Універсальна парова машина подвійної дії
Застосування двох циліндрів з послідовною віддачею роботи їх порожнин на спільний вал було вперше запропоноване І. І. Ползуновим в 1763, проте через смерть винахідника проект не був завершений, і машина була розібрана після декількох пробних запусків.
У 80-х роках XVIII століття потреба в універсальному двигуні стала виключно гострою у зв'язку з розвитком першого етапу промислової революції — впровадженням у виробництво прядильних і ткацьких машин. Ці нові машини, що давали можливість одночасної роботи багатьох знарядь, визначили в останній чверті 18 ст. період завершення першого етапу в розвитку парових машин. Завдання набуло конкретної форми: необхідно було перетворити парову насосну установку на двигун з обертальним рухом вала. Рішення цієї задачі знайшло своє віддзеркалення в патентах різних країн на парові машини в 80-х роках XVIII ст. Найбільшого поширення набула парова машина (рис. 1) Джеймса Ватта (Англія), як найбільш економічна унаслідок відділення конденсатора від циліндра. З 1800 розвиток парової машини і її впровадження в промисловості і на транспорті йде зростаючими темпами.
Наступним важливим кроком у розвитку парових машин високого тиску стала поява машин подвійної дії (див рис.2). В машинах одинарної дії поршень переміщався в одну сторону силою під дією тиску пари, але назад він повертався або під дією сил гравітації чи за рахунок моменту інерції обертового маховика, сполученого з паровою машиною.
У парових машинах подвійної дії пара під тиском по черзі подається в обидві сторони робочого циліндра, в той час як відпрацьована пара з протилежного боку циліндра виходить в атмосферу чи в конденсатор. Такий принцип вимагав створення досить складного механізму розподілення пари. Принцип подвійної дії підвищує швидкість роботи машини і покращує плавність ходу та збільшує потужність при тій же масі машини. Це сприяло появі та бурхливому поширенню парової машини на транспорті — з'явились: пароплав, паровоз, паровий локомобіль, паровий трактор, паровий екскаватор тощо.
Значення парової машини поршневого типу для розвитку суспільства
Промислова революція — перехід від мануфактурного ручного виробництва до машинного — отримала своє завершення із створенням універсального двигуна. Протягом майже всього 19 ст. парова машина визначала рівень енергетики машинного виробництва і транспорту, темпи і напрям їх розвитку. Парова машина збільшувала потребу в кам'яному вугіллі і задовольняла цю потребу, оскільки вона піднімала вугілля з шахт, вентилювала їх, відкачувала з них воду. Парова машина збільшувала потребу в металі і задовольняла її, оскільки вона нагнітала повітря в доменній печі, приводила в рух ковальські молоти та обертаючи вали прокатних станів. Парова машина поставила нові вимоги до технології металообробки і задовольняла їх, приводячи в рух металообробні верстати, сприяючи становленню і розвитку машинобудування — виробництва машин, що виготовляють машини.
У своєму розвитку парова машина сприяла появі нових галузей знань. Створена на основі виробничого досвіду, парова машина поставила перед ученими ряд питань, вирішення яких створило нову науку — технічну термодинаміку.
На початок XX ст. парова машина досягла високого ступеня досконалості. За сто років розвитку потужність парової машини підвищилася від 5-10 к.с. до 20000 к.с., економічність — від 0,3% до 20%, тиск пари, що впускається, — від 0,1 ат до 120 ат, температура пари — від 100° до 400°, число обертів на хвилину — від 20-30 до 1000 об/хв; питома вага знизилася від сотень до 1-2 кг/к. с.; необхідна площа зменшилася від декількох квадратних метрів до їх сотих доль на 1 к. с. Витрати пари для парової машини високого тиску з багатократним розширенням становлять 2,62 кг/к. с. за годину. ККД досяг 20-25%.
На основі досвіду, набутого у виробництві парових машин, був створений новий поршневий двигун — двигун внутрішнього згорання, в якому згорання відбувається безпосередньо в циліндрі двигуна, тобто в порівнянні з власне паровою машиною усунена одна проміжна ланка (пара, як проміжне робоче тіло, і парокотельний агрегат, як генератор пари). Завдяки малій питомій вазі (тобто відношенню ваги до потужності) двигун внутрішнього згорання набув значного поширення на транспорті. Розвиток парових машин привів і до створення іншого парового двигуна — парової турбіни, в якій видозмінено характер використання пари, що виробляється котельним агрегатом, і замість пульсуючого руху поршня і кривошипно-шатунного механізму використовується безперервне проходження пари через проточну частку двигуна, тобто в порівнянні з власне паровою машиною усунена ланка поршень-кривошипно-шатунний механізм, що дозволило сконцентрувати великі потужності в одному агрегаті. Парова турбіна виявилася найдоцільнішою формою приводу для потужних електрогенераторів, що вимагають рівномірного обертання.