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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Machine à vapeur. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Une machine à vapeur est un moteur thermique à combustion externe qui convertit l'énergie de la vapeur d'eau en travail mécanique du mouvement alternatif du piston, puis en mouvement de rotation de l'arbre. Dans un sens plus large, une machine à vapeur est tout moteur à combustion externe qui convertit l'énergie de la vapeur en travail mécanique. La première machine à vapeur a été construite au 1705ème siècle. Papen et représentait un cylindre avec un piston, qui était soulevé par l'action de la vapeur et abaissé par la pression de l'atmosphère après que la vapeur d'échappement se soit épaissie. Sur le même principe, les machines à vapeur de Savery et Newcomen sont construites en 1769 pour pomper l'eau des mines. Les dernières améliorations de la machine à vapeur ont été apportées par Watt (Watt) en XNUMX.
Jusqu'à la seconde moitié du XVIIIe siècle, les gens utilisaient principalement des moteurs à eau pour les besoins de la production. Comme il est impossible de transmettre le mouvement mécanique d'une roue hydraulique sur de longues distances, toutes les usines ont dû être construites au bord des rivières, ce qui n'était pas toujours pratique. De plus, pour le fonctionnement efficace d'un tel moteur, des travaux préparatoires coûteux (aménagement de bassins, construction de barrages, etc.) étaient souvent nécessaires. Les roues hydrauliques présentaient également d'autres inconvénients : elles avaient une faible puissance, leur travail dépendait de la saison et était difficile à régler. Peu à peu, le besoin d'un moteur fondamentalement nouveau s'est fait sentir avec acuité : puissant, bon marché, autonome et facilement contrôlable. La machine à vapeur est devenue un tel moteur pendant tout un siècle. L'idée d'une machine à vapeur a été en partie suggérée à ses inventeurs par la conception d'une pompe à eau alternative, connue dans l'Antiquité. Le principe de son fonctionnement était très simple : lorsque le piston était relevé, de l'eau était aspirée dans le cylindre par une valve située dans son fond. La vanne latérale qui reliait le cylindre au tuyau de remontée d'eau était fermée à ce moment, car l'eau de ce tuyau avait également tendance à entrer dans le cylindre et fermait ainsi cette vanne. Lorsque le piston a été abaissé, il a commencé à exercer une pression sur l'eau dans le cylindre, à cause de quoi la soupape inférieure s'est fermée et la soupape latérale s'est ouverte. À ce moment, l'eau du cylindre était alimentée par la colonne montante. Dans une pompe à piston, le travail reçu de l'extérieur était consacré au déplacement du fluide à travers le cylindre de la pompe. Les inventeurs de la machine à vapeur ont essayé d'utiliser la même conception, mais seulement dans le sens opposé. Le piston-cylindre est la base de tous les moteurs à piston à vapeur.
Les premières machines à vapeur, cependant, n'étaient pas tant des moteurs que des pompes à vapeur utilisées pour pomper l'eau des mines profondes. Le principe de leur fonctionnement reposait sur le fait qu'après refroidissement et condensation en eau, la vapeur occupait 170 fois moins d'espace qu'à l'état chauffé. Si vous forcez l'air à sortir du récipient avec de la vapeur chauffée, fermez-le, puis refroidissez la vapeur, la pression à l'intérieur du récipient sera bien inférieure à celle à l'extérieur. La pression atmosphérique externe comprimera un tel récipient, et si un piston y est placé, il se déplacera vers l'intérieur avec une force d'autant plus grande que sa surface sera grande. Pour la première fois, un modèle d'une telle machine fut proposé en 1690 par Papin. En 1702, il crée sa propre pompe Severi. Mais la plus utilisée dans la première moitié du XVIIIe siècle est la machine à vapeur Newcomen, créée en 1711.
Le cylindre à vapeur a été placé à Newcomen au-dessus de la chaudière à vapeur. La tige de piston (la tige reliée au piston) était reliée par une liaison souple à l'extrémité de la barre d'équilibrage. La tige de la pompe était reliée à l'autre extrémité de l'équilibreur. Le piston est monté en position haute sous l'action d'un contrepoids fixé à l'extrémité opposée de la barre d'équilibrage. De plus, le mouvement ascendant du piston était assisté par de la vapeur lancée à ce moment dans le cylindre. Lorsque le piston était dans sa position la plus haute, la vanne était fermée, ce qui laissait passer la vapeur de la chaudière dans le cylindre, et de l'eau était pulvérisée dans le cylindre. Sous l'action de cette eau, la vapeur dans le cylindre s'est rapidement refroidie, condensée et la pression dans le cylindre a chuté. En raison de la différence de pression créée à l'intérieur et à l'extérieur du cylindre, la force de la pression atmosphérique a déplacé le piston vers le bas, tout en effectuant un travail utile - elle a mis en mouvement l'équilibreur, qui a déplacé la tige de la pompe. Ainsi, un travail utile n'était effectué que lorsque le piston descendait. Ensuite, de la vapeur a été à nouveau lancée dans le cylindre. Le piston remonta et tout le cylindre fut rempli de vapeur. Lorsque de l'eau a été éclaboussé à nouveau, la vapeur s'est condensée à nouveau, après quoi le piston a effectué un autre mouvement utile vers le bas, et ainsi de suite. En fait, dans la machine de Newcomen, la pression atmosphérique faisait le travail et la vapeur ne servait qu'à créer un espace raréfié.
À la lumière du développement ultérieur de la machine à vapeur, le principal inconvénient de la machine de Newcomen devient clair - le cylindre de travail qu'elle contenait était en même temps un condenseur. Pour cette raison, il était nécessaire de refroidir puis de chauffer alternativement le cylindre, et la consommation de carburant s'est avérée très élevée. Il y avait des cas où il y avait 50 chevaux avec la voiture, ayant à peine le temps de livrer le carburant nécessaire. Le coefficient de performance (COP) de cette machine ne dépassait guère 1 %. En d'autres termes, 99% de toute l'énergie calorifique a été gaspillée sans résultat. Néanmoins, cette machine était répandue en Angleterre, notamment dans les mines, où le charbon était bon marché. Les inventeurs ultérieurs ont apporté plusieurs améliorations à la pompe Newcomen. En particulier, en 1718, Bayton proposa un mécanisme de distribution automatique qui activait ou désactivait automatiquement la vapeur et laissait entrer l'eau. Il a également ajouté une soupape de sécurité à la chaudière à vapeur. Mais le concept de la machine de Newcomen est resté inchangé pendant 50 ans, jusqu'à ce que James Watt, mécanicien à l'Université de Glasgow, se charge de son amélioration. En 1763-1764, il doit réparer un échantillon de la machine de Newcomen appartenant à l'université. Watt en fit un petit modèle et commença à étudier son fonctionnement. En même temps, il pouvait utiliser certains des instruments qui appartenaient à l'université et utilisait les conseils des professeurs. Tout cela lui a permis d'examiner le problème plus largement que de nombreux mécaniciens avant lui, et il a pu créer une machine à vapeur beaucoup plus avancée.
En travaillant avec le modèle, Watt a découvert que lorsque de la vapeur était lancée dans un cylindre refroidi, elle se condensait en quantités importantes sur ses parois. Il est immédiatement devenu clair pour Watt que pour un fonctionnement plus économique du moteur, il était plus opportun de maintenir le cylindre constamment chauffé. Mais comment dans ce cas condenser de la vapeur ? Pendant plusieurs semaines, il a réfléchi à la manière de résoudre ce problème et s'est finalement rendu compte que le refroidissement de la vapeur devait avoir lieu dans un cylindre séparé relié au tube court principal. Watt lui-même se rappela qu'une fois, au cours d'une promenade nocturne, il passa devant une laverie, puis, à la vue de nuages de vapeur s'échappant de la fenêtre, il devina que la vapeur, étant un corps élastique, devait s'engouffrer dans un espace raréfié. A ce moment-là, l'idée lui vint que la machine de Newcomen devait être complétée par un récipient séparé pour la condensation de la vapeur. Une simple pompe, entraînée par la machine elle-même, pourrait évacuer l'air et l'eau du condenseur, de sorte qu'à chaque coup de machine un espace déchargé puisse s'y créer.
Après cela, Watt a apporté plusieurs autres améliorations, à la suite desquelles la machine a pris la forme suivante. Des tubes étaient reliés aux deux côtés du cylindre: par le bas, la vapeur entrait de la chaudière à vapeur et par le haut, elle était évacuée vers le condenseur. Le condenseur se composait de deux tubes en étain dressés verticalement et reliés l'un à l'autre en haut par un court tube horizontal avec un trou obturé par un robinet. Le fond de ces tubes était relié à un troisième tube vertical qui servait de pompe de sortie d'air. Les tubes qui composaient le réfrigérateur et la pompe à air étaient placés dans un petit cylindre d'eau froide. Le tube à vapeur était relié à une chaudière, à partir de laquelle la vapeur était libérée dans un cylindre. Lorsque la vapeur a rempli le cylindre, la vanne de vapeur a été fermée et le piston de la pompe à air du condenseur a été soulevé, ce qui a permis d'obtenir un espace hautement déchargé dans les tubes du condenseur. La vapeur s'est engouffrée dans les tubes et s'y est condensée, et le piston s'est levé, entraînant la charge avec lui (c'est ainsi que le travail utile du piston a été mesuré). Ensuite, le robinet de sortie a été fermé. En 1768, sur la base de ce modèle, la grande machine de Watt fut construite à la mine du mineur Rebuk, pour l'invention de laquelle il reçut son premier brevet en 1769. Le plus fondamental et le plus important de son invention était la séparation du cylindre à vapeur et du condenseur, grâce à laquelle l'énergie n'était pas dépensée pour le chauffage constant du cylindre. La voiture est devenue plus économique. Son efficacité a augmenté. Au cours des années suivantes, Watt a travaillé dur pour améliorer son moteur. Parallèlement, il doit surmonter de nombreuses difficultés, tant financières que techniques. Il est entré dans une société avec le propriétaire d'une usine de métallurgie, Bolton, qui lui a fourni de l'argent. Il y avait d'autres problèmes : le moteur nécessitait une étanchéité et un emboîtement précis des pièces les unes aux autres. Le piston et le cylindre devaient être parfaitement dimensionnés pour empêcher la vapeur de s'échapper. Une telle précision était nouvelle pour l'ingénierie mécanique de l'époque ; il n'y avait même pas les machines de précision nécessaires. La sous-cotation des cylindres de grand diamètre semblait être un problème presque insoluble. En conséquence, les premières machines de Watt ne fonctionnaient pas de manière satisfaisante: de la vapeur s'échappait du cylindre, les condenseurs ne fonctionnaient pas bien, de la vapeur sifflait à travers le trou dans lequel la tige de piston se déplaçait, fuyait entre les parois du piston et du cylindre. J'ai dû créer des machines spéciales pour l'alésage des cylindres. (En général, la création d'une machine à vapeur a marqué le début d'une véritable révolution dans la construction de machines-outils - pour maîtriser la production de machines à vapeur, l'ingénierie mécanique a dû s'élever à un niveau qualitatif supérieur.) Enfin, toutes les difficultés ont été surmontées , et à partir de 1776, la production en usine de machines à vapeur a commencé. Plusieurs améliorations fondamentales ont été apportées à la machine 1776 par rapport à la conception 1765. Le piston était placé à l'intérieur du cylindre, entouré d'une chemise à vapeur (veste). En conséquence, la perte de chaleur a été réduite au minimum. Le boîtier était fermé par le haut, tandis que le cylindre était ouvert. La vapeur est entrée dans le cylindre de la chaudière par un tuyau latéral. Le cylindre était relié au condenseur par une canalisation munie d'une vanne de sortie de vapeur. Légèrement au-dessus de cette soupape et plus près du cylindre, une deuxième soupape d'équilibrage a été placée. Lorsque les deux vannes étaient ouvertes, la vapeur libérée de la chaudière remplissait tout l'espace au-dessus et au-dessous du piston, forçant l'air à travers un tuyau dans le condenseur. Lorsque les vannes ont été fermées, l'ensemble du système a continué à rester en équilibre. Ensuite, la soupape de sortie inférieure a été ouverte, séparant l'espace sous le piston du condenseur. La vapeur de cet espace était envoyée au condenseur, refroidie ici et condensée. Dans ce cas, un espace raréfié s'est créé sous le piston et la pression a chuté. D'en haut, la vapeur provenant de la chaudière continuait d'exercer une pression. Sous son action, le piston est descendu et a effectué un travail utile, qui a été transféré à la tige de pompe à l'aide d'un équilibreur. Après que le piston soit tombé dans sa position la plus basse, la vanne d'équilibrage supérieure s'est ouverte. La vapeur remplit à nouveau l'espace au-dessus et au-dessous du piston. La pression dans le cylindre était équilibrée. Sous l'action d'un contrepoids situé à l'extrémité de la barre d'équilibrage, le piston s'est soulevé librement (sans effectuer de travail utile). Ensuite, tout le processus s'est poursuivi dans le même ordre. Bien que cette machine de Watt, comme le moteur de Newcomen, soit restée unidirectionnelle, elle présentait déjà une différence importante - si le travail de Newcomen était effectué à la pression atmosphérique, la vapeur le faisait pour Watt. En augmentant la pression de la vapeur, il était possible d'augmenter la puissance du moteur et donc d'influer sur son fonctionnement. Cependant, cela n'éliminait pas le principal inconvénient de ce type de machines - elles ne faisaient qu'un seul mouvement de travail, elles fonctionnaient par à-coups et ne pouvaient donc être utilisées que comme pompes. Dans les années 1775-1785, 66 de ces machines à vapeur ont été construites. Pour qu'une machine à vapeur puisse entraîner d'autres machines, il fallait qu'elle crée un mouvement circulaire uniforme. La différence fondamentale entre une telle machine était que le piston devait effectuer deux mouvements de travail - à la fois vers l'avant et vers l'arrière. Un tel moteur à double effet a été développé par Watt en 1782. La vapeur ici était libérée d'abord d'un côté, puis de l'autre côté du piston, et l'espace du côté opposé à l'entrée de vapeur était à chaque fois relié au condenseur. Ce problème a été résolu à l'aide d'un système ingénieux de tuyaux de sortie, fermés et ouverts à l'aide d'une bobine.
La bobine était une soupape qui se déplaçait devant deux trous pour laisser passer la vapeur. À chaque coup de soupape d'un côté ou de l'autre, un trou s'ouvrait et un autre se fermait, à la suite de quoi le chemin par lequel la vapeur pouvait passer changeait. Le mouvement de la bobine avait un caractère complexe à chaque position extrême, lorsqu'un trou était ouvert et l'autre fermé, il fallait s'arrêter un moment pour sauter une partie de la vapeur, et passer la position médiane aussi vite que possible. possible. Le mouvement de la bobine était contrôlé par un mécanisme spécial situé sur l'arbre. La partie principale en était un excentrique.
L'excentrique, inventé par Watt, consistait en une plaque de forme spéciale, assise sur un axe situé non pas au centre de cette plaque, mais à une certaine distance de celle-ci. Avec ce montage, il y avait plus de plaque d'un côté de l'essieu que de l'autre. La plaque elle-même était entourée d'un anneau, auquel une tige était attachée pour déplacer la bobine. Lors de la rotation du plateau, sa rondeur s'appuyait constamment sur un nouveau point à l'intérieur de la surface de l'anneau et, avec son côté plus large, le mettait en mouvement. Avec chaque tour de l'arbre, un coup de la bobine se produisait. La nature de la rotation de l'anneau (et, par conséquent, le mouvement de la poussée) dépendait de la forme de la plaque insérée dans l'excentrique. Grâce à des calculs, une telle forme a été sélectionnée, ce qui, au cours d'une révolution, a provoqué soit une accélération, soit une décélération, soit un arrêt de la bobine. Avec l'introduction de cet appareil, Watt a rendu le fonctionnement de sa machine entièrement automatique. Au début, le fonctionnement de la machine était observé par un ouvrier chargé de régler l'alimentation en vapeur. Si le moteur commençait à donner une vitesse trop élevée, il bloquait le tuyau de distribution de vapeur avec un amortisseur spécial et réduisait ainsi la pression de vapeur. Ensuite, cette fonction a été attribuée à un régulateur centrifuge spécial, agencé comme suit. Le mouvement de l'arbre de travail était transmis à la poulie du régulateur. Lorsque ce dernier se mettait à tourner trop vite (et donc le régime moteur augmentait excessivement), les billes du régulateur se soulevaient sous l'action de la force centrifuge et mettaient en mouvement un manchon de soupape et un levier limitant la quantité de vapeur. Avec une diminution du nombre de tours, les billes sont tombées et la vanne s'est légèrement ouverte.
Etant donné le fonctionnement de tous ces dispositifs, il est aisé d'imaginer le principe général de la machine. De la chaudière à vapeur, la vapeur passait à travers le tuyau dans l'espace b, et de là, en raison du mouvement de la bobine, elle était dirigée vers le cylindre soit au-dessus du piston B, soit en dessous. Lorsque la vapeur pénétrait dans l'espace au-dessus du piston, celui-ci descendait, et une fois sous le piston, il le soulevait. Il y avait une vanne dans le tuyau de vapeur qui laissait passer plus ou moins de vapeur, selon les besoins. La position de la vanne était régulée par un régulateur centrifuge à vapeur f. Un excentrique était assis sur l'arbre principal, dont la tige SS passait de l'autre côté de la machine sous la boîte à bobines et, à l'aide d'un levier, soulevait ou abaissait la bobine. Le mouvement du piston B était transmis à la tige O, qui passait complètement hermétiquement dans la culasse, et de celle-ci au culbuteur mobile. À l'extrémité opposée de la bascule se trouvait la partie G, qui capturait par le bas la manivelle de l'arbre principal K. Ainsi, à chaque montée et descente du piston, il y avait une révolution de cet arbre et du volant L assis dessus. la force était transmise depuis l'arbre principal à l'aide de courroies ou d'autres moyens là où elle était censée être utilisée. Le condenseur était situé au bas de la machine. Il se composait d'un réservoir rempli d'eau, constamment renouvelée au moyen d'une pompe q, et d'un réservoir D où se faisait la condensation. L'eau froide entourait non seulement le réservoir, mais y éclaboussait également à travers de nombreux petits trous. L'eau chaude drainée était constamment pompée à l'aide de la pompe à eau C. L'eau chaude pénétrait dans la boîte et était à nouveau pompée dans la chaudière à vapeur à l'aide de la pompe Mm.
La création d'un mécanisme de transmission du mouvement du piston à l'arbre a nécessité d'énormes efforts de la part de Watt. Bon nombre des tâches qu'il a résolues étaient généralement à la frontière des possibilités techniques de l'époque. L'un des problèmes était de créer l'étanchéité nécessaire. Dans un vérin à double effet, contrairement à un vérin à simple effet, les deux côtés devaient être hermétiquement fermés. Mais comme le piston devait avoir une connexion avec des pièces externes, un trou rond a été laissé dans le couvercle, dans lequel la tige de piston (tige) s'est complètement serrée. Watt a eu l'idée de mettre une épaisse couche de câble huilé bien vissée dans le couvercle, le long de laquelle la tige a glissé sans toucher le métal du cylindre. De plus, la tige, du fait de sa douceur, frottait très peu. Un autre problème résidait dans le mécanisme de conversion du mouvement lui-même : après tout, pour transférer le travail utile effectué par le piston lorsqu'il montait, il était nécessaire que la tige du piston soit reliée de manière rigide à la barre d'équilibrage. Sur toutes les machines à vapeur précédentes, elles étaient reliées par une chaîne. Maintenant, je devais réfléchir à la manière de connecter de manière rigide la tige se déplaçant en ligne droite et l'extrémité de l'équilibreur se déplaçant le long d'un arc. Watt y est parvenu en créant un dispositif de transmission spécial, appelé parallélogramme de Watt.
L'extrémité du culbuteur A était ici articulée par une tringlerie ADB avec le point B du levier BC relié au point C à une partie fixe du moteur. Ainsi, l'ensemble du système avait deux points de rotation fixes : le centre du balancier, autour duquel oscillait le balancier, et le point C, autour duquel tournait le levier CB. Le point A à l'extrémité de la barre d'équilibre et le point B à l'extrémité du levier CB se sont déplacés le long d'arcs décrits à partir du centre de la barre d'équilibre et du point C. En même temps, le point D sur la tige ADB reliant les points A et B a effectué des mouvements très proches de la verticale et rectiligne. Ce point était relié à la tige de piston. Par la suite, Watt améliora ce dispositif de transmission en obtenant deux pointes reliant un mouvement rectiligne. Il connecta l'un d'eux à la tige du piston, et l'autre à la tige de la pompe auxiliaire desservant le moteur. La création de ce dispositif de transmission a demandé tant d'efforts à Watt qu'il le considérait comme sa plus grande invention. Il a écrit: "Bien que je ne me soucie pas particulièrement de ma renommée, je suis plus fier de l'invention du parallélogramme que de n'importe laquelle de mes autres inventions."
Ensuite, les mouvements oscillatoires de la barre d'équilibre ont été convertis à l'aide d'une manivelle en rotation (puisque le mécanisme à manivelle a été breveté par Picard, dans les premières machines de Watt, le mouvement oscillatoire de la barre d'équilibre a été converti en mouvement de rotation à l'aide du solaire-planétaire mécanisme créé par Watt, dès que le brevet de Picard a expiré, ils ont commencé à utiliser une transmission à manivelle). Grâce au mouvement de rotation de l'arbre de travail obtenu à la suite de toutes ces transformations, le nouveau moteur Watt était adapté à l'entraînement d'autres machines de travail. Cela lui a permis de jouer un rôle révolutionnaire dans le développement d'une grande industrie mécanique. Au cours des années 1785-1795, 144 machines à vapeur de ce type ont été produites et, en 1800, des machines à vapeur de 321 watts fonctionnaient déjà en Angleterre. Ils ont été utilisés littéralement dans toutes les sphères de la production. Le grand travail de Watt a été dûment apprécié par ses contemporains et ses descendants. Après la mort de l'inventeur en 1819, le Parlement anglais a honoré sa mémoire avec la construction d'un monument en marbre à l'abbaye de Westminster. Auteur : Ryzhov K.V.
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