Höyrykoneen historia

Saveryn höyrypumppu vuodelta 1698 - ensimmäinen kaupallisesti menestyksekäs höyrykäyttöinen laite, jonka rakensi Thomas Savery

Ensimmäinen kirjattu alkeellinen höyrykone oli eolipiili, jonka Heron Aleksandrialainen kuvasi 1. vuosisadan roomalaisessa Egyptissä. Myöhemmin kokeiltiin tai ehdotettiin useita höyrykäyttöisiä laitteita, kuten Taqi al-Dinin höyrynostinta, 1500-luvun ottomaanien Egyptissä toimivaa höyryturbiinia ja Thomas Saveryn höyrypumppua 1600-luvun Englannissa. Vuonna 1712 Thomas Newcomenin ilmanpainemoottorista tuli ensimmäinen kaupallisesti menestyksekäs moottori, jossa käytettiin männän ja sylinterin periaatetta, ja se oli höyrykoneen perustyyppi 1900-luvun alkuun asti. Höyrykonetta käytettiin veden pumppaamiseen hiilikaivoksista.

Teollisen vallankumouksen aikana höyrykoneet alkoivat korvata vesi- ja tuulivoimaa, ja niistä tuli lopulta hallitseva voimanlähde 1800-luvun lopulla, ja ne pysyivät hallitsevina 1900-luvun alkuvuosikymmeniin asti, jolloin tehokkaampi höyryturbiini ja polttomoottori johtivat mäntähöyrykoneiden nopeaan korvaamiseen. Höyryturbiinista on tullut yleisin menetelmä, jolla sähkögeneraattoreita käytetään. Parhaillaan tutkitaan, olisiko käytännössä mahdollista elvyttää edestakainen höyrykone uuden kehittyneen höyryteknologian perustaksi.

Edelläkävijät

Höyryvoiman varhaiset käyttötavat

Varhaisimman tunnetun alkeellisen höyrykoneen ja reaktiohöyryturbiinin, eolipiilin, on kuvannut 1. vuosisadan roomalaisessa Egyptissä asuva matemaatikko ja insinööri Heron Aleksandrialainen, joka on kirjattu hänen käsikirjoitukseensa Spiritalia seu Pneumatica. Suuttimista tangentiaalisesti purkautuva höyry sai kääntyvän pallon pyörimään. Sen lämpöhyötysuhde oli alhainen. Tämä viittaa siihen, että höyrynpaineen muuntaminen mekaaniseksi liikkeeksi tunnettiin Rooman Egyptissä 1. vuosisadalla. Heron kehitti myös koneen, joka käytti alttaritulessa lämmitettyä ilmaa syrjäyttämään vesimäärän suljetusta astiasta. Veden paino saatiin vetämään piilotettua köyttä temppelin ovien käyttämiseksi. Jotkut historioitsijat ovat sekoittaneet nämä kaksi keksintöä toisiinsa ja väittäneet virheellisesti, että aeolipile kykeni hyödylliseen työhön.

Historioitsija William Malmesburylaisen mukaan vuonna 1125 Reimsissä sijainneen kirkkon uruissa oli voimanlähteenä "lämmitetyn veden" puristuksesta pakeneva ilma. Laitteiston oli ilmeisesti suunnitellut ja rakentanut professori Gerbertus.

Leonardo da Vincin 1400-luvun loppupuolelta peräisin olevien papereiden joukossa on Architonnerre-nimisen höyrykäyttöisen tykin suunnitelma, joka toimii siten, että kuuma vesi virtaa äkillisesti suljettuun, tulikuumaan tykkiin.

Alkeellisen iskuhöyryturbiinin kuvasi vuonna 1551 Taqi al-Din, 1500-luvun ottomaanien Egyptissä toiminut filosofi, tähtitieteilijä ja insinööri, joka kuvasi menetelmän, jolla varrasta pyöritetään pyörivillä siivillä pyörivän pyörän kehällä pyörivän höyrysuihkun avulla. Samanlaisen laitteen vartaan pyörittämiseen kuvasi myöhemmin myös John Wilkins vuonna 1648. Näitä laitteita kutsuttiin tuolloin "myllyiksi", mutta nykyään niitä kutsutaan höyrynostimiksi. Toinen samanlainen alkeellinen höyryturbiini on italialaisen insinöörin Giovanni Brancan vuonna 1629 esittämä malli, jolla pyöritettiin sylinterinmuotoista liukulaitetta, joka vuoroin nosti ja vuoroin laski laastissa työskentelevää nostokouraa. Näiden varhaisten höyryturbiinien höyryvirta ei kuitenkaan ollut keskittynyt, ja suurin osa sen energiasta haihtui kaikkiin suuntiin. Tämä olisi johtanut suureen energian tuhlaukseen, joten niitä ei koskaan vakavasti harkittu teolliseen käyttöön.

Vuonna 1605 ranskalainen matemaatikko Florence Rivault kirjoitti tykistöä käsittelevässä tutkielmassaan löydöstään, jonka mukaan pommikuoreen suljettu ja lämmitetty vesi räjäyttäisi kuoret.

Vuonna 1606 espanjalainen Jerónimo de Ayanz y Beaumont esitteli höyrykäyttöisen vesipumpun ja sai patentin sille. Pumppua käytettiin menestyksekkäästi Espanjan Guadalcanalin tulvittujen kaivosten tyhjentämiseen.

Kaupallisen höyrykoneen kehitys

"Thomas Newcomenin vuonna 1712 tekemät keksinnöt, jotka johtivat höyrykoneeseen, olivat:"

Tyhjiön käsite (eli paineen aleneminen alle ympäristön paineen).
Paineen käsite
Tekniikat tyhjiön luomiseksi
Keino tuottaa höyryä
mäntä ja sylinteri

Vuonna 1643 Evangelista Torricelli teki kokeita imunostoveden pumpuilla testatakseen niiden rajoja, jotka olivat noin 32 jalkaa (ilmakehän paine on 32,9 jalkaa eli 10,03 metriä.). Veden höyrynpaine alentaa teoreettista nostokorkeutta). Hän suunnitteli kokeen, jossa hän käytti elohopealla täytettyä putkea, joka oli käännetty elohopea-astiaan (barometri), ja havaitsi elohopeapatsaan yläpuolella tyhjän tilan, jonka hän arveli sisältävän tyhjää eli tyhjiön.

Torricellin vaikutuksesta Otto von Guericke keksi tyhjiöpumpun muuntamalla ilmapistoolin paineistamiseen käytettävää ilmapumppua. Guericke järjesti esittelyn vuonna 1654 Magdeburgissa, Saksassa, jossa hän oli pormestarina. Kaksi kuparista puolipalloa sovitettiin yhteen ja ilmaa pumpattiin ulos. Puolipalloihin kiinnitetyt painot eivät pystyneet vetämään niitä erilleen ennen kuin ilmaventtiili avattiin. Koe toistettiin vuonna 1656 käyttäen kahta kahdeksan hevosen joukkuetta, jotka eivät kyenneet erottamaan Magdeburgin puolipalloja toisistaan.

Gaspar Schott kuvasi ensimmäisenä puolipallokokeen teoksessaan Mechanica Hydraulico-Pneumatica (1657).

Luettuaan Schottin kirjan Robert Boyle rakensi parannetun tyhjiöpumpun ja teki siihen liittyviä kokeita.

Denis Papin kiinnostui tyhjiön käyttämisestä käyttövoiman tuottamiseen työskennellessään Christiaan Huygensin ja Gottfried Leibnizin kanssa Pariisissa vuonna 1663. Papin työskenteli Robert Boylen palveluksessa vuosina 1676-1679. Hän julkaisi kertomuksen työstään teoksessa Continuation of New Experiments (1680) ja piti esitelmän Royal Societyn kokouksessa vuonna 1689. Vuodesta 1690 alkaen Papin alkoi kokeilla mäntää voiman tuottamiseksi höyryn avulla ja rakensi mallihöyrykoneita. Hän kokeili ilmanpainehöyrykoneita ja julkaisi tuloksensa vuonna 1707.

Vuonna 1663 Edward Somerset, 2. Worcesterin markiisi, julkaisi 100 keksintöä sisältävän kirjan, jossa kuvattiin menetelmä veden nostamiseksi lattioiden välissä käyttäen samanlaista periaatetta kuin kahvinkeittimessä. Hänen järjestelmänsä oli ensimmäinen, jossa kattila (lämmitetty tykinpiippu) erotettiin pumppaustoiminnasta. Vesi johdettiin vahvistettuun tynnyriin säiliöstä, minkä jälkeen venttiili avattiin höyryn päästämiseksi erillisestä kattilasta. Paine nousi veden päälle ja ajoi sen putkea pitkin ylöspäin. Hän asensi höyrykäyttöisen laitteensa Raglanin linnan suuren tornin seinään syöttääkseen vettä tornin läpi. Seinään tehdyt urat, joihin moottori oli asennettu, olivat nähtävissä vielä 1800-luvulla. Kukaan ei kuitenkaan ollut valmis riskeeraamaan rahaa näin vallankumouksellisen konseptin puolesta, ja ilman tukijoita kone jäi kehittämättä.

Samuel Morland, matemaatikko ja keksijä, joka työskenteli pumppujen parissa, jätti Vauxhall Ordinance Officeen muistiinpanoja höyrypumpun suunnittelusta, jotka Thomas Savery luki. Vuonna 1698 Savery rakensi höyrypumpun nimeltä "The Miner's Friend". Se käytti sekä alipainetta että painetta. Niitä käytettiin pienen hevosvoiman käyttöön useiden vuosien ajan.

Thomas Newcomen oli kauppias, joka kauppasi valurautatuotteita. Newcomenin moottori perustui Papinin ehdottamaan mäntä- ja sylinterimalliin. Newcomenin moottorissa höyry lauhdutettiin sylinterin sisälle ruiskutetulla vedellä, jolloin ilmanpaine liikutti mäntää. Newcomenin ensimmäinen moottori asennettiin kaivoksen pumppaamiseen vuonna 1712 Dudleyn linnassa Staffordshiressä.

Sylinterit

Denis Papin (22. elokuuta 1647 - noin 1712) oli ranskalainen fyysikko, matemaatikko ja keksijä, joka tunnetaan parhaiten uraauurtavasta keksinnöstään höyrykattilasta, joka oli painekattilan edeltäjä. Papin teki 1670-luvun puolivälissä yhteistyötä hollantilaisen fyysikon Christiaan Huygensin kanssa moottorin kehittämiseksi, joka ajoi ilmaa ulos sylinteristä räjäyttämällä ruudin sen sisällä. Kun Papin huomasi tällä tavoin tuotetun tyhjiön epätäydellisyyden ja muutettuaan Englantiin vuonna 1680 hän kehitti saman sylinterin version, jossa täydellisempi tyhjiö saatiin aikaan kiehuvalla vedellä, jonka jälkeen höyryn annettiin tiivistyä; tällä tavoin hän pystyi nostamaan painoja kiinnittämällä männän pään hihnapyörän yli kulkevaan köyteen. Esittelymallina järjestelmä toimi, mutta prosessin toistamiseksi koko laite oli purettava ja koottava uudelleen. Papin huomasi nopeasti, että automaattisen kierron aikaansaamiseksi höyry olisi tuotettava erikseen kattilassa, mutta hän ei kuitenkaan vienyt hanketta eteenpäin. Papin suunnitteli myös meloveneen, jonka käyttövoimana oli myllynpyörässä toimiva suihku, joka oli yhdistelmä Taqi al Dinin ja Saveryn käsityksiä, ja hänen ansiokseen lasketaan myös useita merkittäviä laitteita, kuten varoventtiili. Papinin vuosia kestäneellä tutkimuksella höyryn valjastamiseen liittyvistä ongelmista oli keskeinen rooli ensimmäisten menestyksekkäiden teollisuusmoottoreiden kehittämisessä, joka tapahtui pian hänen kuolemansa jälkeen.

Savery-höyrypumppu

Ensimmäinen teollisesti sovellettu höyrykone oli Thomas Saveryn vuonna 1698 suunnittelema "palokone" eli "Miner's Friend". Kyseessä oli männätön höyrypumppu, joka oli samanlainen kuin Worcesterin kehittämä. Savery teki kaksi keskeistä työtä, jotka paransivat huomattavasti rakenteen käytännöllisyyttä. Ensinnäkin, jotta veden syöttö voitaisiin sijoittaa moottorin alapuolelle, hän käytti lauhdutettua höyryä osittaisen tyhjiön tuottamiseen pumppusäiliöön (Worcesterin esimerkissä tynnyriin) ja käytti sitä veden vetämiseen ylöspäin. Toiseksi hän juoksutti kylmää vettä säiliön yli jäähdyttääkseen höyryn nopeasti tyhjiön aikaansaamiseksi.

Toiminta vaati useita venttiilejä; kun säiliö oli tyhjä syklin alussa, venttiili avattiin höyryn päästämiseksi sisään. Venttiili suljettiin säiliön sulkemiseksi ja jäähdytysvesiventtiili kytkettiin päälle höyryn tiivistämiseksi ja osittaisen tyhjiön luomiseksi. Syöttöventtiili avattiin, jolloin vesi vedettiin ylöspäin säiliöön, ja tyypillinen moottori saattoi vetää vettä jopa 20 jalan korkeuteen. Venttiili suljettiin ja höyryventtiili avattiin uudelleen, jolloin veden päälle muodostui paine ja se pumpattiin ylöspäin, kuten Worcesterin mallissa. Sykli periaatteessa kaksinkertaisti matkan, jonka vettä voitiin pumpata millä tahansa höyrynpaineella, ja tuotantoesimerkit nostivat vettä noin 40 jalkaa.

Saveryn moottori ratkaisi ongelman, josta oli vasta hiljattain tullut vakava ongelma: veden nostaminen pois Etelä-Englannin kaivoksista, kun ne olivat päässeet suurempiin syvyyksiin. Saveryn moottori oli hieman tehottomampi kuin Newcomenin moottori, mutta tätä kompensoi se, että Newcomenin moottorin käyttämä erillinen pumppu oli tehoton, joten näiden kahden moottorin hyötysuhde oli suunnilleen sama eli 6 miljoonaa jalkapuntaa hiilipuskuria kohti (alle 1 %). Saveryn moottori ei myöskään ollut kovin turvallinen, koska osa sen kierrosta vaati höyryä, joka oli paineistettu kattilasta, eikä painesäiliötä voitu tehdä riittävän vahvaksi, joten se oli räjähdysherkkä tuon ajan tekniikan vuoksi. Yhden Saveryn pumpun räjähdys Broad Watersissa (lähellä Wednesburyä) noin vuonna 1705 merkitsi todennäköisesti loppua keksinnön hyödyntämisyrityksille.

Saveryn moottori oli edullisempi kuin Newcomenin moottori, ja sitä valmistettiin pienemmässä koossa. Jotkut rakentajat valmistivat paranneltuja versioita Saveryn moottorista aina 1700-luvun lopulle asti. Bento de Moura Portugal, FRS, esitteli nerokkaan parannuksen Saveryn rakenteeseen, jonka John Smeaton kuvasi vuonna 1751 ilmestyneessä Philosophical Transactions -julkaisussa.

Ilmakehän lauhdutusmoottorit

Newcomenin ilmanpainemoottori

Vuonna 1712 valmistuneessa ilmanpainemoottorissaan Thomas Newcomenin voidaan sanoa yhdistäneen suurimman osan Papinin laatimista olennaisista elementeistä ja kehittäneen ensimmäisen käytännön höyrykoneen, jolle oli kaupallista kysyntää. Se oli muodoltaan pinnan tasolle asennettu edestakainen palkkimoottori, joka pyöritti palkkimoottorin toiseen päähän sijoitettuja peräkkäisiä pumppuja. Moottori, joka oli kiinnitetty ketjuilla palkin toiseen päähän, toimi alipaineperiaatteella.

Newcomenin suunnittelussa käytettiin joitakin aiempien konseptien osia. Saveryn mallin tavoin Newcomenin moottori käytti vedellä jäähdytettyä höyryä tyhjiön aikaansaamiseksi. Toisin kuin Saveryn pumppu, Newcomen käytti kuitenkin tyhjiötä vetämään mäntää sen sijaan, että se olisi vetänyt suoraan vettä. Sylinterin yläpää oli avoin ilmakehän paineelle, ja kun tyhjiö muodostui, männän yläpuolella oleva ilmakehän paine työnsi männän alas sylinteriin. Mäntä voideltiin ja tiivistettiin tihkuvalla vedellä, joka tuli samasta säiliöstä, josta saatiin jäähdytysvesi. Jäähdytystehon parantamiseksi hän ruiskutti vettä suoraan sylinteriin.

Mäntä oli kiinnitetty ketjulla suureen kääntyvään palkkiin. Kun mäntä veti palkkia, palkin toinen puoli vedettiin ylöspäin. Tämä pää oli kiinnitetty tankoon, joka veti kaivoksessa olevaa sarjaa tavanomaisia pumpun kahvoja. Tämän tehoiskun lopussa höyryventtiili avattiin uudelleen, ja pumpun tankojen paino veti palkkia alaspäin, jolloin mäntä nousi ylös ja höyryä vedettiin jälleen sylinteriin.

Männän ja palkin käyttö mahdollisti sen, että Newcomenin moottori saattoi käyttää pumppuja eri tasoilla koko kaivoksessa, ja lisäksi se poisti tarpeen käyttää korkeapainehöyryä. Koko järjestelmä oli eristetty yhteen ainoaan rakennukseen pinnalla. Vaikka nämä moottorit olivat tehottomia ja käyttivät erittäin paljon hiiltä (verrattuna myöhempiin moottoreihin), ne nostivat paljon suurempia vesimääriä ja suuremmista syvyyksistä kuin aiemmin oli ollut mahdollista. Vuoteen 1735 mennessä eri puolilla Englantia oli asennettu yli 100 Newcomenin moottoria, ja vuoteen 1800 mennessä niitä arvioitiin olleen käytössä jopa 2 000 (Wattin versiot mukaan luettuina).

John Smeaton teki Newcomenin moottoriin lukuisia parannuksia, erityisesti tiivisteisiin, ja parantamalla niitä hän pystyi lähes kolminkertaistamaan niiden tehokkuuden. Lisäksi hän käytti mieluummin pyöriä kuin palkkeja voiman siirtämiseen sylinteristä, mikä teki hänen moottoreistaan kompaktimpia. Smeaton oli ensimmäinen, joka kehitti tiukan teorian höyrykoneen suunnittelusta ja toiminnasta. Hän laski aiotusta tehtävästä taaksepäin laskien tehtävään tarvittavan tehon määrän, sitä tuottavan sylinterin koon ja nopeuden, sen syöttämiseen tarvittavan kattilan koon ja sen kuluttaman polttoaineen määrän. Nämä laskelmat kehitettiin empiirisesti sen jälkeen, kun Newcomen oli tutkinut kymmeniä Newcomenin moottoreita Cornwallissa ja Newcastlessa ja rakentanut oman kokeilumoottorin kotonaan Austhorpessa vuonna 1770. Kun Wattin moottori esiteltiin vain muutamaa vuotta myöhemmin, Smeaton oli rakentanut kymmeniä yhä suurempia moottoreita, joiden teho oli jopa 100 hevosvoiman luokkaa.

Wattin erillinen lauhdutin

Työskennellessään Glasgow'n yliopistossa instrumenttimiehenä ja korjaajana vuonna 1759 James Watt tutustui höyryn voimaan professori John Robisonin toimesta. Kiehtoutuneena Watt ryhtyi lukemaan kaiken mahdollisen aiheesta ja kehitti itsenäisesti latentin lämmön käsitteen, jonka Joseph Black oli vasta hiljattain julkaissut samassa yliopistossa. Kun Watt sai tietää, että yliopisto omisti pienen toimivan Newcomenin moottorin pienoismallin, hän vaati sen palauttamista Lontoosta, jossa sitä korjattiin tuloksetta. Watt korjasi koneen, mutta huomasi, että se oli tuskin toimiva, vaikka se oli täysin korjattu.

Työskenneltyään mallin parissa Watt päätteli, että 80 prosenttia moottorin käyttämästä höyrystä meni hukkaan. Sen sijaan, että se olisi tuottanut käyttövoimaa, se käytettiin sylinterin lämmittämiseen. Newcomenin mallissa jokainen tehoisku aloitettiin kylmän veden suihkulla, joka paitsi lauhdutti höyryn myös jäähdytti sylinterin seinämiä. Tämä lämpö oli korvattava, ennen kuin sylinteri pystyi jälleen ottamaan höyryä vastaan. Newcomenin moottorissa lämpöä toimitti vain höyry, joten kun höyryventtiili avattiin uudelleen, suurin osa höyrystä kondensoitui kylmille seinämille heti, kun se pääsi sylinteriin. Kesti huomattavan paljon aikaa ja höyryä, ennen kuin sylinteri lämpeni uudelleen ja höyry alkoi täyttää sitä.

Watt ratkaisi vesisuihkun ongelman siirtämällä kylmän veden toiseen sylinteriin, joka sijoitettiin tehosylinterin viereen. Kun induktiotahti oli valmis, näiden kahden välille avattiin venttiili, ja sylinteriin tullut höyry tiivistyi tämän kylmän sylinterin sisällä. Tämä loisi alipaineen, joka vetäisi lisää höyryä sylinteriin, ja niin edelleen, kunnes höyry oli suurimmaksi osaksi tiivistynyt. Tämän jälkeen venttiili suljettiin, ja pääsylinterin toiminta jatkui kuten tavanomaisessa Newcomenin moottorissa. Koska pääsylinteri pysyi koko ajan käyttölämpötilassa, järjestelmä oli valmis uuteen iskuun heti, kun mäntä vedettiin takaisin ylös. Lämpötila pidettiin yllä sylinterin ympärillä olevan vaipan avulla, johon höyryä johdettiin. Watt valmisti toimivan mallin vuonna 1765.

Koska Watt oli vakuuttunut siitä, että kyseessä oli suuri edistysaskel, hän solmi kumppanuuksia, jotka tarjosivat riskipääomaa, kun hän työskenteli suunnittelun parissa. Watt ei tyytynyt tähän yksittäiseen parannukseen, vaan hän työskenteli väsymättä useiden muiden parannusten parissa, jotka koskivat käytännössä moottorin jokaista osaa. Watt paransi järjestelmää entisestään lisäämällä pienen tyhjiöpumpun, jolla höyry vedettiin sylinteristä lauhduttimeen, mikä paransi kierrosaikoja entisestään. Radikaalimpi muutos Newcomenin malliin oli sylinterin yläosan sulkeminen ja matalapaineisen höyryn käyttöönotto männän yläpuolella. Nyt teho ei johtunut ilmakehän paineen ja tyhjiön erosta vaan höyryn ja tyhjiön paineesta, joka oli hieman suurempi arvo. Ylöspäin suuntautuvassa paluutahdissa yläpuolella oleva höyry siirrettiin putkea pitkin männän alapuolelle, jossa se oli valmiina tiivistymään alaspäin suuntautuvaa tahtia varten. Newcomenin moottorin männän tiivistys oli saavutettu pitämällä pieni määrä vettä männän yläpuolella. Tämä ei ollut enää mahdollista Wattin moottorissa höyryn läsnäolon vuoksi. Watt käytti huomattavia ponnisteluja löytääkseen toimivan tiivisteen, joka lopulta saatiin aikaan käyttämällä talin ja öljyn seosta. Männänvarsi kulki myös sylinterin yläkannessa olevan tiivisteen läpi, joka oli tiivistetty samalla tavalla.

Männän tiivistysongelma johtui siitä, ettei ollut mahdollista valmistaa riittävän pyöreää sylinteriä. Watt yritti porata sylinterit valuraudasta, mutta ne olivat liian epäkeskoja. Watt joutui käyttämään vasaroitua rautasylinteriä. Seuraava lainaus on peräisin Roelta (1916):

"Kun (John) Smeaton näki moottorin ensimmäisen kerran, hän raportoi Insinöörien yhdistykselle, että 'ei ole olemassa työkaluja eikä työmiehiä, jotka voisivat valmistaa näin monimutkaisen koneen riittävän tarkasti' " "

Watt katsoi lopulta, että malli oli riittävän hyvä julkaistavaksi vuonna 1774, ja Wattin moottori saatiin markkinoille. Koska osia suunnitelmasta voitiin helposti sovittaa olemassa oleviin Newcomenin moottoreihin, kaivoksilla ei tarvinnut rakentaa kokonaan uutta moottoria. Sen sijaan Watt ja hänen liikekumppaninsa Matthew Boulton lisensoivat parannukset veturinkuljettajille ja veloittivat heiltä osan polttoainekustannusten alenemisen ansiosta säästyneistä rahoista. Suunnittelu menestyi erinomaisesti, ja Boulton and Watt -yhtiö perustettiin lisensoimaan suunnittelua ja auttamaan uusia valmistajia moottoreiden rakentamisessa. Myöhemmin molemmat avasivat Sohon valimon valmistamaan omia moottoreita.

Vuonna 1774 John Wilkinson keksi porakoneen, jossa poratyökalua pitelevä akseli oli tuettu molemmista päistä ja ulottui sylinterin läpi, toisin kuin tuolloin käytetyissä kannakkeellisissa porakoneissa. Tällä koneella hän pystyi onnistuneesti poraamaan sylinterin Boultonin ja Wattin ensimmäiseen kaupalliseen moottoriin vuonna 1776.

Watt ei koskaan lakannut parantamasta mallejaan. Se paransi edelleen käyttökierron nopeutta, otti käyttöön säätimet, automaattiventtiilit, kaksitoimiset männät, erilaiset pyörivät voimanotot ja monia muita parannuksia. Wattin tekniikka mahdollisti paikallaan olevien höyrykoneiden laajan kaupallisen käytön.

Humphrey Gainsborough valmisti 1760-luvulla lauhdutinhöyrykoneen mallin, jota hän näytti Lunar Societyn jäsenelle Richard Lovell Edgeworthille. Gainsborough uskoi, että Watt oli käyttänyt hänen ideoitaan keksinnössä; James Watt ei kuitenkaan ollut Lunar Societyn jäsen tuolloin, ja hänen lukuisat kertomuksensa, joissa hän selittää lopulliseen suunnitteluun johtaneita ajatusprosesseja, ovat omiaan kumoamaan tämän tarinan.

Tehoa rajoittivat edelleen alhainen paine, sylinterin tilavuus, palamis- ja haihtumisnopeus sekä lauhduttimen kapasiteetti. Teoreettista enimmäishyötysuhdetta rajoitti suhteellisen pieni lämpötilaero männän molemmin puolin; tämä merkitsi sitä, että jotta Wattin moottori tuottaisi käyttökelpoisen määrän tehoa, ensimmäisten tuotantomoottoreiden oli oltava hyvin suuria ja siten kalliita rakentaa ja asentaa.

Wattin kaksitoimiset ja pyörivät moottorit

Watt kehitti kaksitoimisen moottorin, jossa höyry ajoi mäntää molempiin suuntiin, mikä lisäsi moottorin nopeutta ja hyötysuhdetta. Kaksitoiminen periaate lisäsi myös merkittävästi tietyn fyysisen kokoisen moottorin tehoa.

Boulton & Watt kehittivät edestakaisen moottorin rotaatiomoottoriksi. Toisin kuin Newcomenin moottori, Wattin moottori pystyi toimimaan niin tasaisesti, että se voitiin liittää vetoakseliin - aurinko- ja planeettapyörästön välityksellä - pyörivän voiman tuottamiseksi yhdessä kaksitoimisten lauhdesylintereiden kanssa. Varhaisin esimerkki rakennettiin esittelykoneeksi, ja se asennettiin Boultonin tehtaaseen käyttämään koneita, joilla hiottiin (kiillotettiin) nappeja tai muita vastaavia. Tästä syystä se tunnettiin aina nimellä Lap Engine. Varhaisissa höyrykoneissa mäntä on yleensä liitetty tangolla tasapainotettuun palkkiin eikä suoraan vauhtipyörään, ja siksi näitä moottoreita kutsutaankin palkkimoottoreiksi.

Varhaiset höyrykoneet eivät tuottaneet riittävän tasaista nopeutta kriittisiin toimintoihin, kuten puuvillan kehräämiseen. Nopeuden säätelemiseksi moottoria käytettiin veden pumppaamiseen vesipyörää varten, joka pyöritti koneistoa.

Korkeapainemoottorit

1700-luvun edetessä vaadittiin korkeampia paineita; Watt vastusti tätä voimakkaasti ja käytti patenttinsa antamaa monopolia estääkseen muita rakentamasta korkeapaineisia moottoreita ja käyttämästä niitä ajoneuvoissa. Hän suhtautui epäluuloisesti silloiseen kattilatekniikkaan, niiden rakennustapaan ja käytettyjen materiaalien lujuuteen.

Korkeapaineisten moottoreiden tärkeitä etuja olivat:

Niistä voitiin tehdä paljon pienempiä kuin aikaisemmin, kun teho oli sama. Näin oli mahdollista kehittää höyrykoneita, jotka olivat riittävän pieniä ja tehokkaita kuljettamaan itseään ja muita esineitä. Tämän seurauksena höyryvoiman käytöstä kuljetuksissa tuli nyt käytännöllistä laivojen ja maa-ajoneuvojen muodossa, mikä mullisti rahtiliikenteen, matkustamisen, sotilasstrategian ja periaatteessa kaikki yhteiskunnan osa-alueet.
Pienemmän kokonsa vuoksi ne olivat paljon edullisempia.
Ne eivät tarvinneet merkittäviä määriä lauhduttimen jäähdytysvettä, jota ilmakehämoottorit tarvitsivat.
Ne voitiin suunnitella toimimaan suuremmilla nopeuksilla, joten ne soveltuivat paremmin koneiden käyttövoimaksi.

Haittapuolina olivat seuraavat seikat:

Matalapainealueella ne olivat tehottomampia kuin lauhdutinmoottorit, varsinkin jos höyryä ei käytetty ekspansiivisesti.
Ne olivat alttiimpia kattilaräjähdyksille.

Suurin ero korkeapaine- ja matalapainehöyrykoneiden toiminnan välillä on mäntää liikuttavan voiman lähde. Newcomenin ja Wattin moottoreissa suurin osa paine-erosta syntyy höyryn tiivistymisestä, jolloin ilmakehän paine (Newcomen) ja matalapainehöyry, joka on harvoin yli 7 psi:n kattilanpaine, sekä lauhduttimen alipaine (Watt) liikuttavat mäntää. Korkeapaineisessa moottorissa suurimman osan paine-erosta muodostaa kattilasta tuleva korkeapaineinen höyry; männän matalapaineinen puoli voi olla ilmakehän paineessa tai kytketty lauhduttimen paineeseen. Newcomenin indikaattorikaavio, joka oli lähes kokonaan ilmakehän viivan alapuolella, sai uutta eloa lähes 200 vuotta myöhemmin, kun kolminkertaisen paisunnan moottoreiden matalapainesylinterin osuus moottorin tehosta oli noin 20 prosenttia, ja se oli jälleen lähes kokonaan ilmakehän viivan alapuolella.

Ensimmäinen tunnettu "vahvan höyryn" puolestapuhuja oli Jacob Leupold, jonka moottori julkaistiin noin vuonna 1725 ilmestyneissä tietosanakirjoissa. Vuosisadan aikana ilmestyi myös erilaisia höyrykäyttöisiä veneitä ja ajoneuvoja koskevia hankkeita, joista yksi lupaavimmista oli Nicolas-Joseph Cugnot'n vuonna 1769 esittelemä "fardier" (höyryvaunu). Tässä ajoneuvossa käytettyä käyttöpainetta ei tunneta, mutta kattilan pieni koko ei riittänyt höyryn tuotantonopeuteen, jonka avulla fardier olisi voinut edetä muutamaa sataa metriä pidemmälle kerrallaan ennen kuin se olisi pitänyt pysäyttää höyryn nostamiseksi. Muitakin hankkeita ja malleja ehdotettiin, mutta kuten William Murdochin vuoden 1784 malli, Boulton ja Watt estivät monet niistä.

Tämä ei koskenut Yhdysvaltoja, ja vuonna 1788 John Fitchin rakentama höyrylaiva liikennöi säännöllisesti kaupallisessa liikenteessä Delaware-joella Philadelphian (Pennsylvania) ja Burlingtonin (New Jersey) välillä ja kuljetti jopa 30 matkustajaa. Tämä laiva pystyi yleensä kulkemaan 7–8 mailia tunnissa, ja se kulki lyhyen liikennöintinsä aikana yli 2 000 mailia (3 200 km). Fitchin höyrylaiva ei ollut kaupallinen menestys, sillä reitillä oli riittävästi suhteellisen hyviä vaunuteitä. Vuonna 1802 William Symington rakensi käytännöllisen höyrylaivan, ja vuonna 1807 Robert Fulton käytti Wattin höyrykonetta ensimmäisen kaupallisesti menestyneen höyrylaivan käyttövoimana.

Oliver Evans puolestaan kannatti "vahvaa höyryä", jota hän käytti venemoottoreissa ja kiinteässä käytössä. Hän oli sylinterikattiloiden edelläkävijä; Evansin kattiloissa tapahtui kuitenkin useita vakavia kattilaräjähdyksiä, mikä oli omiaan antamaan painoarvoa Wattin epäilyille. Hän perusti Pittsburgh Steam Engine Companyn vuonna 1811 Pittsburghiin, Pennsylvaniaan. Yhtiö toi korkeapainehöyrykoneet jokilaivaliikenteeseen Mississippin valuma-alueella.

Ensimmäisen korkeapaineisen höyrykoneen keksi vuonna 1800 Richard Trevithick.

Höyryn nostaminen paineen alaisena (termodynaamisen näkökulmasta) on tärkeää, koska siinä saavutetaan korkeampi lämpötila. Näin ollen kaikki korkeapainehöyryä käyttävät moottorit toimivat korkeammassa lämpötilassa ja korkeammalla paine-erolla kuin matalapaineiset alipainemoottorit. Korkeapaineisesta moottorista tuli näin ollen perusta, jonka varaan useimmat edestakaisen höyrytekniikan kehitystyöt perustuivat. Silti noin vuonna 1800 "korkeapaine" tarkoitti sitä, mitä nykyään pidettäisiin hyvin matalana paineena eli 276–345 kPa:n (40–50 psi) paineita, koska kyseinen korkeapaineinen moottori ei ollut kondensoiva, vaan sitä käytettiin ainoastaan höyryn paisuntavoimalla, ja kun höyry oli tehnyt työtä, se yleensä poistettiin ilmakehän painetta korkeammassa paineessa. Poistuvan höyryn puhallusta savupiippuun voitiin käyttää hyväksi, jotta tulipesän arinan läpi saataisiin aikaan indusoitu veto ja siten palamisnopeus nousisi, jolloin pienemmässä uunissa saataisiin enemmän lämpöä, mutta männän poistopuolelle syntyisi vastapaine.

Helmikuun 21. päivänä 1804 Penydarrenin rautatehtaalla Merthyr Tydfilissä Etelä-Walesissa esiteltiin Richard Trevithickin rakentama ensimmäinen itsekulkeva rautateiden höyrykone eli höyryveturi.

Cornwallin moottori ja sekoittaminen

Noin vuonna 1811 Richard Trevithickin piti päivittää Wattin pumppukone, jotta se voitiin sovittaa yhteen hänen uusista suurista sylinterimäisistä Cornish-kattiloista. Kun Trevithick lähti Etelä-Amerikkaan vuonna 1816, William Sims jatkoi hänen parannuksiaan. Arthur Woolf kehitti samansuuntaisesti yhdistelmämoottorin, jossa oli kaksi sylinteriä niin, että höyry laajeni korkeapaineisessa sylinterissä ennen kuin se vapautui matalapaineiseen sylinteriin. Tehokkuutta paransi edelleen Samuel Groase, joka eristi kattilan, moottorin ja putket.

Höyrynpaine männän yläpuolella nousi lopulta 40 psi:iin (0,28 MPa) tai jopa 50 psi:iin (0,34 MPa), ja nyt se antoi suuren osan alaspäin suuntautuvan iskun tehosta; samalla tiivistymistä parannettiin. Tämä paransi huomattavasti hyötysuhdetta, ja uusia Cornishin järjestelmään perustuvia pumppumoottoreita (usein Cornishin moottoreina tunnettuja) rakennettiin koko 1800-luvun ajan. Vanhemmat Watt-moottorit päivitettiin vastaamaan niitä.

Näiden Cornishin parannusten käyttöönotto oli hidasta tekstiilituotantoalueilla, joilla hiili oli halpaa, koska moottoreiden pääomakustannukset olivat korkeammat ja ne kuluivat enemmän. Muutokset alkoivat vasta 1830-luvulla, yleensä yhdistämällä ja lisäämällä toinen (korkeapaineinen) sylinteri.

Toinen varhaisten höyrykoneiden rajoitus oli nopeuden vaihtelu, minkä vuoksi ne eivät soveltuneet moniin tekstiilisovelluksiin, erityisesti kehruukoneisiin. Tasaisen nopeuden saavuttamiseksi varhaisissa höyrykäyttöisissä tekstiilitehtaissa höyrykoneella pumpattiin vettä vesipyörään, joka pyöritti koneistoa.

Monia näistä moottoreista toimitettiin maailmanlaajuisesti, ja ne palvelivat luotettavasti ja tehokkaasti useiden vuosien ajan vähentäen huomattavasti hiilen kulutusta. Jotkin niistä olivat hyvin suuria, ja niitä rakennettiin vielä 1890-luvulle asti.

Corlissin moottori

Corlissin höyrykonetta (patentoitu 1849) kutsuttiin suurimmaksi parannukseksi sitten James Wattin. Corlissin moottorin nopeuden säätö ja hyötysuhde olivat huomattavasti paremmat, joten se soveltui monenlaisiin teollisiin sovelluksiin, myös kehräämöön.

Corliss käytti erillisiä portteja höyryn syöttöön ja pakokaasuun, mikä esti pakokaasua jäähdyttämästä kuuman höyryn käyttämää kanavaa. Corliss käytti myös osittain pyöriviä venttiileitä, jotka toimivat nopeasti ja auttoivat vähentämään painehäviöitä. Myös itse venttiilit vähensivät kitkaa, erityisesti verrattuna liukuventtiiliin, joka käytti tyypillisesti 10 prosenttia moottorin tehosta.

Corliss käytti automaattista muuttuvaa katkaisua. Venttiilivaihteisto ohjasi moottorin kierroslukua säätimellä, joka vaihteli katkaisun ajoitusta. Paremman kierrosluvun säädön lisäksi tämä oli osittain vastuussa hyötysuhteen paranemisesta.

Porter-Allenin suurnopeuksinen höyrykone

Vuonna 1862 käyttöönotetussa Porter-Allen-moottorissa käytettiin kehittynyttä venttiilivaihteistoa, jonka poikkeuksellisen taitava mekaanikko Allen oli kehittänyt Porterille, ja se tunnettiin aluksi yleisesti nimellä Allenin moottori. Nopeakäyntinen moottori oli tarkkuuskone, joka oli hyvin tasapainotettu, ja sen mahdollistivat työstökoneiden ja valmistustekniikan kehittyminen.

Suurnopeusmoottori toimi männän nopeudella, joka oli kolmesta viiteen kertaa suurempi kuin tavallisten moottoreiden nopeus. Siinä oli myös alhaisen nopeuden vaihtelua. Nopeakäyntistä moottoria käytettiin laajalti sahoilla pyörösahojen voimanlähteenä. Myöhemmin sitä käytettiin sähköntuotannossa.

Moottorilla oli useita etuja. Se voitiin joissakin tapauksissa kytkeä suoraan. Jos käytettiin hammaspyöriä tai hihnoja ja rumpuja, ne saattoivat olla kooltaan paljon pienempiä. Moottori itsessään oli myös pieni siihen tehoon nähden, jonka se kehitti.

Porter paransi lentopallo-ohjainta huomattavasti vähentämällä pyörivää painoa ja lisäämällä akselin ympärille painon. Tämä paransi merkittävästi nopeuden säätöä. Porterin säätimestä tuli johtava tyyppi vuoteen 1880 mennessä.

Porter-Allenin moottorin hyötysuhde oli hyvä, mutta ei Corlissin moottorin veroinen.

Yksivirtauksinen (tai unaflow) moottori

Uniflow-moottori oli tehokkain korkeapainemoottorityyppi. Se keksittiin vuonna 1911, ja sitä käytettiin laivoissa, mutta sen syrjäyttivät höyryturbiinit ja myöhemmin laivojen dieselmoottorit.

Höyrykoneen sovelluksia

Höyrykonetta on hyödynnetty muun muassa seuraavien laitteiden toiminnassa:

Katso myös

Lähteet

Stuart, Robert, A Descriptive History of the Steam Engine, London: J. Knight and H. Lacey, 1824.