< James Watt i maszyna parowa >

Silnik parowy to maszyna parowa, w której ruchy tłoka w cylindrze wynikają ze zmiennych nacisków pary wodnej. Pierwszego doświadczenia obrazującego wielką energię pary wodnej dokonał w 1605 wychowawca króla Ludwika XIII - Rivault. Wydrążoną grubościenną kulę metalową napełnił wodą, a po szczelnym zamknięciu umieścił w ognisku. W wyniku nagrzania woda zamieniona w parę o dużym ciśnieniu rozsadziła kulę. Na podstawie tego i podobnych doświadczeń oraz wielu odkryć dokonanych przez E. Torricellego i B. Pascala już od początku XVII w. podejmowane są próby skonstruowania maszyny wykorzystującej siłę, wynikającą z różnicy ciśnienia wywieranego na dwie strony tłoka. Pierwsze takie maszyny to prochowe maszyny atmosferyczne, konstruowane m.in. przez znanego fizyka Ch. Huygensa (1682). W maszynach tych po jednej stronie tłoka spalano proch, co powodowało silne rozgrzanie gazów, a po zamknięciu zaworu i oziębieniu tych gazów pod tłokiem powstawało podciśnienie. W efekcie ciśnienie atmosferyczne działające na tłok od góry przesuwało go w dolne partie naczynia, wykonując równocześnie pracę podnoszenia ciężarów zawieszonych na linie nawiniętej na obrotowym krążku. Na podobnej zasadzie w dniu dzisiejszym zamykane są słoiki typu „Veck" z przetworami owocowymi.

Pierwszą próbę zastąpienia prochu parą wodną podjął francuski lekarz D. Papin wykorzystując odkryte przez R. Boyla (1660) zjawisko powstawania znacznego podciśnienia podczas skraplania pary wodnej. Zgodnie z koncepcją Papina, zbudowana maszyna miała być cylindrem z tłokiem zawierającym na dnie niewielką ilość wody. Podgrzanie dna naczynia pozwalało na uniesienie tłoka do góry, a po usunięciu źródła ciepła (koszyk z żarzącymi się węglami) następowało skroplenie pary i ruch pracy tłoka w wyniku działania ciśnienia atmosferycznego. W rzeczywistości maszyna ta nie mogłaby pracować ze względu na zbyt małą sprawność cieplną. Mimo to rok 1690, w którym Papin opublikował swój wynalazek, uważa się za rok narodzin silnika parowego. Dodatkową zasługą Papina dla jest wynalezienie zaworu bezpieczeństwa. Pierwszą pracującą maszynę parową, również atmosferyczną, zbudowali ślusarz T. Newcomen i szklarz J. Cowley, doskonaląc wynalazek Papina przez zastosowanie osobnego kotła do wytwarzania pary i chłodzenie cylindra wodą w celu jej szybkiego skroplenia. W 1705 maszynę opatentowano, a w 1711 zainstalowano i uruchomiono w Wolwerhampton jako maszynę do odwadniania kopalni. Przeniesienie siły tłoka do pompy kopalnianej uzyskano przez zastosowanie dźwigni dwuramiennej.

Schemat maszyny Newcomena - pierwszego użytecznego silnika parowego

Mimo niskiej sprawności, a w związku z tym znacznego zużycia paliwa, znalazła szerokie zastosowanie w kopalnictwie, dzięki temu, że w jednej z kopalń zastąpiła pracę 50 ludzi i 20 koni zatrudnianych przez całą dobę. Bardziej uniwersalny silnik parowy zaprojektował w 1763, a zrealizował i uruchomił w 1766 jako silnik do poruszania miechów w hucie na Uralu Rosjanin I.I. Połzunow. Maszyna jego wyposażona była w dwa cylindry sprzężone ze sobą w taki sposób, że pracowały na przemian.

Największe zasługi w rozwoju silników parowych ma James Watt, który opracował i opatentował wiele pomysłów, m.in kondensację pary wodnej poza cylindrem roboczym (1765), co pozwalało na pracę cylindrów w stałej temperaturze, a więc zwiększało ich żywotność; zastosowanie pary o ciśnieniu wyższym od atmosferycznego, co zwiększyło sprawność maszyny i wielkość użytecznej siły działającej na tłok; doprowadzenie pary do cylindra z obu stron tłoka (1782), co wyeliminowało jałowy ruch tłoka (maszyna dwustronnego działania); odśrodkowy regulator prędkości obrotowej, co zapewniało pracę z równomierną prędkością niezbędną przy napędzaniu maszyn przemysłowych, oraz wiele innych. W efekcie wszystkich tych usprawnień silnik stał się w pełni użyteczną maszyną nadającą się do pracy we wszystkich gałęziach przemysłu. Podstawową jego wadą było niskie ciśnienie pary wynoszące zaledwie 0,7 do 1,3 atmosfery. Wyższych ciśnień Watt nie mógł jednak zastosować, gdyż ograniczała go wytrzymałość kotłów. Pierwsze kotły wykonywane były z blachy ołowianej, później z miedzi i mosiądzu, pod koniec XVIII w. z żeliwa, którego wytrzymałość nie przekraczała w tych czasach 100 N/mm2, a dopiero w XIX w. zaczęto je budować ze stali.

Maszyna Watta dwustronnego dzialania

Równocześnie z Wattem nad udoskonaleniem konstrukcji silnika parowego pracują inni. W 1781 J.C. Hornblower opatentował maszynę parową mającą dwa cylindry nierównej wielkości, w której para z kotła przechodziła najpierw do mniejszego cylindra, a po wykonaniu pracy do większego (3—4-krotnie) i poruszała kolejny tłok. Maszyna tego typu z podwójnym rozprężaniem pary została zrealizowana dopiero w 1804 przez A. Woolfa, a wobec mniejszego zużycia paliwa niż w maszynach jednostopniowych znalazła szerokie zastosowanie mimo wyższych kosztów wytwarzania. W dużych maszynach, np. okrętowych, dodawano nawet trzeci i czwarty stopień.

Na początku XIX w. Amerykanin O. Evans zbudował pierwszy silnik parowy o wysokim ciśnieniu pary 8—10 at (1801) oraz zastosował go do napędu koparki (1804). Evans i niezależnie Anglik R. Trevithick są twórcami silnika o swobodnym wydmuchu, w których parę odlotową wypuszcza się do atmosfery zamiast skraplać w kondensatorze. Celem tej innowacji jest zmniejszenie ciężaru silnika przez wyeliminowanie kondensatora, a w konsekwencji stworzenie możliwości zastosowania go do napędu pojazdów, jak lokomobila, lokomotywa, samochód. Kolejne podwyższenie sprawności porównaniu z silnikiem Evansa uzyskano w 1892 przez zastosowanie pary przegrzanej zamiast pary nasyconej. W tym celu niemiecki konstruktor W. Schmidt zastosował specjalną wężownicę dogrzewającą parę wychodzącą z kotła do temp. 425°C uzyskując wysokoprężny silnik parowy o ciśnieniu pary 60 at i mocy 760 KM.

Współcześnie silniki parowe znajdują ograniczone zastosowanie w parowozach, na statkach oraz do celów przemysłowych, gdy potrzebna jest jednocześnie para ogrzewcza. W okresie ich tworzenia odegrały jednak olbrzymią rolę w szerzeniu postępu prawie we wszystkich dziedzinach techniki.

Zestawienie wynalazków związanych bezpośrednio z silnikiem parowym: