ماشین بخار

ماشینِ بخار (steam engine)

ماشينِ بخار

ماشینی که از نیروی بخار برای تولید کار مفید استفاده می‌کند. نخستین ماشین بخار کارآمد را در ۱۷۱۲ توماس نیوکامن، مخترع انگلیسی، در دادلی، واقع در غرب میدلند، ساخت؛ جیمز وات، ابزارساز اسکاتلندی، از ۱۷۶۹ و ریچارد ترویتیک، مهندس معدن انگلیسی، تغییراتی در آن دادند. ماشین بخار پرفشار ترویتیک، که در ۱۸۰۲ ساخته شد، به اختراع و ساخت لوکوموتیو بخار انجامید. در ماشین نیوکامن با بالارفتن پیستون، بخار وارد سیلندر می‌شد و سپس با پاشیدن آب بر روی بخار متراکم می‌شد، در نتیجه فشار هوا پیستون را به‌سمت پایین می‌راند. جیمز وات، ماشین نیوکامن را در ۱۷۶۹ از طریق متراکم‌کردن بخار در بیرون سیلندر (در نتیجۀ صرفه‌جویی در مصرف انرژی که بیشتر برای گرم‌کردن مجدد سیلندر استفاده می‌شد) و استفاده از بخار برای واردکردن فشار بر پیستون به بهره‌برداری رساند. وات همچنین ماشین با پیستون دو طرفه را معمول کرد که در آن بخار به تناوب به دو طرف پیستون فرستاده می‌شد و آن را به بالا و پایین می‌‌راند. ماشین بخار مرکب (۱۷۸۱) از ضربۀ یک سیلندر برای به‌حرکت درآوردن پیستون سیلندر دیگر استفاده می‌کند. پیشرفت بعدی، توربین بخار بود که هنوز هم برای به‌حرکت درآوردن کشتی‌ها و ژنراتورهای برق در نیروگاه استفاده می‌شود. در موارد دیگر موتور درون‌ـ سوز جای ماشین بخار را گرفت.

پیشرفت ماشین بخار. نخستین ماشین‌های بخار ثابت برای پمپ‌کردن آب از معادن طراحی شدند که در مقایسه با پمپ‌های دستی، در عمیق‌تر‌کردن معادن کاربرد بهتری داشتند. نخستین موتور پمپ واقعی را توماس سِیوری در ۱۶۹۸ ساخت. هنگام رفتِ پیستون، از سطح آب در مخزن مانند پیستون استفاده می‌شد، هنگامی که شیربخار باز می‌شد، فشار بخار آب را از دیگ بخار به بیرون می‌راند؛ در برگشت پیستون، بخار در مخزن با ریختن آب بر روی سطح خارجی از شیر‌آب، متراکم می‌شد؛ خلأ حاصله با آب معدن پر می‌شد که برای رفت بعدی پیستون آماده بود. این موتور بسیار کم‌بازده بود زیرا بخار باید مخزن را در هر حرکت گرم می‌کرد، پیش از این‌که بتواند آن‌را پر کند. به‌علاوه ارتفاعی که می‌توانست پمپ کند به فشار دیگ بخار بستگی داشت که در آن زمان بسیار پایین بود. در ماشین نیوکامن، جانشین آن در ۱۷۱۲، از یک پیستون، میله پیستون، و تیرچوبی برای به‌کار انداختن یک پمپ جداگانه استفاده می‌شد به‌گونه‌ای که آب معدن را بسته به میزان بخار و اندازۀ نسبی سیلندرهای آب، بدون نیاز به فشار زیاد بخار بتوان تا ارتفاع زیاد راند. با این حال، از سیلندر هنوز به‌منزلۀ چگالنده استفاده می‌شد (یک جریان تند آب در هر حرکت تزریق می‌شد) که به مفهوم مصرف بسیار زیاد بخار بود. فکر داغ نگه‌داشتن مداوم سیلندر با استفاده از یک چگالندۀ جداگانه از آن وات بود که در ۱۷۶۹ حق انحصاری بهره‌برداری از موتور یک‌طرفه را گرفت و در ۱۷۸۲ نخستین موتور دو طرفۀ خود را ساخت. وات روی ماشین بخار مطالعۀ علمی انجام داد و چگالندۀ مجزا، پمپ هوا، کار انبساطی بخار، عایق‌بندی سیلندر و لوله‌های بخار، جعبۀ آب‌بندی، فشارسنج، ناظم آونگی، و حرکت موازی، که معادل امروزی آن یاتاقان متحرک و ریل لغزشی راهنماست، را اختراع کرد. موفقیت موتور کم‌فشار چگالنده، او ظهور موتور ناچگالندۀ پرفشار ماشین مرکب را تا سال‌ها به‌تأخیر انداخت. از آن‌جایی که ماشین‌های او موتورهای محوری بودند، موتور مستقیم تا پس از ۱۸۲۵ چیزی استثنایی بود. با افزوده‌شدن میل‌لنگ در ۱۷۸۱، ماشین بخار برای تأمین برق کاربرد وسیع یافت و تا پایان قرن ۱۹ تنها نیرویی بود که استفاده می‌شد. ماشین‌های بخار، نخستین نیروگاه‌ها را به‌کار انداختند، جایی که نیاز به سرعت زیاد با موتورهای عمودی رفع می‌شد و نیاز بعدی به نیروهای زیاد با موتورهای عمودی منبسط شوندۀ سه‌گانه و چهارگانه برطرف شد. هنگامی‌که نیروگاه‌های جریان برق متناوب معمول شد، توربین‌ها جانشین موتور بخار شدند. اخیراً موتورهای درون‌سوز و الکتریکی میدان‌دار شده است و توربین بخار به‌منزلۀ نخستین محرک برای تأسیسات بزرگ و به خصوص جایی که بخار (فشار برگشت) برای مقاصد دیگر لازم است، مهم‌ترین و بهترین گزینه برشمرده می‌شود. ماشین‌های بخار از حدود ۱۸۹۰ تا دهۀ ۱۹۲۰ در موتورهای اتومبیل به‌کار رفتند، اما پس از آن موتور بنزینی جای آن‌ها را گرفت. تا سال‌ها بعد از ماشین‌های بخار برای به‌کار انداختن کامیون‌های سنگین، جاده صاف‌کن‌ها، و ماشین‌های بارکش استفاده می‌شد.

 

---