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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
증기 기관. 발명과 생산의 역사
증기 기관은 수증기 에너지를 피스톤 왕복 운동의 기계적 작업으로 변환한 다음 샤프트의 회전 운동으로 변환하는 외부 연소 열 기관입니다. 더 넓은 의미에서 증기 기관은 증기 에너지를 기계 작업으로 변환하는 외부 연소 엔진입니다. 최초의 증기 기관은 1705세기에 만들어졌습니다. Papen은 증기의 작용에 의해 상승하고 배기 증기가 두꺼워진 후 대기압에 의해 하강하는 피스톤이 있는 실린더를 나타냅니다. 같은 원리로 Savery와 Newcomen의 증기 기관은 1769년에 광산에서 물을 퍼내기 위해 만들어졌습니다. 증기 기관의 최종 개선은 XNUMX년 와트(Watt)에 의해 이루어졌습니다.
XNUMX세기 후반까지 사람들은 주로 생산을 위해 수차를 사용했습니다. 물레방아의 기계적인 움직임을 장거리로 전달할 수 없기 때문에 모든 공장을 강둑에 지어야 했고 항상 편리한 것은 아니었습니다. 또한 이러한 엔진의 효율적인 작동을 위해서는 고가의 준비 작업(연못 개발, 댐 건설 등)이 종종 필요했습니다. 물레방아는 다른 단점도 있었습니다. 동력이 낮고 작업이 계절에 따라 달라지며 조정하기가 어려웠습니다. 점차적으로 근본적으로 새로운 엔진에 대한 필요성이 절실히 느껴지기 시작했습니다. 강력하고 저렴하며 자율적이며 쉽게 제어할 수 있습니다. 증기 기관은 한 세기 동안 그러한 엔진이되었습니다. 증기 기관의 아이디어는 고대에 알려진 왕복식 워터 펌프의 설계에 의해 발명가에게 부분적으로 제안되었습니다. 작동 원리는 매우 간단했습니다. 피스톤이 올라가면 물이 바닥에 있는 밸브를 통해 실린더로 빨려 들어갔습니다. 실린더와 도수관을 연결하는 측면 밸브는 그 당시에 닫혀 있었는데, 이 파이프에서 나오는 물도 실린더 내부로 들어가는 경향이 있어 이 밸브가 닫히기 때문입니다. 피스톤이 낮아지면 실린더의 물에 압력이 가해지기 시작하여 하부 밸브가 닫히고 측면 밸브가 열렸습니다. 이때 실린더의 물은 라이저 파이프로 공급되었습니다. 피스톤 펌프에서 외부로부터 받은 일은 펌프 실린더를 통해 유체를 이동시키는 데 사용되었습니다. 증기 기관의 발명가는 동일한 디자인을 사용하려고 시도했지만 반대 방향으로만 사용했습니다. 피스톤 실린더는 모든 증기 피스톤 엔진의 기초입니다.
그러나 최초의 증기 기관은 깊은 광산에서 물을 펌핑하는 데 사용된 증기 펌프만큼 많은 엔진이 아니었습니다. 그들의 작동 원리는 냉각 및 물로 응축 된 후 증기가 가열 된 상태보다 170 배 적은 공간을 차지한다는 사실에 근거했습니다. 가열된 증기로 용기에서 공기를 강제로 내보내고 닫은 다음 증기를 식히면 용기 내부의 압력이 외부보다 훨씬 낮아집니다. 외부 대기압은 그러한 용기를 압축할 것이며, 피스톤이 그 안에 배치되면 더 큰 힘으로 내부로 이동할 것입니다. 처음으로 그러한 기계의 모델은 Papin에 의해 1690년에 제안되었습니다. 1702년에 그는 자신의 Severi 펌프를 만들었습니다. 그러나 1711세기 전반기에 가장 널리 사용된 것은 XNUMX년에 만들어진 Newcomen 증기 기관이었습니다.
증기 실린더는 증기 보일러 위의 Newcomen에 배치되었습니다. 피스톤 로드(피스톤에 연결된 로드)는 밸런스 바의 끝에 유연한 연결로 연결되었습니다. 펌프 로드는 밸런서의 다른 쪽 끝에 연결되었습니다. 피스톤은 균형 막대의 반대쪽 끝에 부착된 균형추의 작용으로 상단 위치로 올라갔습니다. 또한 피스톤의 상향 이동은 당시 실린더로 발사된 증기의 도움을 받았습니다. 피스톤이 가장 높은 위치에 있을 때 밸브가 닫혀 보일러에서 실린더로 증기가 유입되고 물이 실린더로 분사됩니다. 이 물의 작용으로 실린더의 증기가 빠르게 냉각되고 응축되어 실린더의 압력이 떨어졌습니다. 실린더 내부와 외부의 생성된 압력 차이로 인해 대기압의 힘이 피스톤을 아래로 이동시키면서 유용한 작업을 수행합니다. 펌프 로드를 이동시키는 밸런서가 작동합니다. 따라서 피스톤이 아래로 내려갈 때만 유용한 작업이 수행되었습니다. 그런 다음 증기가 실린더로 다시 시작되었습니다. 피스톤이 다시 올라갔고 실린더 전체가 증기로 가득 찼습니다. 물이 다시 튀었을 때 증기가 다시 응축된 후 피스톤이 또 다른 유용한 하향 이동을 하는 식이었습니다. 사실 뉴커먼의 기계에서는 대기압이 작용했고 증기는 희박한 공간을 만드는 역할만 했다.
증기 기관의 추가 개발에 비추어 Newcomen 기계의 주요 단점은 명확 해졌습니다. 작동 실린더는 동시에 콘덴서였습니다. 이 때문에 실린더를 냉각했다가 가열하는 과정을 교대로 해야 했고, 연료 소모량이 매우 높은 것으로 판명됐다. 50마리의 말이 차에 타고 있어 필요한 연료를 공급할 시간이 거의 없는 경우가 있었습니다. 이 기계의 성능 계수(COP)는 1%를 거의 초과하지 않았습니다. 즉, 전체 열량의 99%가 무익하게 낭비되는 것입니다. 그럼에도 불구하고 이 기계는 영국, 특히 석탄이 싼 광산에서 널리 보급되었습니다. 후속 발명가들은 Newcomen 펌프를 몇 가지 개선했습니다. 특히 1718년 Bayton은 자동으로 증기를 켜거나 끄고 물을 유입시키는 자체 작동 분배 메커니즘을 고안했습니다. 그는 또한 증기 보일러에 안전 밸브를 추가했습니다. 그러나 Newcomen의 기계 개념은 글래스고 대학의 기계공인 James Watt가 개선을 시작할 때까지 50년 동안 변함이 없었습니다. 1763-1764년에 그는 대학에 속한 Newcomen의 기계 샘플을 수리해야 했습니다. Watt는 그것의 작은 모델을 만들고 그 작동을 연구하기 시작했습니다. 동시에 그는 대학에 속한 일부 도구를 사용할 수 있었고 교수의 조언을 사용할 수 있었습니다. 이 모든 것을 통해 그는 문제를 보기 전의 많은 역학보다 더 광범위하게 문제를 볼 수 있었고 훨씬 더 발전된 증기 기관을 만들 수 있었습니다.
모델을 사용하여 Watt는 증기가 냉각된 실린더로 유입될 때 벽에 상당한 양으로 응축된다는 것을 발견했습니다. 엔진을 보다 경제적으로 작동하려면 실린더를 지속적으로 가열하는 것이 더 편리하다는 것이 와트에게 즉시 분명해졌습니다. 그러나이 경우 증기를 응축하는 방법은 무엇입니까? 몇 주 동안 그는 이 문제를 해결하는 방법을 숙고했고 마침내 증기 냉각이 메인 짧은 튜브에 연결된 별도의 실린더에서 이루어져야 한다는 것을 깨달았습니다. Watt 자신은 한 번 저녁 산책 중에 세탁소를지나 창문에서 빠져 나가는 증기 구름을보고 탄력있는 몸체 인 증기가 희소 한 공간으로 돌진해야한다고 추측했다고 회상했습니다. 바로 그때 Newcomen의 기계에 증기 응축을 위한 별도의 용기가 추가되어야 한다는 아이디어가 떠올랐습니다. 기계 자체에 의해 구동되는 간단한 펌프는 응축기에서 공기와 물을 제거할 수 있으므로 기계가 작동할 때마다 배출 공간이 생성될 수 있습니다.
그 후 Watt는 몇 가지를 더 개선했으며 그 결과 기계는 다음과 같은 형태를 취했습니다. 튜브는 실린더의 양쪽에 연결되었습니다. 아래쪽을 통해 증기 보일러에서 증기가 유입되고 위쪽을 통해 응축기로 배출됩니다. 콘덴서는 수직으로 서 있는 두 개의 주석 튜브로 구성되어 있고 상단에서 탭으로 막힌 구멍이 있는 짧은 수평 튜브로 서로 연결되어 있습니다. 이 튜브의 바닥은 공기 배출 펌프 역할을 하는 세 번째 수직 튜브에 연결되었습니다. 냉장고와 공기 펌프를 구성하는 튜브는 작은 실린더에 찬 물이 들어 있습니다. 증기 튜브는 보일러에 연결되어 증기가 실린더로 방출되었습니다. 증기가 실린더에 채워지면 증기 밸브가 닫히고 응축기 공기 펌프의 피스톤이 올라가므로 응축기 튜브에 높은 배출 공간이 확보됩니다. 증기가 튜브로 돌진하여 거기에 응축되고 피스톤이 올라가서 하중을 끌었습니다 (이것이 피스톤의 유용한 작업이 측정 된 방법입니다). 그런 다음 콘센트 콕이 닫혔습니다. 1768년 이 모델을 기반으로 Watt의 대형 기계가 광부 Rebuk의 광산에 만들어졌으며 1769년에 그의 첫 번째 특허를 받은 발명에 대한 것입니다. 그의 발명에서 가장 기본적이고 중요한 것은 실린더의 일정한 가열에 에너지가 소비되지 않기 때문에 증기 실린더와 응축기의 분리였습니다. 자동차는 더욱 경제적이 되었습니다. 효율성이 높아졌습니다. 다음 몇 년 동안 Watt는 엔진을 개선하기 위해 열심히 일했습니다. 동시에 그는 재정적으로나 기술적으로 많은 어려움을 극복해야 했습니다. 그는 그에게 돈을 제공한 금속 가공 공장의 소유자인 볼튼과 함께 회사에 들어갔다. 다른 문제가 있었습니다. 엔진은 부품을 서로 단단하게 고정하고 정확하게 맞춰야 했습니다. 피스톤과 실린더는 증기가 새는 것을 방지하기 위해 완벽한 크기를 가져야 했습니다. 이러한 정확도는 당시의 기계 공학에서는 새로운 것이었으며 필요한 정밀 기계조차 없었습니다. 대구경 실린더의 언더컷은 거의 해결되지 않는 문제인 것 같았습니다. 결과적으로 첫 번째 와트 기계는 불만족스럽게 작동했습니다. 실린더에서 증기가 빠져 나오고 커패시터가 제대로 작동하지 않고 피스톤로드가 움직이는 구멍을 통해 증기가 휘파람을 불고 피스톤과 실린더의 벽 사이에서 누출되었습니다. 보링 실린더용 특수 기계를 만들어야 했습니다. (일반적으로 증기 기관의 생성은 공작 기계 제작의 진정한 혁명의 시작이었습니다. 증기 기관의 생산을 마스터하기 위해서는 기계 공학이 질적으로 더 높은 수준으로 올라 가야했습니다.) 마침내 모든 어려움을 극복했습니다. , 1776년부터 증기 기관의 공장 생산이 시작되었습니다. 1776 설계와 비교하여 1765 기계에 몇 가지 근본적인 개선이 이루어졌습니다. 피스톤은 증기 재킷(자켓)으로 둘러싸인 실린더 내부에 배치되었습니다. 그 결과 열 손실이 최소화되었습니다. 실린더가 열려있는 동안 케이싱은 위에서 닫혔습니다. 증기는 측면 파이프를 통해 보일러에서 실린더로 들어갔습니다. 실린더는 증기 배출 밸브가 장착된 파이프에 의해 응축기에 연결되었습니다. 이 밸브의 약간 위에 실린더에 더 가까운 두 번째 밸런싱 밸브가 배치되었습니다. 두 밸브가 모두 열리면 보일러에서 방출된 증기가 피스톤 위와 아래의 모든 공간을 채우고 파이프를 통해 응축기로 공기를 강제로 보냅니다. 밸브가 닫혔을 때 전체 시스템은 계속 평형을 유지했습니다. 그런 다음 아래쪽 출구 밸브가 열려 피스톤 아래 공간을 응축기와 분리했습니다. 이 공간의 증기는 응축기로 보내져 여기에서 냉각되어 응축됩니다. 이 경우 피스톤 아래에 희박한 공간이 생겨 압력이 떨어졌습니다. 위에서부터 보일러에서 나오는 증기가 계속해서 압력을 가했습니다. 그 작용으로 피스톤이 내려와 유용한 작업을 수행했으며 이는 밸런서의 도움으로 펌프 로드로 옮겨졌습니다. 피스톤이 가장 낮은 위치로 떨어진 후 상부 밸런싱 밸브가 열렸습니다. 증기는 피스톤 위와 아래 공간을 다시 채웠습니다. 실린더의 압력이 균형을 이룹니다. 밸런스 바 끝에 위치한 균형추의 작용으로 피스톤이 자유롭게 올라갔습니다(유용한 작업 없이). 그런 다음 전체 프로세스가 동일한 순서로 계속되었습니다. Newcomen의 엔진과 마찬가지로 이 Watt 기계는 단방향으로 유지되었지만 이미 중요한 차이가 있었습니다. Newcomen의 작업이 대기압에 의해 수행된 경우 증기가 Watt에 대해 수행한 것입니다. 증기압을 높이면 엔진의 출력이 증가하여 작동에 영향을 줄 수 있습니다. 그러나 이것은 이러한 유형의 기계의 주요 단점을 제거하지 못했습니다. 그들은 단 하나의 작동 운동을 만들었고 저크에서 작동했기 때문에 펌프로만 사용할 수 있었습니다. 1775년에서 1785년 사이에 이 증기 기관 중 66대가 제작되었습니다. 증기 기관이 다른 기계에 동력을 공급할 수 있으려면 균일한 원형 운동을 만드는 것이 필요했습니다. 이러한 기계의 근본적인 차이점은 피스톤이 전진과 후진의 두 가지 작동 운동을 해야 한다는 것이었습니다. 이러한 복동식 엔진은 1782년 Watt에 의해 개발되었습니다. 여기에서 증기는 피스톤의 한쪽에서 먼저 방출된 다음 다른 쪽에서 방출되며 증기 유입구 반대편의 공간은 매번 응축기와 연결됩니다. 이 문제는 독창적인 출구 파이프 시스템의 도움으로 해결되었으며 스풀의 도움으로 닫히고 열렸습니다.
스풀은 증기를 통과시키기 위해 두 개의 구멍 앞에서 움직이는 밸브였습니다. 밸브가 한쪽 또는 다른쪽으로 움직일 때마다 구멍 하나가 열리고 다른 구멍이 닫히므로 증기가 통과 할 수있는 경로가 변경되었습니다. 스풀의 움직임은 각 극단 위치에서 복잡한 특성을 가지고 있었는데, 한 구멍이 열려 있고 다른 구멍이 닫힐 때 증기의 일부를 건너뛰기 위해 잠시 멈춰야 했고 중간 위치를 최대한 빨리 통과해야 했습니다. 가능한. 스풀의 움직임은 샤프트에 위치한 특수 메커니즘에 의해 제어되었습니다. 그것의 주요 부분은 편심이었습니다.
Watt가 발명한 편심은 특별한 모양의 판으로 구성되어 있으며, 이 판의 중심이 아니라 어느 정도 떨어져 있는 축에 위치합니다. 이 장착으로 다른 쪽보다 액슬의 한쪽에 더 많은 플레이트가 있었습니다. 판 자체는 스풀을 움직이기 위해 막대가 부착된 링으로 둘러싸여 있었습니다. 플레이트가 회전하는 동안 원형은 링 표면 내부의 새로운 점에 지속적으로 눌려지고 더 넓은면으로 움직이게됩니다. 샤프트의 각 회전과 함께 스풀의 한 스트로크가 발생했습니다. 링의 회전 특성(및 그에 따른 추력의 움직임)은 편심에 삽입된 플레이트의 모양에 따라 다릅니다. 계산을 통해 XNUMX회전 동안 스풀의 가속, 감속 또는 정지를 일으키는 이러한 형태가 선택되었습니다. 이 장치의 도입으로 Watt는 기계의 작동을 완전 자동으로 만들었습니다. 처음에는 증기 공급을 조절하는 임무를 맡은 작업자가 엔진 작동을 관찰했습니다. 엔진이 너무 높은 속도를 제공하기 시작하면 특수 댐퍼로 증기 분배 파이프를 막아 증기 압력을 낮춥니다. 그런 다음 이 기능은 다음과 같이 배열된 특수 원심 조절기에 할당되었습니다. 작업 샤프트의 움직임이 레귤레이터 풀리로 전달되었습니다. 후자가 너무 빨리 회전하기 시작하면(따라서 엔진 속도가 과도하게 증가함) 원심력의 작용으로 레귤레이터 볼이 위로 올라가 밸브 슬리브와 증기의 양을 제한하는 레버를 작동시킵니다. 회전수가 감소함에 따라 볼이 떨어지고 밸브가 약간 열렸습니다.
이러한 모든 장치의 작동을 감안할 때 기계의 일반적인 원리를 쉽게 상상할 수 있습니다. 증기 보일러에서 증기는 파이프를 통해 b 공간으로 흐르고 거기에서 스풀의 움직임으로 인해 피스톤 B 위 또는 아래에 있는 실린더로 향하게 됩니다. 증기가 피스톤 위의 공간에 들어가면 증기가 내려오고 피스톤 아래에 있으면 증기가 올라갑니다. 증기 파이프에는 필요에 따라 더 많거나 적은 증기가 통과할 수 있는 밸브가 있었습니다. 밸브의 위치는 증기 원심 조절기 f에 의해 조절되었습니다. SS가 스풀 상자 아래 기계의 다른 쪽을 통과하고 레버를 사용하여 스풀을 올리거나 내리는 메인 샤프트에 편심 e가 앉아 있습니다. 피스톤 B의 움직임은 실린더 헤드에 완전히 단단히 통과 한로드 O와 이동식 로커로 전달되었습니다. 로커의 반대쪽 끝에는 메인 샤프트 K의 크랭크를 아래에서 캡처하는 부품 G가 있으므로 피스톤이 상승 및 하강할 때마다 이 샤프트와 플라이휠 L이 XNUMX회전합니다. 힘은 벨트 또는 다른 수단을 사용하여 메인 샤프트에서 전달되어야 하는 곳에서 전달되었습니다. 콘덴서는 기계 바닥에 있습니다. 펌프 q에 의해 지속적으로 재생되는 물로 채워진 탱크와 결로가 발생한 탱크 D로 구성됩니다. 차가운 물은 탱크를 둘러쌀 뿐만 아니라 많은 작은 구멍을 통해 탱크 안으로 튀었습니다. 배수 된 뜨거운 물은 워터 펌프 C의 도움으로 지속적으로 펌핑되었습니다. 따뜻한 물은 상자에 들어가고 펌프 Mm의 도움으로 증기 보일러로 다시 펌핑되었습니다.
피스톤에서 샤프트로 운동을 전달하는 메커니즘을 만드는 데는 와트의 엄청난 노력이 필요했습니다. 그가 해결한 많은 작업은 일반적으로 당시의 기술적 가능성의 경계에 있었습니다. 문제 중 하나는 필요한 견고성을 만드는 것이 었습니다. 복동 실린더에서는 단동 실린더와 달리 양쪽이 단단히 닫혀야 했습니다. 그러나 피스톤은 외부 부품과 연결되어야 하기 때문에 커버에 둥근 구멍이 남게 되었고 피스톤 로드(로드)가 완전히 빡빡하게 들어갔습니다. Watt는 실린더의 금속에 닿지 않고 막대가 미끄러지는 뚜껑에 단단히 조여진 두꺼운 층의 기름을 바른 토우를 넣는 아이디어를 생각해 냈습니다. 또한 막대는 부드러움으로 인해 거의 문지르지 않았습니다. 또 다른 문제는 이동 변환 메커니즘 자체에 있었습니다. 결국 피스톤이 위로 이동하는 동안 수행한 유용한 작업을 전달하려면 피스톤 로드가 밸런스 바에 단단히 연결되어야 했습니다. 이전의 모든 증기 기관에서는 체인으로 연결되었습니다. 이제 직선으로 움직이는 막대와 호를 따라 움직이는 밸런서의 끝을 단단하게 연결하는 방법에 대해 생각해야했습니다. Watt는 Watt의 평행사변형이라고 하는 특별한 전송 장치를 만들어 이를 달성했습니다.
로커 암 A의 끝은 여기에서 링크 ADB에 의해 연결되었으며 레버 BC의 B 지점은 C 지점에서 엔진의 일부 고정 부분에 연결되었습니다. 따라서 전체 시스템에는 두 개의 고정 회전 지점이 있습니다. 즉, 균형 막대가 진동하는 균형 막대의 중심과 레버 CB가 회전하는 지점 C가 있습니다. 밸런스 바 끝의 점 A와 레버 CB 끝의 점 B는 균형 바의 중심과 점 C에서 설명한 호를 따라 이동했습니다. 동시에 막대 ADB의 점 D는 점 A와 연결 B는 움직임을 수직과 직선에 매우 가깝게 만들었습니다. 이 지점은 피스톤 로드에 연결되었습니다. 그 후 Watt는 직선 운동을 연결하는 두 점을 얻어 이 전송 장치를 개선했습니다. 그는 그들 중 하나를 피스톤 로드에 연결하고 다른 하나는 엔진을 제공하는 보조 펌프의 로드에 연결했습니다. 이 전송 장치를 만드는 데는 Watt가 자신의 가장 위대한 발명품으로 여겼을 정도로 많은 노력이 필요했습니다. 그는 이렇게 썼습니다. "나는 내 명성에 대해 특별히 신경 쓰지 않지만, 나는 다른 어떤 발명보다 평행사변형의 발명이 더 자랑스럽습니다."
그런 다음 밸런서의 진동 운동은 크랭크의 도움으로 회전으로 변환되었습니다 (크랭크 메커니즘은 Picard에 의해 특허 되었기 때문에 첫 번째 Watt 기계에서 밸런서의 진동 운동은 생성 된 태양-행성 메커니즘을 사용하여 회전으로 변환되었습니다. Watt에 의해 Picard의 특허가 만료되자마자 크랭크 변속기를 사용하기 시작했습니다. 이러한 모든 변형의 결과로 얻은 작업축의 회전 운동 덕분에 새로운 Watt 엔진은 다른 작업 기계를 구동하는 데 적합했습니다. 이를 통해 그는 대형 기계 산업의 발전에 혁명적인 역할을 할 수 있었습니다. 1785년에서 1795년 사이에 이러한 증기 기관이 144대가 생산되었으며 1800년에는 이미 영국에서 321와트의 증기 기관이 운영되고 있었습니다. 그들은 모든 생산 영역에서 문자 그대로 사용되었습니다. 와트의 위대한 업적은 그의 동시대인들과 후손들에게 정당하게 평가되었습니다. 1819년 발명가가 사망한 후 영국 의회는 웨스트민스터 사원에 대리석 기념물을 건립하여 그의 추모를 기렸습니다. 저자: Ryzhov K.V.
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