Первые упоминания о двигателе, работающем за счёт силы пара, встречаются ещё до Нашей Эры. Например, древнегреческий учёный Герон Александрийский (I–II вв. до н.э.) прославился как изобретатель остроумных механизмов и эолипила – модели паровой турбины (см. рисунок). Пар, выходящий из согнутых трубок, впаянных в полый шар, заставлял его вращаться. Эолипил не производил никакой полезной работы и поэтому так и остался забавной игрушкой. Это показывает, что открытия учёных не получают развития до тех пор, пока в обществе не созреют условия для их освоения и совершенствования. Идея паровых двигателей получила новое развитие только через десятки веков – в XVII веке после открытия физиками атмосферного давления.

В 1680 г французский инженер Дени Папен создал машину, в которой получал вакуум охлаждением кипящей в цилиндре воды. Поршень мог поднять груз верёвкой, перекинутой через колёса. Машина Папена ещё не была автоматическим двигателем, поскольку для циклического подъёма-опускания поршня цилиндр нужно было вручную то снимать с огня, то вновь ставить на него. Для автоматизации цикличности Папен предложил создавать пар не в цилиндре, кипятя в нём воду, а в отдельном котле, однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил.

Первым полу-автоматическим паровым двигателем стал насос, сконструированный английским инженером Томасом Севери в 1689 году (см. рисунок). Главная его часть – сосуд 1, в который из парового котла 2, открывая вентиль 3, впускали порцию горячего пара, и он выдавливал воду вверх, которая при своём движении открывала клапан 4 и закрывала клапан 5. При закрывании вентиля пар внутри сосуда конденсировался, вместо него образовывался вакуум, и под действием атмосферного давления через нижнюю трубку засасывалась новая порция воды. Насос Севери нашёл применение в промышленности – для откачки воды с глубин не более 10 м. Это было ограничено величиной атмосферного давления.

Английский изобретатель Томас Ньюкомен, развив идеи Севери, в 1712 г сконструировал улучшенный полу-автоматический паровой двигатель, приводивший в действие насос (см. рисунок). Однако Ньюкомен совершил настоящую революцию в инженерных решениях – насос и двигатель были пространственно отделены друг от друга, то есть именно Ньюкомен создал первый практически пригодный паровой двигатель, которым, при желании, можно было приводить в действие не только насос, но и любое устройство. Но паровой двигатель Ньюкомена так и оставался полу-автоматическим, поскольку для открывания и закрывания вентилей с паром и водой требовалось постоянное участие человека. Двигатель Ньюкомена применялся для откачки воды шахт с глубиной более 10 м, для подачи воды в фонтаны.

Автоматический паровой двигатель с непрерывным действием был создан только к концу XVIII века английским изобретателем Джеймсом Уаттом. Его главной заслугой было то, что он был первым инженером, кто догадался, что цилиндр не нужно попеременно нагревать и охлаждать, а нужно поддерживать постоянно нагретым. Это должно заметно сократить расход топлива. Но как тогда конденсировать пар, если не охлаждением рабочего цилиндра? Решение оказалось очень простым – соединить цилиндр трубкой с пустым холодным сосудом, который получил название конденсатора. Кроме того, вместо использования атмосферного давления для рабочего хода, Уатт применяет давление пара, снабжая рабочий цилиндр четырьмя клапанами, попеременно регулирующими поступление пара то с одной, то с другой стороны поршня в цилиндре (см. рисунок).

С этими инженерными инновациями к 1782 году паровой двигатель Уатта оказывается более чем в 3 раза эффективнее двигателя Ньюкомена. Высокая эффективность последних моделей привела к резкому расширению использования энергии пара в промышленности. Паровые машины работали на фабриках и заводах, приводили в движение пароходы и первые паровозы. Основным преимуществом паровых машин являлось то, что они могут использовать практически любые источники тепла для его преобразования в механическую работу.

В 1884 году английский инженер Чарльз Парсоне изобрёл первую применимую на практике паровую турбину. Её конструкция была столь эффективна, что турбинами вскоре стали заменять паровые двигатели на электростанциях. У лучших образцов турбин КПД 35-40%. Сегодня паровозы и пароходы стали музейной редкостью – слишком низкий КПД у машин с возвратно-поступательным движением поршня в цилиндре. Однако паровые турбины исправно служат людям и по сей день.

Почему же паровые машины с возвратно-поступательным движением поршня в течение столь долгого времени, несмотря на низкий КПД, имели широкое применение на транспорте? Дело в том, что паровая машина имеет отличную тяговую характеристику: чем с большей силой нагрузка сопротивляется перемещению поршня, тем с большей силой давит на него пар! То есть вращающий момент, развиваемый паровой машиной, возрастает в трудных условиях движения, что очень важно на транспорте. Отсутствие для паровой машины необходимости в сложной системе переменных передач к ведущим осям ни в коей мере не искупает её главного порока – низкого коэффициента полезного действия. Этим и объясняется вытеснение паровой машины другими двигателями.

(С) 2014. Иванова Любовь Антоновна (г.Иркутск) в соавторстве с «Физика.ru».