Parní Stroj - Historie

Parní stroj nebyl ani tak vynalezen jako spíše postupně vyvíjen. Tento vývoj trval více než 100 let a podíleli se na něm 3 vynálezci z Velké Británie.

Poprvé byla pára použita k čerpání vody z dolů. Do té doby se k tomu používalo zvířat, která poháněla různá zařízení s nádobami. Bylo to nákladné a pomalé. A tak anglický vojenský inženýr Thomas Savery začal přemýšlet, jak by tuto práci zjednodušil a urychlil. Výsledkem jeho snažení byl patent z roku 1698 s názvem “stroj k čerpání vody ohněm”. Spíše než o stroj se jednalo o zařízení nebo přístroj, neboť Saveryho čerpadlo nemělo žádné pohyblivé součásti. Ale bylo to první zařízení, kde pára vykonávala užitečnou práci.

Hlavní částí Saveryho čerpadla byla tlaková nádoba, která měla nahoře přívod páry z kotle a dole sací a výtlačné potrubí. Zařízení fungovalo tak, že přívodním potrubím se do nádoby přivedla pára a pak se přívod uzavřel. Následně se na tuto kovovou nádobu pustila studená vodní sprcha, čímž pára uvnitř kondenzovala a vzniklo tam vakuum. Pak se otevřel sací ventil a do nádoby se sacím potrubím z dolu nasála voda. Sací ventil se uzavřel a otevřel ventil ve výtlačném potrubí. Poté se do nádoby pustila pára, která vodu vytlačila do výtlačného potrubí. Pak se celý cyklus opakoval.

Další etapou ve vývoji parního stroje je práce Thomase Newcomena, rovněž Angličana. Ten byl totiž přesvědčen, že musí existovat způsob, jak vylepšit Saveryho čerpadlo. A tak Newcomen postavil stroj, kde pára už pohybovala pístem (i když jen v jednom směru). Zjednodušeně se dá říci, že zde tlaková nádoba byla nahrazena válcem, který byl nahoře “uzavřen” pístem. Pod píst se přivedla pára, která jej posunula vzhůru. Pak se pod píst pustila voda, pára zkondenzovala a vzniklo vakuum. Atmosférický tlak působící nad pístem pak tento píst stlačil dolů. Pak se celý cyklus opakoval. Píst byl spojen s pístnicí, která byla kyvně připevněna k dvouramenné páce, na jejíž druhé straně bylo pístové čerpadlo. To opět pumpovalo vodu z dolu. Byl to tzv. jednočinný atmosférický parní stroj, neboť pára zde tlačila na píst pouze z jedné strany, zpětný pohyb obstarával atmosférický tlak. Významným pokrokem tu byl i jednoduchý automatický rozvod, který ve stanovené okamžiky otvíral a uzavíral jednotlivá potrubí.

Třetím mužem ve vývoji parního stroje byl Skot James Watt. Ten začal vylepšovat Newcomenův parní stroj už roku 1765, ale teprve v roce 1769 učinil zásadní změnu, když si nechal patentovat samostatný kondenzátor. Napadlo ho totiž oddělit dvě činnosti - zahřívání válce s horkou parou a jeho ochlazování, při němž pára kondenzovala v každém taktu stroje. Tím, že byl válec stále horký a kondenzátor stále studený, mohlo být dosaženo velké úspory energie. Tato geniálně jednoduchá myšlenka nemohla být hned použita ve velkých strojích, protože jejich výroba byla dosud hrubá a se spoustou vad. Aby se myšlenka mohla změnit v komerční úspěch, byla nutná podpora Matthew Boultona, průmyslníka z Birminghamu. Mezi roky 1775 a 1800, v nichž platil Wattův patent, vyrobili Watt s Boultonem asi 500 strojů, které přesto, že jejich cena byla ve srovnání s Newcomenovými stroji vysoká, byly dychtivě nakupovány majiteli cínových dolů v Cornwallu a jinými uživateli, kteří opravdu potřebovali hospodárný a spolehlivý zdroj energie.

Během čtvrtstoletí, v němž měli Boulton a Watt prakticky monopol ve výrobě zdokonalených parních strojů, zavedli mnohá důležitá zlepšení. Z jednočinného atmosférického čerpadla (které pracovalo jen při pohybu pístu směrem dolů) vytvořili přizpůsobivý dvojčinný hnací stroj, který mohl vykonávat rotační pohyb a roztočit tak kola průmyslu. Stroj s rotačním pohybem si rychle osvojil britský textilní průmyslník Sir Richard Arkwright, který ho použil při zpracování bavlny, a i když smutně proslulý Albion Mill na jižním konci Blackfairs Bridge v Londýně v r. 1791, kdy byl pouze pět let v provozu a ještě nebyl zcela dokončen, lehl popelem, prokázal možnost využití parní energie k mletí zrní ve velkém. Mnoho dalších průmyslových odvětví následovalo v průzkumu možnosti parního stroje a ten se brzy začal používat v širokém měřítku.

Wattův parní stroj

Wattův odstředivý regulátor

Používá se k stabilizaci otáček  parního stroje . Byl vynalezen v roce 1782 Jamesem Wattem. Skládá se ze dvou závaží, která rotují a jsou poháněna regulovaným strojem. Odstředivou silou rotujících závaží je přes soustavu pák přivírán ventil, přivádějící páru k stroji. Je tak realizována mechanická záporná zpětná vazba.

 

Wattovy patenty dočasně omezily použití vysokotlaké páry, potřebné pro tak důležitou aplikaci jako lokomotiva. K tomuto rozvoji došlo vzápětí poté, co patenty v r. 1800 vypršely. Richard Trevithick, inženýr z Cornish, zavedl vyšší tlak páry a v r. 1802 v Coalbrookdale dosáhl do té doby nevídaného tlaku 145 liber na čtvereční palec (10 kg na cm2) s experimentálním strojem, který pracoval bezpečně a účinně.

Lokomotivní parní stroj s heusingerovým rozvodem

1. Kulisa
2. Protiklika. Je nasazena na klikovém mechanismu ojnice, proti němu posunuta o 90°.
3. Prodloužená šoupátková tyč. Změnou její polohy proti kulise lze měnit plnění válce a směr jízdy
4. Předstihová páka. Skládá dohromady pohyb křižáku a prodloužené šoupátkové tyče pro získání předstihu plnění.
5. Křižák.
6. Šoupátková komora s pístovým šoupátkem. Pohyb je řízen pohybem předstihové páky
7. Válec parního stroje s pístem.
8. Ovládací páka rozvodu.

(Strojvedoucí nastavuje polohu prodloužené šoupátkové tyče proti kulise a tím i parametry (plnění a směr jízdy) práce parního stroje.)

 

Skoro ve stejnou dobu postavil americký inženýr Oliver Evans první vysokotlaký parní stroj ve Spojených státech a stejně jako Trevithick v něm použil válcový kotel s vnitřním topeništěm a plamencem. Vysokotlaké parní stroje se staly rychle populárními v Americe, částečně v důsledku Evansovy iniciativy a částečně proto, že se jen málo Wattových nízkotlakých strojů dostalo přes Atlantik. Trevithick rychle použil svůj stroj ve vozidle a v r. 1804 vyrobil první úspěšnou lokomotivu pro tramvajovou dráhu v Penydarren v jižním Walesu. Šlo však spíše o technický než o komerční úspěch, protože lokomotiva polámala tramvajové koleje vyrobené z litiny: věk železnic musel ještě počkat na další vývoj jak trvalých drah, tak lokomotiv.

Mezitím se stacionární parní stroj dále vyvíjel, aby mohl splnit stále větší požadavky průmyslu. Z vysokotlakého stroje se vyvinuly velká vahadlová čerpadla se složitým systémem ventilů, která se stala všeobecně známými jako cornishská čerpadla; bylo pro ně charakteristické to, že byl přívod páry přerušen ještě před dokončením taktu, aby mohla pára vykonat expanzní práci. Tyto stroje byly používány v celém světě pro velké čerpací práce a často byly odesílány a instalovány inženýry z Cornish. Trevithick sám strávil mnoho let zdokonalováním čerpadel v Latinské Americe. Cornishské stroje byly však pravděpodobně nejrozšířenější v samotném Cornwallu, kde byly ve velkém počtu využívány v cínových a měděných dolech.

Jiným důsledkem použití vysokotlaké páry byl sdružený stroj, v němž byla pára využita dvakrát i vícekrát s klesajícím tlakem, než byla nakonec kondenzována nebo vypuštěna. Tuto metodu poprvé použil Arthur Woolf, cornishský důlní inženýr, který v r. 1811 vyrobil velice uspokojivý a účinný sdružený vahadlový stroj s vysokotlakým válcem uloženým vedle nízkotlakého a oběma ojnicemi připojenými ke stejnému rovnoběžně se pohybujícímu čepu a tím byl rovnoběžník ojnic připojen k vahadlu, jako ve Wattově patentu z r. 1784. R. 1845 John McNaught zavedl alternativní sdružený parní stroj, u něhož byl vysokotlaký válec na opačném konci vahadla než nízkotlaký válec a pracoval s kratším taktem. Tento model získal velkou popularitu. Používaly se i jiné metody sdružování parních strojů a tato metoda byla stále rozšířenější; v druhé polovině 19. století byly v průmyslu a k pohonu lodí používány troj- i čtyřstupňové stroje. V té době také začaly být konvenční vertikální stroje vahadlového typu zavedené Newcomenem a zachované Wattem nahrazovány modely s horizontálním válcem. Vahadlové stroje se pro některé účely využívaly až do příchodu vratných parních strojů ve 20. století a zůstaly populární i jiné typy vertikálních strojů, ale nejobvyklejšími se staly modely s horizontálními válci, a to jak malé, tak velké.

Požadavky na energii k výrobě elektřiny v 80. letech 19. století stimulovaly nové zamyšlení nad parním strojem. Problémem bylo dosažení dostatečně velké rotační rychlosti, při které by dynamo pracovalo účinně. Takové rychlosti nebyly v možnostech normálních vratných strojů (tj. strojů s pístem, který se pohyboval nahoru a dolů ve válci). Inženýři začali zkoumat možnosti zásadních modifikací vratného stroje, které by umožnily dosažení požadovaných rychlostí, nebo vynálezu nového stroje pracujícího na zcela novém principu. Jedním z řešení první kategorie bylo uzavření pohyblivých částí stroje do pouzdra a jejich mazání pod tlakem. Do této kategorie patří např. Wilansův stroj, který byl velice rozšířený v prvních britských elektrárnách. Jinou důležitou modifikací vratného parního stroje byl souproudý parní stroj, u něhož byla účinnost zvýšena tím, že se pára vyfukovala průduchy ve středu válce, takže se nemusel měnit směr jejího proudění při každém pohybu pístu. Plného úspěchu ve vývoji vysokorychlostního pohonu bylo však dosaženo až vývojem parní turbíny, což byla tak převratná novinka, že se stala jednou z významných technologických inovací. Turbínu vynalezl Sir Charles Parsons r. 1884. Pára procházela lopatkami řady rotorů, které se postupně zvětšovaly (aby se pára mohla rozpínat) a její energie se měnila na velmi rychlý rotační pohyb, který byl ideální pro výrobu elektřiny. Od té doby bylo v konstrukci turbín dosaženo mnoha zlepšení a jejich velikost se mnohonásobně zvětšila, ale základní princip zůstal stejný a tato metoda je stále hlavním zdrojem elektřiny kromě těch oblastí, kde hornatý terén umožňuje ekonomickou výrobu s pomocí vodních turbín v hydroelektrárnách. I nejnovější jaderné elektrárny používají parní turbíny, protože nebyl ještě technologicky vyřešen problém přímé transformace jaderné energie na elektrickou. I v pohonu lodí zůstává přes konkurenci spalovacího motoru parní turbína důležitým zdrojem energie.