Feltaláló

Az első gőzgépek, amelyeket Thomas Newcomen mutatott be 1731-ben, „atmoszférikus” kialakításúak voltak. Az erőlöket végén a motor által mozgatott tárgy súlya a dugattyút a henger tetejére húzta, miközben gőzt vezettek be. Ezután a hengert vízpermettel hűtötték le, aminek hatására a gőz lecsapódott, részleges vákuumot képezve a hengerben. A dugattyú tetején uralkodó légköri nyomás lenyomta, felemelve a munkatárgyat. Watt észrevette, hogy jelentős mennyiségű hő szükséges ahhoz, hogy a hengert addig a pontig melegítse, ahol a gőz azonnali lecsapódás nélkül behatolhat a hengerbe. Amikor a henger elég meleg volt ahhoz, hogy megtelt gőzzel, kezdődhetett a következő erőlöket.

Watt rájött, hogy a henger felmelegítéséhez szükséges hőt meg lehet takarítani egy külön kondenzációs henger hozzáadásával. Miután a teljesítményhenger megtelt gőzzel, egy szelepet nyitottak a másodlagos hengerhez, lehetővé téve a gőz beáramlását és lecsapódását, amely a főhengerből kiszívta a gőzt, ami az erőlöketet okozta. A kondenzációs hengert vízzel hűtöttük, hogy a gőz lecsapódjon. A teljesítménylöket végén a szelep zárva volt, így a teljesítményhenger megtelhetett gőzzel, miközben a dugattyú felfelé mozdult. Az eredmény ugyanaz a ciklus, mint a Newcomen tervezésénél, de a teljesítményhenger hűtése nélkül, amely azonnal készen állt egy újabb löketre.

Watt több éven át dolgozott a tervezésen, bemutatva a kondenzátort, és a tervezés gyakorlatilag minden részének fejlesztéseit. Figyelemre méltó, hogy Watt hosszas kísérletsorozatot végzett a henger dugattyújának tömítésére vonatkozóan, ami jelentősen csökkentette a szivárgást a teljesítménylöket során, megelőzve az erőkiesést. Mindezek a változtatások megbízhatóbb konstrukciót eredményeztek, amely feleannyi szenet használt ugyanannyi energia előállításához.

Az új dizájnt 1776-ban vezették be a kereskedelemben, az első példányt a Carron Company vasművének adták el. Watt tovább dolgozott a motor fejlesztésén, és 1781-ben bevezetett egy olyan rendszert, amely nap- és bolygókerekes hajtóművet használ, hogy a hajtóművek lineáris mozgását forgó mozgássá alakítsa. Ez nemcsak az eredeti pumpáló szerepben tette hasznossá, hanem közvetlen helyettesítőjeként is olyan szerepekben, ahol korábban vízikereket használtak volna. Ez az ipari forradalom kulcsfontosságú pillanata volt, hiszen az áramforrásokat ma már bárhol el lehetett helyezni, ahelyett, hogy – mint korábban – megfelelő vízforrásra és domborzatra lett volna szükség. Watt partnere, Matthew Boulton számos olyan gépet kezdett fejleszteni, amelyek kihasználták ezt a forgóerőt, és kifejlesztették az első modern iparosodott gyárat, a Soho Foundry-t, amely viszont új gőzgép-konstrukciókat gyártott. A Watt korai motorjai olyanok voltak, mint az eredeti Newcomen-tervek, mivel alacsony nyomású gőzt használtak, és az összes teljesítményt atmoszférikus nyomás termelte. Amikor az 1800-as évek elején más cégek bevezették a nagynyomású gőzgépeket, Watt biztonsági aggályok miatt nem szívesen követte példáját. Watt, hogy javítani akart motorjai teljesítményén, elkezdte fontolóra venni a nagyobb nyomású gőz alkalmazását, valamint a több hengert használó terveket mind a kettős működésű, mind a többszörös tágulási koncepcióban. Ezeknél a kettős működésű motoroknál szükség volt a párhuzamos mozgás feltalálására, amely lehetővé tette, hogy az egyes hengerek dugattyúrudai egyenes vonalban mozogjanak, a dugattyú a hengerben maradjon, míg a futógerenda vége egy ívben mozgott, ami némileg analóg egy keresztfej a későbbi gőzgépekben.

Előzmények

1698-ban Thomas Savery angol gépész tervező feltalált egy szivattyúzó berendezést, amely gőz segítségével közvetlenül a kútból szívta el a vizet a gőz kondenzálásával létrehozott vákuum segítségével. A készüléket bányák leürítésére is javasolták, de csak körülbelül 25 lábnyira tudott folyadékot felszívni, vagyis a leürítendő bányapadlótól ezen a távolságon belül kellett elhelyezni. Ahogy az aknák mélyebbre kerültek, ez gyakran nem volt praktikus. A későbbi motorokhoz képest nagy mennyiségű üzemanyagot is fogyasztott.

A mély bányák leürítésének megoldását Thomas Newcomen találta meg, aki egy „atmoszférikus” motort fejlesztett ki, amely szintén vákuum elven működött. Egy hengert alkalmaztak, amely mozgatható dugattyút tartalmazott, amely lánccal volt összekötve egy lengőgerenda egyik végével, amely egy mechanikus emelőszivattyút működtetett a másik végétől. Minden egyes löket alján a gőz behatolt a dugattyú alatti hengerbe. Ahogy a dugattyú felemelkedett a hengerben, és az ellensúly felfelé húzta, atmoszférikus nyomáson gőzt húzott fel. A löket tetején a gőzszelep zárva volt, és rövid ideig hideg vizet fecskendeztek a hengerbe a gőz hűtésére. Ez a víz lecsapta a gőzt, és részleges vákuumot hozott létre a dugattyú alatt. A motoron kívüli légköri nyomás ekkor nagyobb volt, mint a hengeren belüli nyomás, ezáltal a dugattyút a hengerbe nyomta. A dugattyú, amely egy lánchoz volt rögzítve, és a „lengőgerenda” egyik végéhez csatlakozik, lehúzta a gerenda végét, felemelve a gerenda másik végét. Emiatt a bánya mélyén lévő szivattyút a gerenda másik végéhez kötelekkel és láncokkal erősítették. A szivattyú a vízoszlopot nem húzta, hanem tolta felfelé, így bármilyen távolságra képes volt felemelni a vizet. Miután a dugattyú alul volt, a ciklus megismétlődött.

A Newcomen motor erősebb volt, mint a Savery motor. Először sikerült 91 métert meghaladó mélységből felemelni a vizet. Az első példa 1712-ből képes volt helyettesíteni egy 500 lóból álló csapatot, amelyet a bánya kiszivattyúzására használtak. Hetvenöt Newcomen szivattyúmotort telepítettek Nagy-Britannia, Franciaország, Hollandia, Svédország és Oroszország bányáiba. A következő ötven évben csak néhány apró változtatást hajtottak végre a motor kialakításában.

Míg a Newcomen motorok gyakorlati előnyökkel jártak, az energiafelhasználás szempontjából nem voltak hatékonyak. A felváltva gőzsugarat, majd hideg vizet juttató rendszer a hengerbe azt jelentette, hogy a henger falait felváltva melegítették, majd minden egyes löketnél lehűtötték. Minden bevezetett gőztöltet addig folytatja a kondenzációt, amíg a henger ismét el nem éri az üzemi hőmérsékletet. Így minden egyes ütésnél a gőzben rejlő potenciál egy része elveszett.

James Watt fejlesztése

1763-ban James Watt műszergyártóként dolgozott a Glasgow-i Egyetemen, amikor megbízták egy Newcomen motormodell megjavításával, és megjegyezte, mennyire nem hatékony.

1765-ben Wattban felmerült az ötlet, hogy a motort külön kondenzációs kamrával szereljék fel, amelyet “kondenzátornak” nevezett. Mivel a kondenzátor és a munkahenger külön volt, a kondenzáció jelentős hőveszteség nélkül történt a hengerből. A kondenzátor mindig hideg és atmoszférikus nyomás alatt maradt, míg a henger mindig meleg maradt.

A kazánból gőzt szívtak a dugattyú alatti hengerbe. Amikor a dugattyú elérte a henger tetejét, a gőzbevezető szelep bezárult, és a kondenzátorba való áthaladást szabályozó szelep kinyílt. A kondenzátor alacsonyabb nyomáson szívta a gőzt a hengerből a kondenzátorba, ahol lehűtött, és vízgőzből folyékony vízzé kondenzálta, a kondenzátorban részleges vákuumot fenntartva, amelyet az összekötő járat a henger terébe juttatott. A külső légköri nyomás ezután lenyomta a dugattyút a hengerben.

A henger és a kondenzátor szétválasztása kiküszöbölte azt a hőveszteséget, amely akkor keletkezett, amikor egy Newcomen motor munkahengerében gőz kondenzálódott. Ezáltal a wattos motor nagyobb hatásfokot adott, mint a Newcomen motoré, csökkentve az elfogyasztott szén mennyiségét, miközben ugyanannyi munkát végzett, mint egy Newcomen motor.

Watt tervezésében a hideg vizet csak a kondenzációs kamrába fecskendezték be. Ezt a típusú kondenzátort sugárkondenzátornak nevezik. A kondenzátor hideg vizes fürdőben található a henger alatt. A kondenzátorba permet formájában belépő víz térfogata elnyelte a gőz látens hőjét, és a kondenzált gőz térfogatának hétszerese. A kondenzátumot és a befecskendezett vizet ezután a légszivattyú eltávolította, és a környező hideg víz a megmaradt hőenergia elnyelésére szolgált, hogy megtartsa a 30 °C és 45 °C közötti kondenzátor hőmérsékletet és a megfelelő 0,04–0,1 bar nyomást.

A meleg kondenzátumot minden egyes löketnél kiszívták a kondenzátorból, és egy vákuumszivattyúval egy forró kútba juttatták, ami szintén segített a gőz kiürítésében a teljesítményhenger alól. A még meleg kondenzátumot a kazán tápvízeként hasznosították.
Watt következő fejlesztése a Newcomen kialakításban az volt, hogy a henger tetejét lezárta, és a hengert köpennyel vette körül. A gőzt átvezették a köpenyen, mielőtt a dugattyú alá engedték volna, így a dugattyút és a hengert melegen tartották, hogy megakadályozzák benne a páralecsapódást. A második fejlesztés a dugattyú másik oldalán lévő vákuummal szembeni gőztágulás hasznosítása volt. Az ütés során a gőzellátás megszakadt, és a gőz a másik oldalon lévő vákuummal szemben kitágul. Ez növelte a motor hatásfokát, ugyanakkor változó nyomatékot hozott létre a tengelyen, ami sok alkalmazásnál, különösen a szivattyúzásnál nem volt kívánatos. A watt ezért 1:2 arányra korlátozta a tágulást (azaz a gőzellátást fél löketnél csökkentették). Ez az elméleti hatásfokot 6,4%-ról 10,6%-ra növelte a dugattyúnyomás kismértékű változása mellett. Watt biztonsági okokból nem használt nagynyomású gőzt.

Ezek a fejlesztések vezettek az 1776-os, teljesen kifejlesztett verzióhoz, amely ténylegesen gyártásba került.

A különálló kondenzátor drámai fejlesztési lehetőségeket mutatott a Newcomen motoron, de Wattot még mindig elbátortalanították a megoldhatatlannak tűnő problémák, mielőtt egy piacképes motort tökéletesítettek volna. Ez csak a Matthew Boultonnal való együttműködés után vált valósággá. Watt elmondta Boultonnak a motor fejlesztésével kapcsolatos elképzeléseit, és Boulton, egy lelkes vállalkozó beleegyezett, hogy finanszírozza egy tesztmotor fejlesztését a Birmingham melletti Soho-ban. Watt végre hozzáférhetett a létesítményekhez és a kézművesek gyakorlati tapasztalataihoz, akik hamarosan beindíthatták az első motort. Teljesen kifejlesztett állapotban körülbelül 75%-kal kevesebb üzemanyagot használt, mint egy hasonló Newcomen.

1775-ben Watt két nagy hajtóművet tervezett: egyet a tiptoni Bloomfield Colliery-hez, amelyet 1776 márciusában fejeztek be, és egyet John Wilkinson vasművének Broseley-ben, Shropshire-ben, amely a következő hónapban működött. A kelet-londoni Stratford-le-Bow-ban egy harmadik motor is működött azon a nyáron.

Boulton és Watt gyakorlata az volt, hogy segítsenek a bányatulajdonosoknak és más ügyfeleknek motorok építésében, férfiakat szállítva azok összeállításához és néhány speciális alkatrészhez. A szabadalmukból származó fő hasznuk azonban abból származott, hogy a megtakarított üzemanyag költsége alapján licencdíjat számoltak fel a motortulajdonosokkal. Motorjaik nagyobb üzemanyag-hatékonysága azt jelentette, hogy azokon a területeken voltak a legvonzóbbak, ahol drága az üzemanyag, különösen Cornwallban, ahová 1777-ben három motort rendeltek, a Wheal Busy, Ting Tang és Chacewater bányákba.

Későbbi fejlesztések

Az első Watt motorok atmoszférikus nyomású motorok voltak, mint a Newcomen motor, de a kondenzáció a hengertől elkülönítve ment végbe. A motorok alacsony nyomású gőzzel és részleges vákuummal történő hajtása felvetette a motorok dugattyús fejlesztésének lehetőségét. A szelepek elrendezése felváltva engedheti be az alacsony nyomású gőzt a hengerbe, majd csatlakozhat a kondenzátorhoz. Következésképpen az erőlöket iránya megfordulhat, ami megkönnyíti a forgó mozgás elérését. A kettős működésű motor további előnyei a megnövekedett hatásfok, a nagyobb sebesség (nagyobb teljesítmény) és a szabályosabb mozgás.

A kettős működésű dugattyú kifejlesztése előtt a gerendához és a dugattyúrúdhoz való csatlakozás lánc segítségével történt, ami azt jelentette, hogy az erőt csak egy irányba, húzással lehetett kifejteni. Ez hatékony volt a víz szivattyúzására használt motoroknál, de a dugattyú kettős működése azt jelentette, hogy a dugattyú nyomni és húzni is tudott. Ez addig nem volt lehetséges, amíg a gerendát és a rudat lánc köti össze. Továbbá a tömített henger dugattyúrúdját nem lehetett közvetlenül a gerendához kötni, mert miközben a rúd függőlegesen, egyenes vonalban mozgott, a gerenda a középpontjában elfordult, mindkét oldalára ívet írva. A sugár és a dugattyú ütköző hatásainak áthidalására Watt párhuzamos mozgást fejlesztett ki. Ez a készülék egy négyrúd-rudazatot és egy áramszedőt használt, hogy a kívánt egyenes vonalú mozgást sokkal olcsóbban produkálja, mintha csúszka típusú rudazatot használt volna. Nagyon büszke volt a megoldására.

Az, hogy a gerendát a dugattyútengelyhez olyan eszközzel kötötték össze, amely felváltva mindkét irányban erőt fejtett ki, egyben azt is jelentette, hogy a gerenda mozgását egy kerék forgatására is lehetett használni. A gerenda működésének forgó mozgássá alakításának legegyszerűbb megoldása az volt, hogy a gerendát egy hajtókarral egy kerékhez kapcsolták, de mivel egy másik félnek szabadalmi jogai voltak a hajtókar használatára, Watt kénytelen volt más megoldást kidolgozni. Átvette a William Murdoch alkalmazottja által javasolt epiciklikus nap- és bolygókerekes hajtóműrendszert, és csak később, a szabadalmi jogok lejárta után tért vissza a ma ismertebb hajtókarhoz, amely a legtöbb motoron megtalálható. A hajtókarhoz erősített fő kerék nagy és nehéz volt, lendkerékként szolgált, amely, ha egyszer elindult, lendületével állandó erőt tartott fenn, és simította a váltakozó löketeket. A forgó központi tengelyhez szíjakat és fogaskerekeket lehetett rögzíteni, amelyekkel sokféle gépet lehetett meghajtani.

Mivel a gyári gépeknek állandó fordulatszámon kellett működniük, Watt egy gőzszabályozó szelepet kapcsolt össze egy centrifugális szabályozóval, amelyet a szélmalmok sebességének automatikus szabályozására használtakból adaptált. A centrifugál nem volt igazi fordulatszám-szabályozó, mert nem tudta tartani a beállított fordulatszámot a terhelés változására reagálva.

Ezek a fejlesztések lehetővé tették, hogy a gőzgép felváltsa a vízkereket és a lovakat, mint a brit ipar fő energiaforrását, ezáltal megszabadítva azt a földrajzi korlátoktól, és az ipari forradalom egyik fő mozgatórugójává vált.

Előző cikkJames Hargreaves fonógépe a spinning jenny
Következő cikkNicolas-Joseph Cugnot 3 kerekű gőzjárműve, az automobilok őse