Tvaika dzinēja vēsture

Aeolipile

1698. gada Saverija tvaika sūknis — pirmā komerciāli veiksmīgā ar tvaiku darbināmā ierīce, ko uzbūvēja Tomass Savērijs

Pirmā reģistrētā rudimentārā tvaika mašīna bija eolipile, ko aprakstīja Herons no Aleksandrijas 1. gadsimta romiešu Ēģiptē. Vēlāk tika izmēģinātas vai ierosinātas vairākas ar tvaiku darbināmas ierīces, piemēram, Taqi al-Dina tvaika domkrats, tvaika turbīna 16. gadsimtā Osmaņu Ēģiptē un Tomasa Saverija tvaika sūknis 17. gadsimtā Anglijā. 1712. gadā Tomasa Ņūkomena atmosfēras dzinējs kļuva par pirmo komerciāli veiksmīgo dzinēju, kurā tika izmantots virzuļa un cilindra princips, kas bija tvaika dzinēja pamatveids, ko izmantoja līdz pat 20. gadsimta sākumam. Tvaika dzinēju izmantoja, lai sūknētu ūdeni no ogļu raktuvēm.

Industriālās revolūcijas laikā tvaika dzinēji sāka aizstāt ūdens un vēja enerģiju, un galu galā 19. gadsimta beigās tie kļuva par dominējošo enerģijas avotu un saglabājās tādi līdz pat 20. gadsimta pirmajām desmitgadēm, kad efektīvāka tvaika turbīna un iekšdedzes dzinējs strauji aizvietoja tvaika dzinējus. Tvaika turbīna ir kļuvusi par visizplatītāko metodi, ar kuru tiek darbināti elektroenerģijas ģeneratori. Tiek veikti pētījumi par to, kā praktiski atdzīvināt virzuļdzinēju kā pamatu jaunajam tvaika tehnoloģijas vilnim.

Prekursori

Tvaika enerģijas agrīnā izmantošana

Agrāko zināmo rudimentāro tvaika dzinēju un reakcijas tvaika turbīnu — eolipili — aprakstīja matemātiķis un inženieris Herons no Aleksandrijas (Heron) 1. gadsimtā romiešu Ēģiptē, kā minēts viņa manuskriptā Spiritalia seu Pneumatica. Tangenciāli no sprauslām izplūstošais tvaiks izraisīja lodes rotāciju. Tās termiskā efektivitāte bija zema. Tas liek domāt, ka 1. gadsimtā romiešu Ēģiptē bija zināma tvaika spiediena pārveidošana mehāniskā kustībā. Herons izgudroja arī mašīnu, kas izmantoja altāra ugunī sakarsētu gaisu, lai izspiestu noteiktu daudzumu ūdens no slēgta trauka. Ūdens svars tika izmantots, lai vilktu apslēptu virvi tempļa durvju darbināšanai. Daži vēsturnieki ir sajaukuši abus izgudrojumus, lai kļūdaini apgalvotu, ka eolipile spēja veikt noderīgu darbu.

Saskaņā ar Vilhelma no Malmesberijas teikto 1125. gadā Reimsā atradās baznīca, kurā bija ērģeles, ko darbināja gaiss, kas izplūda no kompresijas "ar sakarsētu ūdeni", un kuras, šķiet, projektējis un konstruējis profesors Gerberts.

Starp Leonardo da Vinči 15. gadsimta beigās datētajiem dokumentiem ir tvaika darbināmā lielgabala projekts Architonnerre, kas darbojās, pēkšņi ieplūstot karstam ūdenim hermētiski noslēgtā, sakarsētā lielgabalā.

Elementāru triecientvirziena tvaika turbīnu 1551. gadā aprakstīja Taqi al-Din, filozofs, astronoms un inženieris 16. gadsimtā Osmaņu Ēģiptē, kurš aprakstīja metodi, kā rotēt smaili, izmantojot tvaika strūklu, kas darbojas uz rotējošām lāpstiņām ap rata perifēriju. Līdzīgu ierīci smailes griešanai vēlāk 1648. gadā aprakstīja arī Džons Vilkinss. Toreiz šīs ierīces sauca par dzirnavām, bet tagad tās sauc par tvaika domkratiem. Vēl vienu līdzīgu rudimentāru tvaika turbīnu 1629. gadā parādīja itāļu inženieris Džovanni Branka (Giovanni Branca), lai pagrieztu cilindrisku izskrūvējamu ierīci, kas pārmaiņus pacēla un atlaistīja pāri smalcinātāju pāri, kuri strādāja smēdēs. Tomēr šo agrīno tvaika turbīnu tvaika plūsma nebija koncentrēta, un lielākā daļa tās enerģijas tika izkliedēta visos virzienos. Tas būtu radījis lielus enerģijas zudumus, tāpēc tās nekad nopietni netika apsvērtas rūpnieciskai izmantošanai.

1605. gadā franču matemātiķis Florans Rivao savā traktātā par artilēriju rakstīja par savu atklājumu, ka ūdens, ja to ieslēgtu bumbas čaulā un uzsildītu, spridinātu čaulas.

1606. gadā spānis Hieronīmo de Ajanss un Bejonts (Jerónimo de Ayanz y Beaumont) demonstrēja un ieguva patentu ūdens sūknim, ko darbināja tvaiks. Šo sūkni veiksmīgi izmantoja, lai nosusinātu Gvadalkanalas (Spānija) applūdušās raktuves.

Komerciālā tvaika dzinēja attīstība

"Atklājumi, kurus 1712. gadā Tomass Ņūkomens (Thomas Newcomen) apkopoja kopā, radot tvaika dzinēju, bija šādi."

• vakuuma koncepcija (t. i., spiediena pazemināšanās zem apkārtējā spiediena).
• spiediena jēdziens
• vakuuma radīšanas paņēmieni
• tvaika ģenerēšanas veids
• virzuli un cilindru

1643. gadā Evangelista Torričelli veica eksperimentus ar ūdens sūkņiem ar sūkšanas pacēlāju, lai pārbaudītu to robežvērtību, kas bija aptuveni 32 pēdas (atmosfēras spiediens ir 32,9 pēdas jeb 10,03 metri. Ūdens tvaika spiediens samazina teorētisko pacēluma augstumu.). Viņš izstrādāja eksperimentu, izmantojot ar dzīvsudrabu piepildītu caurulīti, kas bija apgriezta dzīvsudraba bļodā (barometrā), un novēroja tukšu telpu virs dzīvsudraba stabiņa, kurā, pēc viņa teorijas, nebija nekā, proti, vakuums.

Torričelli iespaidā Oto fon Gerickis izgudroja vakuumsūkni, pārveidojot gaisa sūkni, ko izmantoja gaisa pistoles saspiešanai. Guericke 1654. gadā sarīkoja demonstrāciju Magdeburgā, Vācijā, kur viņš bija pilsētas mērs. Divas vara puslodes tika savienotas kopā, un no tām tika izsūknēts gaiss. Pie puslodes piestiprinātie atsvari nespēja tās atdalīt, līdz tika atvērts gaisa vārsts. Eksperimentu atkārtoja 1656. gadā, izmantojot divas komandas ar 8 zirgiem katrā, kas nespēja atdalīt Magdeburgas puslodes.

Gaspars Šots bija pirmais, kurš aprakstīja puslodes eksperimentu savā darbā Mechanica Hydraulico-Pneumatica (1657).

Pēc Šota grāmatas izlasīšanas Roberts Boils uzbūvēja uzlabotu vakuumsūkni un veica ar to saistītus eksperimentus.

Denī Papēns 1663. gadā, strādājot kopā ar Kristianu Hīgensu un Gotfrīdu Leibnicu Parīzē, sāka interesēties par vakuuma izmantošanu dzinējspēka radīšanai. No 1676. līdz 1679. gadam Papēns strādāja pie Roberta Boila, publicēja sava darba pārskatu grāmatā "Jaunu eksperimentu turpinājums" (1680) un 1689. gadā uzstājās Karaliskajā biedrībā. No 1690. gada Papēns sāka eksperimentēt ar virzuli, lai ar tvaiku ražotu enerģiju, un konstruēja tvaika dzinēju modeļus. Viņš eksperimentēja ar atmosfēras un spiediena tvaika dzinējiem, 1707. gadā publicējot savus rezultātus.

1663. gadā Edvards Somersets, otrais Vusteras marķīzs, publicēja 100 izgudrojumu grāmatu, kurā aprakstīja metodi ūdens pacelšanai starp stāviem, izmantojot līdzīgu principu kā kafijas perkolatorā. Viņa sistēma bija pirmā, kurā katls (uzkarsēta lielgabala muca) tika atdalīts no sūknēšanas darbības. Ūdens no cisternas tika iepludināts nostiprinātā mucā, un tad tika atvērts vārsts, lai no atsevišķa katla iepludinātu tvaiku. Spiediens veidojās virs ūdens virspuses, virzot to augšup pa cauruli. Viņš uzstādīja savu ar tvaiku darbināmo ierīci pie Raglanas pils Lielā torņa sienas, lai caur torni piegādātu ūdeni. Gropes sienā, kur bija uzstādīts dzinējs, bija redzamas vēl 19. gadsimtā. Tomēr neviens nebija gatavs riskēt ar naudu, lai īstenotu šādu revolucionāru koncepciju, un bez atbalstītājiem mašīna tā arī palika neizstrādāta.

Samuels Morlends, matemātiķis un izgudrotājs, kurš strādāja ar sūkņiem, Voksholas Ordinance Office atstāja piezīmes par tvaika sūkņa projektu, ko lasīja Tomass Saverijs. Saverijs 1698. gadā uzbūvēja tvaika sūkni ar nosaukumu "The Miner's Friend". Tajā tika izmantots gan vakuums, gan spiediens. Vairākus gadus tos izmantoja mazas jaudas darbiem.

Tomass Ņūkomens bija tirgotājs, kurš tirgojās ar čuguna izstrādājumiem. Ņūkomena motora pamatā bija Papēna ierosinātā virzuļa un cilindra konstrukcija. Ņūkomena dzinējā tvaiku kondensēja ūdens, ko izsmidzināja cilindrā, izraisot atmosfēras spiedienu, kas virza virzuli. Pirmais Ņūkomena dzinējs tika uzstādīts sūknēšanai raktuvēs 1712. gadā Dūdlijas pilī, Stafordšīrā.

Cilindri

Denī Papēns (1647. gada 22. augusts — ap 1712. gadu) bija franču fiziķis, matemātiķis un izgudrotājs, kas vislabāk pazīstams ar savu izgudrojumu — tvaika katlu, spiediena katla priekšteci. Pagājušā gadsimta 70. gadu vidū Papēns sadarbojās ar holandiešu fiziķi Krišjānu Hīgensu, izstrādājot dzinēju, kas izdzina gaisu no cilindra, sprāgstot tajā pulveri. Sapratis, ka ar šo paņēmienu radītais vakuums ir nepilnīgs, un 1680. gadā pārceļoties uz Angliju, Papēns izgudroja tā paša cilindra versiju, kurā pilnīgāku vakuumu radīja, vārot ūdeni un pēc tam ļaujot tvaikam kondensēties; šādā veidā viņš varēja pacelt smagumus, piestiprinot virves galu virvei, kas iet pāri trīšiem. Sistēma darbojās kā demonstrācijas modelis, bet, lai procesu atkārtotu, viss aparāts bija jāizjauc un jāsamontē no jauna. Papins ātri saprata, ka, lai izveidotu automātisku ciklu, tvaiks būtu jāražo atsevišķi katlā, tomēr viņš šo projektu neturpināja. Papins arī konstruēja airu laivu, ko darbināja strūkla, spēlējot uz dzirnavu rata, kombinējot Taqi al Din un Savery koncepcijas, un viņam tiek piedēvētas arī vairākas nozīmīgas ierīces, piemēram, drošības vārsts. Papēna ilggadējie pētījumi par tvaika izmantošanas problēmām bija ļoti nozīmīgi, izstrādājot pirmos veiksmīgos rūpnieciskos dzinējus, kas drīz pēc Papēna nāves tika veiksmīgi ieviesti.

Saverija tvaika sūknis

Pirmais rūpnieciski pielietotais tvaika dzinējs bija "ugunsdzēsības mašīna" jeb "kalnrača draugs", ko 1698. gadā konstruēja Tomass Saverijs. Tas bija bez virzuļa tvaika sūknis, līdzīgs Vusteras izstrādātajam. Saverijs veica divus būtiskus ieguldījumus, kas ievērojami uzlaboja konstrukcijas praktiskumu. Pirmkārt, lai ūdens padevi varētu novietot zem dzinēja, viņš izmantoja kondensētu tvaiku, lai sūknētājrezervuārā (Vorčesteras piemērā — mucā) radītu daļēju vakuumu un ar tā palīdzību vilktu ūdeni uz augšu. Otrkārt, lai ātri atdzesētu tvaiku, kas radīja vakuumu, viņš pār rezervuāru tecināja aukstu ūdeni.

Darbībai bija nepieciešami vairāki vārsti; kad cikla sākumā rezervuārs bija tukšs, tika atvērts vārsts, lai ielaistu tvaiku. Vārsts tika aizvērts, lai noslēgtu rezervuāru, un dzesēšanas ūdens vārsts tika ieslēgts, lai kondensētu tvaiku un radītu daļēju vakuumu. Tika atvērts padeves vārsts, ievelkot ūdeni rezervuārā uz augšu, un tipisks dzinējs varēja ievilkt ūdeni līdz pat 20 pēdām. To aizvēra un atkal atvēra tvaika vārstu, veidojot spiedienu virs ūdens un sūknējot to augšup, kā tas ir Vusteras konstrukcijā. Šis cikls būtībā divkāršoja ūdens sūknēšanas attālumu, ko varēja veikt ar noteiktu tvaika spiedienu, un ražošanas piemēri pacēla ūdeni aptuveni 40 pēdas.

Saverija dzinējs atrisināja problēmu, kas tikai nesen bija kļuvusi nopietna, proti, ūdens pacelšanu no raktuvēm Anglijas dienvidos, kad tās sasniedza lielāku dziļumu. Saverija dzinējs bija nedaudz mazāk efektīvs nekā Ņūkomena dzinējs, taču to kompensēja fakts, ka atsevišķais sūknis, ko izmantoja Ņūkomena dzinējs, bija neefektīvs, un abu dzinēju efektivitāte bija aptuveni vienāda — 6 miljoni pēdu mārciņu uz vienu bušeli ogļu (mazāk nekā 1 %). Savery dzinējs nebija arī ļoti drošs, jo tā cikla daļai bija nepieciešams tvaiks zem spiediena, ko piegādāja katls, un, ņemot vērā tā laika tehnoloģiju, spiediena tvertni nevarēja izgatavot pietiekami spēcīgu, tāpēc tā bija pakļauta sprādzienam. Viena no viņa sūkņiem sprādziens Broad Waters (netālu no Wednesbury) ap 1705. gadu, iespējams, iezīmēja viņa izgudrojuma izmantošanas mēģinājumu beigas.

Saverija dzinējs bija lētāks par Ņūkomena dzinēju, un to ražoja mazākos izmēros. Daži konstruktori līdz pat 18. gadsimta beigām ražoja uzlabotas Saverija dzinēja versijas. Bento de Moura Portugal, FRS, ieviesa atjautīgu Saverija konstrukcijas uzlabojumu, "lai padarītu to spējīgu darboties pašam", kā to aprakstīja Džons Smitons 1751. gadā publicētajā žurnālā Philosophical Transactions.

Atmosfēras kondensācijas dzinēji

Ņūkomena "atmosfēriskais" dzinējs

Var teikt, ka tieši Tomass Ņūkomens (Thomas Newcomen) ar savu 1712. gada "atmosfēras dzinēju" apvienoja lielāko daļu Papēna noteikto būtisko elementu, lai izstrādātu pirmo praktisko tvaika dzinēju, pēc kura varētu būt komerciāls pieprasījums. Tas bija virzuļdzinējs ar virzuļdzinēju, kas uzstādīts virszemes līmenī un darbina virkni sūkņu vienā virzuļdzinēja galā. Dzinējs, kas ar ķēdēm bija piestiprināts no otra sijas gala, darbojās pēc atmosfēras jeb vakuuma principa.

Ņūkomena projektā tika izmantoti daži iepriekšējo koncepciju elementi. Tāpat kā Saverija konstrukcijā, arī Ņūkomena dzinējā vakuuma radīšanai izmantoja tvaiku, ko dzesēja ar ūdeni. Tomēr atšķirībā no Saverija sūkņa Ņūkomens izmantoja vakuumu, lai vilktu virzuli, nevis tieši vilktu ūdeni. Cilindra augšējais gals bija atvērts atmosfēras spiedienam, un, kad radās vakuums, atmosfēras spiediens virs virzuļa to iestūma cilindrā. Virzuli eļļoja un hermētiski noslēdza ūdens strūkliņa no tās pašas cisternas, no kuras piegādāja dzesēšanas ūdeni. Turklāt, lai uzlabotu dzesēšanas efektu, viņš izsmidzināja ūdeni tieši cilindrā.

Virzuli ar ķēdi piestiprināja pie lielas šarnīrveida sijas. Kad virzule vilka siju, sijas otra puse tika vilkta uz augšu. Šis gals bija piestiprināts pie stieņa, kas vilka virkni parasto sūkņa rokturu šahtā. Šīs jaudas gājiena beigās tvaika vārsts atkal tika atvērts, un sūkņa stieņu svars vilka siju uz leju, paceļot virzuli un atkal ievelkot tvaiku cilindrā.

Virzuļa un sijas izmantošana ļāva Newcomen dzinējam darbināt sūkņus dažādos līmeņos visā raktuvēs, kā arī novērsa vajadzību pēc augstspiediena tvaika. Visa sistēma bija izolēta vienā ēkā virspusē. Lai gan šie dzinēji bija neefektīvi un tiem bija ļoti liela ogļu patēriņa slodze (salīdzinājumā ar vēlākajiem dzinējiem), tie pacēla daudz lielākus ūdens daudzumus un no lielāka dziļuma, nekā tas bija iespējams iepriekš. Līdz 1735. gadam Anglijā tika uzstādīti vairāk nekā 100 Ņūkomena dzinēju, un tiek lēsts, ka līdz 1800. gadam darbojās pat 2000 dzinēju (ieskaitot Vata versijas).

Džons Smitons veica daudzus uzlabojumus Ņūkomena dzinējā, jo īpaši attiecībā uz blīvējumiem, un, tos uzlabojot, spēja gandrīz trīskāršot dzinēja efektivitāti. Viņš arī deva priekšroku riteņiem, nevis sijām, lai pārnestu jaudu no cilindra, kas padarīja viņa dzinējus kompaktākus. Smeatons bija pirmais, kurš izstrādāja stingru tvaika dzinēja konstrukcijas un darbības teoriju. Sākot no paredzētās lomas, viņš aprēķināja, cik liela jauda būs vajadzīga uzdevuma veikšanai, cik liels un ar kādu ātrumu cilindrs to nodrošinās, cik liels katls būs vajadzīgs, lai to darbinātu, un cik daudz degvielas tas patērēs. Šie aprēķini tika izstrādāti empīriski, izpētot desmitiem Ņūkomena dzinēju Kornvolā un Ņūkāslā un 1770. gadā uzbūvējot savu eksperimentālo dzinēju savās mājās Austhorpā. Līdz brīdim, kad tikai dažus gadus vēlāk tika ieviests Vata dzinējs, Smeatons bija uzbūvējis desmitiem aizvien lielāku dzinēju, kuru jauda sasniedza 100 ZS.

Vata atsevišķais kondensators

1759. gadā, strādājot Glāzgovas Universitātē par instrumentu izgatavotāju un remontatslēdznieku, profesors Džons Robisons iepazīstināja Džeimsu Vatu ar tvaika spēku. Aizrāvies ar to, Vats sāka lasīt visu iespējamo par šo tēmu un patstāvīgi izstrādāja latentā siltuma jēdzienu, ko tikai nesen publicēja Džozefs Bleks tajā pašā universitātē. Kad Vats uzzināja, ka universitātei pieder neliels darbojošs Ņūkomena dzinēja modelis, viņš pieprasīja to atgriezt no Londonas, kur to neveiksmīgi remontēja. Vats mašīnu salaboja, bet atklāja, ka tā ir vāji funkcionējoša pat tad, kad bija pilnībā salabota.

Pēc darba ar konstrukciju Vatss secināja, ka 80 % no dzinēja izmantotā tvaika tiek izšķiesti. Tā vietā, lai nodrošinātu dzinējspēku, tas tika izmantots cilindra sildīšanai. Ņūkomena projektā katru jaudas gājienu sāka ar auksta ūdens strūklu, kas ne tikai kondensēja tvaiku, bet arī atdzesēja cilindra sieniņas. Šis siltums bija jāmaina, pirms cilindrs atkal sāka pieņemt tvaiku. Ņūkomena dzinējā siltumu piegādāja tikai tvaiks, tāpēc, atkal atverot tvaika vārstu, lielākā daļa ūdens kondensējās uz aukstajām sieniņām, tiklīdz tas tika ielaists cilindrā. Bija nepieciešams ievērojams laiks un tvaika daudzums, līdz cilindrs atkal sasila un tvaiks sāka to piepildīt.

Vatss atrisināja ūdens smidzināšanas problēmu, novadot auksto ūdeni uz citu cilindru, kas novietots blakus jaudas cilindram. Kad indukcijas gājiens bija pabeigts, starp abiem cilindriem tika atvērts vārsts, un tvaiks, kas nonāca cilindrā, kondensējās šajā aukstajā cilindrā. Tas radītu vakuumu, kas ievilktu vēl vairāk tvaika cilindrā, un tā tālāk, līdz tvaiks lielākoties būtu kondensējies. Pēc tam vārstu aizvēra, un galvenā cilindra darbība turpinājās tāpat kā parastā Ņūkomena dzinējā. Tā kā cilindrs visu laiku saglabājās darba temperatūrā, sistēma bija gatava jaunam gājienam, tiklīdz virzuli pacēla atpakaļ uz augšu. Temperatūru uzturēja apvalks ap cilindru, kurā tika iepludināts tvaiks. Vatss 1765. gadā izgatavoja darbojošos modeli.

Pārliecināts, ka tas ir liels sasniegums, Vatss iesaistījās partnerattiecībās, lai nodrošinātu riska kapitālu, kamēr viņš strādāja pie konstrukcijas. Neapmierinoties ar šo vienīgo uzlabojumu, Vats nenogurstoši strādāja pie virknes citu uzlabojumu praktiski visās dzinēja daļās. Vats vēl vairāk uzlaboja sistēmu, pievienojot nelielu vakuumsūkni, lai tvaiku no cilindra ievilktu kondensatorā, tādējādi vēl vairāk uzlabojot cikla laiku. Vēl radikālākas izmaiņas salīdzinājumā ar Ņūkomena konstrukciju bija cilindra augšdaļas aizvēršana un zemspiediena tvaika ieviešana virs virzuļa. Tagad jauda bija atkarīga nevis no atmosfēras spiediena un vakuuma starpības, bet gan no tvaika spiediena un vakuuma, kas ir nedaudz augstāka vērtība. Atpakaļgaitas gājiena laikā augšpusē esošais tvaiks pa cauruli tika novadīts uz virzuļa apakšējo daļu, lai to varētu kondensēt lejupgaitas gājiena laikā. Newcomen dzinēja virzuļa hermetizāciju panāca, uz tā augšējās puses uzturot nelielu daudzumu ūdens. Vata dzinējā tas vairs nebija iespējams tvaika klātbūtnes dēļ. Vatss veltīja ievērojamas pūles, lai atrastu funkcionējošu blīvējumu, ko galu galā ieguva, izmantojot tauku un eļļas maisījumu. Arī virzuļa stienis gāja caur cilindra augšējā vāka blīvējumu, kas bija līdzīgā veidā noslēgts.

Virzuļa blīvējuma problēmu radīja tas, ka nebija iespējams izgatavot pietiekami apaļu cilindru. Vatss mēģināja cilindrus izgriezt no čuguna, taču tie bija pārāk neapļveida. Vatss bija spiests izmantot kaltu dzelzs cilindru. Turpmākais citāts ir no Roe (1916):

Kad [Džons] Smitons pirmo reizi ieraudzīja dzinēju, viņš ziņoja Inženieru biedrībai, ka "nav ne instrumentu, ne strādnieku, kas varētu pietiekami precīzi izgatavot tik sarežģītu mašīnu".

Vatss beidzot atzina, ka konstrukcija ir pietiekami laba, lai 1774. gadā to laistu tirgū, un Vata dzinējs tika laists tirgū. Tā kā konstrukcijas daļas varēja viegli uzstādīt jau esošajiem Newcomen dzinējiem, raktuvēs nebija nepieciešams būvēt pilnīgi jaunu dzinēju. Tā vietā Vatss un viņa biznesa partneris Metjū Boultons (Matthew Boulton) izsniedza licenci uz uzlabojumiem dzinēju operatoriem, iekasējot no tiem daļu naudas, ko viņi ietaupītu, samazinot degvielas izmaksas. Dizains bija ļoti veiksmīgs, un tika izveidots Boultona un Vata uzņēmums, lai licencētu dizainu un palīdzētu jauniem ražotājiem būvēt dzinējus. Vēlāk abi atvēra Soho lietuvi, lai ražotu savus dzinējus.

1774. gadā Džons Vilkinsons izgudroja urbjmašīnu, kuras vārpsta, kas tur urbjmašīnas instrumentu, abos galos balstījās caur cilindru, atšķirībā no tobrīd izmantotajiem konsoļveida urbjmašīnām. Ar šo mašīnu viņam izdevās veiksmīgi izurbt cilindru Boultona un Vata pirmajam komerciālajam dzinējam 1776. gadā.

Vats nekad nepārtrauca uzlabot savas konstrukcijas. Tas vēl vairāk uzlaboja darba cikla ātrumu, ieviesa regulatorus, automātiskos vārstus, divpusējas darbības virzuļus, dažādus rotācijas jaudas noņemšanas mehānismus un daudzus citus uzlabojumus. Vata tehnoloģija ļāva plaši komerciāli izmantot stacionāros tvaika dzinējus.

Humfrijs Geinsboro (Humphrey Gainsborough) 1760. gados izgatavoja kondensācijas tvaika dzinēja modeli, ko viņš parādīja Lunārās biedrības loceklim Ričardam Lovellam Edžvortam (Richard Lovell Edgeworth). Geinsboro uzskatīja, ka Vats izgudrojumā bija izmantojis viņa idejas; tomēr Džeimss Vats šajā laikā nebija Lunārās biedrības biedrs, un viņa daudzie apraksti, kuros skaidrota domu procesu secība, kas noveda pie galīgās konstrukcijas, šo stāstu drīzāk atspēko.

Jaudu joprojām ierobežoja zemais spiediens, cilindra darba tilpums, sadegšanas un iztvaikošanas ātrums un kondensatora jauda. Maksimālo teorētisko efektivitāti ierobežoja relatīvi zemā temperatūras starpība abās virzuļa pusēs; tas nozīmēja, ka, lai Vata dzinējs nodrošinātu izmantojamu jaudu, pirmajiem sērijveida dzinējiem bija jābūt ļoti lieliem, un tāpēc to būve un uzstādīšana bija dārga.

Vata divpusējās darbības un rotācijas dzinēji

Vatss izstrādāja divpusējas darbības dzinēju, kurā tvaiks virzuli darbināja abos virzienos, tādējādi palielinot dzinēja ātrumu un efektivitāti. Dubultās darbības princips arī ievērojami palielināja attiecīgā fiziskā izmēra dzinēja jaudu.

Boultons un Vatss attīstīja virzuļdzinēju, pārveidojot to par rotācijas tipa dzinēju. Atšķirībā no Ņūkomena dzinēja Vata dzinējs varēja darboties pietiekami vienmērīgi, lai to varētu savienot ar piedziņas vārpstu — izmantojot saules un planētas zobratus -, lai nodrošinātu rotācijas jaudu kopā ar divpusējas darbības kondensācijas cilindriem. Agrākais paraugs tika uzbūvēts kā demonstrators, un to uzstādīja Boultona rūpnīcā, lai darbinātu pogas pulēšanas (pulēšanas) mašīnas vai tamlīdzīgas iekārtas. Šā iemesla dēļ to vienmēr dēvēja par "Lap Engine". Agrīnajos tvaika dzinējos virzuli parasti ar stieni savieno ar līdzsvarotu siju, nevis tieši ar spararatu, tāpēc šos dzinējus dēvē par sijas dzinējiem.

Agrīnie tvaika dzinēji nenodrošināja pietiekami pastāvīgu ātrumu, lai veiktu tādas kritiskas operācijas kā kokvilnas vērpšana. Lai kontrolētu ātrumu, dzinēju izmantoja, lai sūknētu ūdeni ūdens ritenim, kas darbināja iekārtas.

Augstspiediena dzinēji

18. gadsimtā sāka pieprasīt augstāku spiedienu; pret to stingri iebilda Vatss, kurš izmantoja monopolu, ko viņam deva viņa patents, lai neļautu citiem būvēt augstspiediena dzinējus un izmantot tos transportlīdzekļos. Viņš neuzticējās tā laika katlu tehnoloģijai, to konstrukcijai un izmantoto materiālu izturībai.

Augstspiediena dzinēju svarīgākās priekšrocības bija šādas:

1. Tos varēja izgatavot daudz mazākus nekā iepriekš, lai nodrošinātu noteiktu jaudu. Tādējādi bija iespējams izstrādāt tvaika dzinējus, kas bija pietiekami mazi un jaudīgi, lai darbinātu sevi un citus objektus. Tā rezultātā tvaika dzinēji kļuva praktiski izmantojami kuģos un sauszemes transportlīdzekļos, kas revolucionizēja kravu pārvadājumus, ceļošanu, militāro stratēģiju un būtībā visus sabiedrības dzīves aspektus.
2. Tā kā tie bija mazāki, tie bija daudz lētāki.
3. Tiem nebija nepieciešams ievērojams daudzums dzesēšanas ūdens kondensatoram, kāds nepieciešams atmosfēras dzinējiem.
4. Tos varēja konstruēt tā, lai tie varētu darboties ar lielāku ātrumu, tādējādi tie bija piemērotāki mašīnu darbināšanai.

Trūkumi bija šādi:

1. zema spiediena diapazonā tie bija mazāk efektīvi nekā kondensācijas dzinēji, jo īpaši, ja tvaiku neizmantoja ekspansīvi.
2. tie bija jutīgāki pret katlu eksplozijām.

Galvenā atšķirība starp augstspiediena un zemspiediena tvaika dzinēju darbību ir spēka avots, kas virza virzuli. Ņūkomena un Vata dzinējos lielāko daļu spiediena starpības rada tvaika kondensācija, izraisot atmosfēras spiediena (Ņūkomens) un zema spiediena tvaika, kas reti pārsniedz 7 psi katla spiedienu, plus kondensatora vakuums (Vats), kustību virzuļa virzienā. Augstspiediena dzinējā lielāko daļu spiediena starpības nodrošina augstspiediena tvaiks no katla; virzuļa zemspiediena pusē var būt atmosfēras spiediens vai tas var būt saistīts ar kondensatora spiedienu. Ņūkomena indikatoru diagramma, kas gandrīz visa ir zem atmosfēras līnijas, atdzimst gandrīz 200 gadus vēlāk, kad trīskāršas izplešanās dzinēju zemspiediena cilindrs nodrošina aptuveni 20 % dzinēja jaudas, atkal gandrīz pilnībā zem atmosfēras līnijas.

Pirmais zināmais "spēcīga tvaika" aizstāvis bija Jakobs Leupolds, kura motora shēma parādījās enciklopēdiskajos darbos ap 1725. gadu. Visa gadsimta garumā parādījās arī dažādi ar tvaiku darbināmu laivu un transportlīdzekļu projekti, no kuriem viens no daudzsološākajiem bija Nikolā Žozefa Kugno (Nicolas-Joseph Cugnot) projekts, kurš 1769. gadā demonstrēja savu "fardier" (tvaika vagonu). Lai gan nav zināms, kāds darba spiediens tika izmantots šajā transportlīdzeklī, maza izmēra katls nenodrošināja pietiekamu tvaika ražošanas ātrumu, lai fardier varētu veikt vairāk nekā dažus simtus metru, pirms apstāties, lai paceltu tvaiku. Tika ierosināti arī citi projekti un modeļi, taču, tāpat kā 1784. gada Viljama Mērdoka modeli, Boultons un Vatss daudzus no tiem bloķēja.

ASV tas nebija spēkā, un 1788. gadā Džona Fiča (John Fitch) uzbūvēts tvaikonis regulāri kursēja pa Delavēras upi starp Filadelfiju Pensilvānijas štatā un Burlingtonu Ņūdžersijas štatā, pārvadājot pat 30 pasažierus. Šī laiva parasti varēja veikt 7—8 jūdzes stundā, un īsā darbības laikā tā nobrauca vairāk nekā 2000 jūdžu (3200 km). Fitch tvaikonis neguva komerciālus panākumus, jo šo maršrutu pietiekami labi nodrošināja salīdzinoši labi vagonu ceļi. 1802. gadā Viljams Simingtons uzbūvēja praktisku tvaikokuģi, un 1807. gadā Roberts Fultons izmantoja Vata tvaika dzinēju, lai darbinātu pirmo komerciāli veiksmīgo tvaikokuģi.

Savukārt Olivers Evanss atbalstīja "spēcīgu tvaiku", ko viņš izmantoja laivu dzinējiem un stacionārajām vajadzībām. Viņš bija cilindrisko katlu pionieris; tomēr Evansa katli piedzīvoja vairākus nopietnus katlu sprādzienus, kas drīzāk apstiprināja Vata iebildumus. Viņš 1811. gadā Pitsburgā, Pensilvānijas štatā, nodibināja Pitsburgas tvaika dzinēju uzņēmumu. Uzņēmums ieviesa augstspiediena tvaika dzinējus upju kuģu tirdzniecībā Misisipi sateces baseinā.

Pirmo augstspiediena tvaika dzinēju 1800. gadā izgudroja Ričards Trevītiks.

Tvaika paaugstināšana zem spiediena (no termodinamikas viedokļa) ir svarīga tāpēc, ka tas sasniedz augstāku temperatūru. Tādējādi jebkurš dzinējs, kurā izmanto augstspiediena tvaiku, darbojas pie augstākas temperatūras un spiediena starpības nekā zemspiediena vakuuma dzinējs. Tādējādi augstspiediena dzinējs kļuva par pamatu lielākajai daļai virzuļdzinēja tvaika tehnoloģijas attīstības. Tomēr ap 1800. gadu "augsta spiediena" jēdziens nozīmēja to, ko mūsdienās uzskatītu par ļoti zemu spiedienu, t. i., 40-50 psi (276-345 kPa), jo attiecīgā augstspiediena dzinējs bija bezkondensācijas dzinējs, ko darbināja tikai tvaika izplešanās spēks, un pēc tam, kad tvaiks bija veicis darbu, to parasti izvadīja ar augstāku nekā atmosfēras spiedienu. Izplūstošā tvaika spiedienu skurstenī varēja izmantot, lai radītu inducētu vilkmi caur kurtuves režģi un tādējādi palielinātu degšanas ātrumu, tādējādi radot vairāk siltuma mazākā krāsnī, bet uz izplūdes virzuļa puses radot pretspiedienu.

1804. gada 21. februārī Penydarren dzelzs rūpnīcā Merthyr Tydfil, Dienvidvelsā, tika demonstrēta pirmā pašgājēja dzelzceļa tvaika mašīna jeb tvaika lokomotīve, ko uzbūvēja Ričards Trevithick.

Kornvolas dzinējs un maisījums

Ap 1811. gadu Ričardam Trevītikam vajadzēja atjaunināt Vata sūkņu dzinēju, lai to pielāgotu vienam no saviem jaunajiem lielajiem cilindriskajiem Kornvolas katliem. Kad Trevītiks 1816. gadā devās uz Dienvidameriku, viņa uzlabojumus turpināja Viljams Simss. Līdztekus tam Artūrs Vulfs (Arthur Woolf) izstrādāja saliktu dzinēju ar diviem cilindriem, lai tvaiks izplestos augstspiediena cilindrā un pēc tam tiktu izvadīts zemspiediena cilindrā. Efektivitāti vēl vairāk uzlaboja Samuels Groase, kurš izolēja katlu, dzinēju un caurules.

Tvaika spiediens virs virzuļa tika palielināts līdz 40 psi (0,28 MPa) vai pat 50 psi (0,34 MPa), un tagad tas nodrošināja lielāko daļu jaudas lejupejošajam gājienam; vienlaikus tika uzlabota kondensācija. Tas ievērojami paaugstināja efektivitāti, un turpmāk Kornvolas sistēmas sūkņu dzinējus (bieži pazīstamus kā Kornvolas dzinējus) turpināja būvēt jaunus visā 19. gadsimtā. Vecākos Vata dzinējus modernizēja, lai tie atbilstu prasībām.

Korniša uzlabojumu ieviešana bija lēna tekstilrūpniecības apgabalos, kur ogles bija lētas, jo dzinējiem bija lielākas kapitāla izmaksas un tie vairāk nodiluma. Izmaiņas sākās tikai 1830. gados, parasti tās veica, pievienojot vēl vienu (augstspiediena) cilindru.

Vēl viens agrīno tvaika dzinēju ierobežojums bija ātruma mainīgums, tāpēc tie nebija piemēroti daudziem tekstilrūpniecības veidiem, īpaši vērpšanai. Lai panāktu vienmērīgu ātrumu, agrīnajās tvaika dzirnavās izmantoja tvaika dzinēju ūdens sūknēšanai uz ūdens ratu, kas darbināja mašīnas.

Daudzi no šiem dzinējiem tika piegādāti visā pasaulē, un tie daudzus gadus darbojās droši un efektīvi, ievērojami samazinot ogļu patēriņu. Dažas no tām bija ļoti lielas, un šo tipu turpināja būvēt līdz pat 1890. gadiem.

Corliss dzinējs

Korlisa tvaika dzinējs (patentēts 1849. gadā) tika dēvēts par lielāko uzlabojumu kopš Džeimsa Vata. Korlisa dzinējam bija ievērojami uzlabota ātruma kontrole un labāka efektivitāte, tāpēc tas bija piemērots visdažādākajiem rūpnieciskiem lietojumiem, tostarp vērpšanai.

Corliss izmantoja atsevišķas atveres tvaika padevei un izplūdei, kas neļāva izplūdei atdzesēt karstā tvaika izmantoto kanālu. Corliss izmantoja arī daļēji rotējošus vārstus, kas nodrošināja ātru darbību, palīdzot samazināt spiediena zudumus. Paši vārsti arī samazināja berzi, īpaši salīdzinājumā ar slīdvārstiem, kas parasti izmantoja 10 % no dzinēja jaudas.

Corliss izmantoja automātisko mainīgo atslēgšanu. Vārstu pārnesumkārba regulēja motora apgriezienus, izmantojot regulatoru, lai mainītu izslēgšanas laiku. Tas daļēji nodrošināja ne tikai labāku ātruma kontroli, bet arī efektivitātes uzlabošanos.

Porter-Allen ātrgaitas tvaika dzinējs

Portera-Alena dzinējā, kas tika ieviests 1862. gadā, tika izmantots uzlabots vārstu pārnesumkārbas mehānisms, kuru Porteram izstrādāja Allens, ārkārtīgi spējīgs mehāniķis, un sākumā to plaši dēvēja par Allen dzinēju. Ātrgaitas dzinējs bija precīza mašīna, kas bija labi sabalansēta, un šos sasniegumus ļāva panākt progress darbgaldu un ražošanas tehnoloģiju jomā.

Ātrgaitas dzinējs darbojās ar virzuļa ātrumu, kas trīs līdz piecas reizes pārsniedza parasto dzinēju ātrumu. Tam bija arī maza ātruma mainība. Ātrgaitas dzinēju plaši izmantoja zāģētavās, lai darbinātu ripzāģus. Vēlāk to izmantoja elektroenerģijas ražošanai.

Šim dzinējam bija vairākas priekšrocības. Dažos gadījumos to varēja tieši savienot. Ja tika izmantoti zobrati vai siksnas un cilindri, tie varēja būt daudz mazāka izmēra. Arī pats dzinējs bija neliels, ņemot vērā tā radīto jaudu.

Porters ievērojami uzlaboja lidojošās lodes regulatoru, samazinot rotējošo svaru un pievienojot svaru ap vārpstu. Tas ievērojami uzlaboja ātruma kontroli. Līdz 1880. gadam Portera regulators kļuva par vadošo tipu.

Portera-Alena dzinēja efektivitāte bija laba, taču tā nebija līdzvērtīga Korlisa dzinējam.

Vienplūsmas (vai bezplūsmas) dzinējs

Vienplūsmas dzinējs bija visefektīvākais augstspiediena dzinēja tips. To izgudroja 1911. gadā, un to izmantoja kuģos, taču to izspieda tvaika turbīnas un vēlāk kuģu dīzeļdzinēji.

Skatīt arī

• Tvaika autotransporta līdzekļu vēsture

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: tvaika dzinējs.