3.5.4. Перші практично корисні парові машини
(Парові машини Севері та Ньюкомена)
Насос став не просто вихідною точкою, звідки почалось накопичення потрібних знань. Більше того, розв’язання задач з використання насосів для відкачування води із шахт і водопостачання міст дало головний поштовх до створення нового двигуна.
У 1698 році Севері був виданий патент на перший двигун, який уже мав якесь практичне значення. Схема його дії ілюструються на рис. 3.17. Двигун (машина) призначався винахідником для відкачки води із шахт. Проте машина не зовсім відповідала призначенню й не знайшла свого розповсюдження.
Рис. 3.17. Принцип дії парового двигуна Севері
Коли бак Е заповнено водою, вручну відкривають вентиль А; пара з котла D витискує воду з бака Е; тиск закриває стулчастий клапан В і відкриває клапан С, і тоді вода підіймається вгору по трубі G; коли бак Е випорожняється, закривають вентиль А, після чого холодна вода поступає в бак Е зовні; конденсація пари створює розрідження; тепер атмосферний тиск, діючи через трубу G, закриває клапан С, а його дія на поверхню води в F відкриває клапан В і заганяє воду в бак Е; далі цикл починається заново.
Парова машина Севері свідчила про розуміння того, як можна використати силу пари й шляхом створення розрідження та використання сили його розширення. Але для створення дійсно практично корисної парової машини поки що бракувало циліндра з поршнем. Ще в 1680 році Христіан Гюйгенс, один із найбільш видатних вчених свого часу, зробив спробу створити поршневу машину, що працювала від вибухової сили пороху. Ця спроба не мала успіху, але вона наштовхнула іншого видатного вченого Дені Папена на думку про створення подібної машини, але такої, що використовує силу водяної пари. У його машині, побудованій приблизно в 1690 році, пара, що розширювалась, пересувала поршень вверх у вертикальнім циліндрі, а конденсацією пари створювалось розрідження, яке змушувало поршень повертатись знову вниз. Ось так піднімали вантаж, підвішений на канаті, який був перекинутий через блок. Але в цьому двигуні не було окремого котла, а вода знаходилась на дні циліндра, куди підводили вогонь, щоб випарити її. Конденсація води досягалась просто тим, що джерело нагріву забирали з під циліндра. Саме з цієї причини цей двигун не знайшов практичного використання.
Успіх прийшов до Томаса Ньюкомена, коли йому удалось приєднати поршень і циліндр до окремого котла машини Севері за допомогою клапанів, що регулювали надходження пари і охолоджуючого струменя води, як це схематично показано на рис. 3.18. Важко сказати в якій мірі Ньюкомен знав про двигун Папена й інших, про досліди з поршнем, циліндром і розрідженням, але, мабуть, деякі відомості про них він мав. Ньюкомен розпочав роботи над своїм винаходом ще до 1705 року, а перша машина була побудована не раніше 1712 року (рис.3.18). Це був справжній успіх. У 1729 році машини Ньюкомена працювали в Австрії, Бельгії, Франції, Германії, Угорщині й Швеції. Починаючи з 1720 року, ця машина широко використовувалась на рудниках. Так близько 1778 року там вже було більше 70 машин.
Рис. 3.18. Схема дії атмосферної машини Ньюкомена
Послідовність циклів її дії указана цифрами в колах. Роботу здійснює атмосферний тиск на протязі робочого ходу (права половина діаграми), завдяки чому машину називають атмосферною. Багато важливих деталей (наприклад, пристрій для відводу води, що конденсується в циліндрі) на діаграмі не показано.
Зліва: 1 – поршень насоса опускається під дією сили тяжіння вниз; 2 – робочий поршень машини піднімається; 3 – пара з котла поступає в робочий циліндр.
Справа: 1 – струмінь впорскуваної в робочий циліндр води конденсує пару, створюючи розрідження; 2 – атмосферний тиск штовхає робочий поршень машини вниз; 3 – поршень насоса піднімається.
У ці часи на півночі Англії було 100 машин, із них 57 – у вугільних басейнах. Незважаючи на низький ККД, багато машин Ньюкомена знаходились ще довго в експлуатації навіть після винайдення більш досконалої машини Уатта. Останню машину Ньюкомена на вугільних шахтах Англії демонстрували в 1934 році.