1804 году, и шахты на северо-востоке Англии стали ведущим центром экспериментов и разработки паровозов.

Тревитик продолжил свои собственные эксперименты с использованием трех локомотивов, заключив его с «Поймай меня, кто может» в 1808 году. Всего четыре года спустя, успешный двухцилиндровый локомотив Саламанка от Мэтью Мюррея использовался на рельсовой рейке и шестерне Middleton Railway. В 1825 году Джордж Стефенсон построил локомоцию для железной дороги Стоктон и Дарлингтон. Это была первая общественная паровая железная дорога в мире, а затем в 1829 году он построил «Ракету», в которую был введен, и выиграл испытания на Рейнхилл. Ливерпульская и Манчестерская железная дорога открылась в 1830 году, используя исключительно паровую энергию для пассажирских и грузовых поездов.

До конца двадцатого века паровые локомотивы продолжали выпускаться в таких местах, как Китай и бывшая Восточная Германия (где производился класс DR 52.80).

Паровые турбины
Последней крупной эволюцией конструкции парового двигателя было использование паровых турбин, начиная с конца 19-го века. Паровые турбины, как правило, более эффективны, чем поршневые паровые двигатели поршневого типа (для мощности свыше нескольких сотен лошадиных сил), имеют меньше движущихся частей и обеспечивают вращательную мощность непосредственно, а не через систему шатунов или аналогичные средства. Паровые турбины фактически заменили поршневые двигатели на электростанциях в начале 20-го века, где их эффективность, более высокая скорость, соответствующая обслуживанию генератора, и плавное вращение были преимуществами. Сегодня большая часть электроэнергии обеспечивается паровыми турбинами. В Соединенных Штатах 90% электроэнергии производится таким образом с использованием различных источников тепла.

Нынешняя разработка
Хотя поршневой паровой двигатель более не используется в коммерческих целях, различные компании изучают или используют потенциал двигателя в качестве альтернативы двигателям внутреннего сгорания. Компания Energiprojekt AB в Швеции добилась прогресса в использовании современных материалов для использования энергии пара. КПД парового двигателя Энергипроекта достигает около 27–30% на двигателях высокого давления. Это одноступенчатый 5-цилиндровый двигатель (без компаунда) с перегретым паром, потребляющий ок. 4 кг (8,8 фунта) пара на кВт-ч.

Паровые железные дороги
В то время как пар встречается с ностальгией или даже с тоской по «старым добрым временам» в местах, где последние паровые перевозки произошли несколько десятилетий назад, многие развивающиеся или развивающиеся страны видят продолжение существования любых паровозов как «задом наперед» и затруднение. , В Западной Германии был почти полный запрет на паровоз на магистрали после того, как были сняты последние официальные паровозы. Подобные отношения преобладают сегодня в некоторых странах. Тем не менее, на пограничных или иным образом заброшенных линиях пар по-прежнему часто можно увидеть, и иногда даже на билетах, когда работают паровозы, взимается дополнительная плата по сравнению с «обычными» дизельными поездами.

Пароходы, корабли и лодки
До широкого распространения коммерческих авиаперевозок в эпоху после Второй мировой войны могучие океанские лайнеры бороздили моря. Королевские почтовые корабли эпохи RMS Titanic, борющиеся за перевозку миллионеров того времени, активно конкурировали как по скорости, так и по роскоши.

На внутренних реках, таких как Миссисипи, когда-то был характерный пароход с гребным колесом. Некоторые из них до сих пор работают либо как исторические реставрации, либо как копии, имитации различной точности.

Канада
RMS Segwun, Gravenhurst — полностью восстановленный пароход. Построенная в 1887 году, она первоначально перевозила отдыхающих в коттеджи Мускоки и доставляла грузы и почту.
PS Trillium, Торонто, — это пароход с боковым колесом, который служил паромом на островах Торонто в 1910-1957 годах. Она была восстановлена ​​и возвращена на службу в паромной системе острова Торонто в 1976 году.

Англия
Небольшое количество небольших паровых лодок продолжает работать на Уиндермире в Английском Озерном крае.

Шотландский
пароход Сэр Вальтер Скотт, Пирс Троссач, Лох Катрин, Калландер, Стерлинг.
PS Waverley является последним в мире пароходом с морской водой. Построенная в 1946 году, она много лет плавала на Ферт-оф-Клайд. После реставрации Уэверли летом регулярно проводил экскурсии. Большинство из них отплывают от Клайда, но есть также некоторые поездки на западное побережье и Гебриды Шотландии, а также вокруг Бристольского канала, Темзы и южного побережья Англии.

Соединенные Штаты Америки
Belle of Louisville, Луисвилл, штат Кентукки, является старейшим пароходом в стиле реки Миссисипи и национальным историческим памятником.
Тикондерога, Шелбурн (Вермонт) — это пароход, который до 1969 года служил паромом на озере Шамплейн. Сохранившись и перевозясь по суше в Музей Шелбурн, она теперь открыта для экскурсий.

Статические паровые двигатели
Самым ранним использованием паровой энергии в промышленности была перекачка (первоначально из шахт), но большие паровые двигатели впоследствии становятся движущей силой для всех видов промышленного оборудования, от текстиля до водоснабжения. Несколько городов (в том числе Отару, Япония, Ванкувер, Канада и Сент-Хелиер-Джерси) намерены использовать паровые часы — или часы, приводящие в действие паровой свисток — как местную достопримечательность в некоторой центральной точке деревни.

Канадская
насосная и паровой музей, Кингстон (Онтарио), бывшая паровая муниципальная насосная станция, восстановленная в 1970-х годах

Англия
Кью-Бридж, музей паровозов.
Болтонский паровой музей.
Forncett Industrial Steam Museum, Forncett St Mary, Норфолк, Англия NR16 1JJ, ☏ +44 1508 488277, ✉ [email protected].

В Австралии, на
острове Какаду в Сиднее, работает паровой кран, который использовался для погрузки лодок.
Паровые карусели, галопы и ярмарочное оборудование

Нидерланды
Steam Carousel, Efteling.

«Англия
Картер» — это туристическая ярмарка, где часть старинного оборудования (в частности, его «Галлоперс») работает на парах. Работает сезонно, по расписанию гастролей, поэтому места проведения варьируются.

Тяговые двигатели и паровые машины

Коллекция Hollycombe Steam Англии

Безопасность
Паровые двигатели имеют котлы и другие компоненты, которые представляют собой сосуды под давлением, которые содержат много потенциальной энергии. Выход паров и взрывы котлов (обычно BLEVE) в прошлом могли и приводили к большим потерям. Хотя в разных странах могут существовать различия в стандартах, для обеспечения безопасности применяются строгие правовые нормы, испытания, обучение, забота о производстве, эксплуатации и сертификации.

Режимы отказа могут включать в себя:

Чрезмерное повышение давления в котле.
Недостаточное количество воды в котле, вызывающее перегрев и
накопление в резервуаре отложений и отложений, которые вызывают локальные горячие точки, особенно в речных судах, использующих
резервуар из-под грязной питательной воды, выходящий из строя котла из-за неправильной конструкции или технического обслуживания.
утечка пара из трубопровода / котла, вызывающая ожоги

Паровые двигатели часто имеют два независимых механизма для обеспечения того, чтобы давление в котле не повышалось слишком высоко; один из них может быть отрегулирован пользователем, второй, как правило, предназначен для обеспечения максимальной отказоустойчивости. В таких предохранительных клапанах традиционно использовался простой рычаг, чтобы удерживать плунжерный клапан в верхней части котла. Один конец рычага нес груз или пружину, которая удерживала клапан от давления пара. Ранние клапаны могут регулироваться водителями двигателей, что может привести к многочисленным авариям, когда водитель закрепит клапан вниз, чтобы обеспечить большее давление пара и большую мощность двигателя. В более позднем типе предохранительного клапана используется регулируемый подпружиненный клапан, который заблокирован таким образом, что операторы не могут вмешиваться в его регулировку, если уплотнение незаконно не сломано. Такое расположение значительно безопаснее.

В головке топки котла могут находиться свинцовые плавкие предохранители. Если уровень воды падает, так что температура короны топки значительно возрастает, свинец тает, и пар выходит, предупреждая операторов, которые затем могут вручную подавить пожар. За исключением самых маленьких котлов, выход пара мало влияет на гашение огня. Пробки также слишком малы по площади, чтобы значительно снизить давление пара, что приводит к разгерметизации котла. Если бы они были больше, объем выделяющегося пара сам по себе поставил бы под угрозу экипаж.