Ιστορία της ατμομηχανής

Η πρώτη καταγεγραμμένη υποτυπώδης ατμομηχανή ήταν η αιολική μηχανή που περιγράφηκε από τον Ήρωνα της Αλεξάνδρειας στη ρωμαϊκή Αίγυπτο του 1ου αιώνα. Αρκετές ατμοκίνητες συσκευές πειραματίστηκαν ή προτάθηκαν αργότερα, όπως ο ατμοκίνητος γρύλος του Taqi al-Din, μια ατμοστρόβιλος στην οθωμανική Αίγυπτο του 16ου αιώνα και η ατμοκίνητη αντλία του Thomas Savery στην Αγγλία του 17ου αιώνα. Το 1712, η ατμοσφαιρική μηχανή του Thomas Newcomen έγινε η πρώτη εμπορικά επιτυχημένη μηχανή που χρησιμοποίησε την αρχή του εμβόλου και του κυλίνδρου, η οποία ήταν ο βασικός τύπος ατμομηχανής που χρησιμοποιήθηκε μέχρι τις αρχές του 20ού αιώνα. Η ατμομηχανή χρησιμοποιήθηκε για την άντληση νερού από ανθρακωρυχεία.

Αιολόσφαιρα.

Η ατμοκίνητη αντλία Savery του 1698 - η πρώτη εμπορικά επιτυχημένη ατμοκίνητη συσκευή, που κατασκευάστηκε από τον Thomas Savery

Κατά τη διάρκεια της Βιομηχανικής Επανάστασης, οι ατμομηχανές άρχισαν να αντικαθιστούν την ενέργεια του νερού και του ανέμου και τελικά έγιναν η κυρίαρχη πηγή ενέργειας στα τέλη του 19ου αιώνα και παρέμειναν έτσι μέχρι τις πρώτες δεκαετίες του 20ού αιώνα, όταν ο αποτελεσματικότερος ατμοστρόβιλος και η μηχανή εσωτερικής καύσης οδήγησαν στην ταχεία αντικατάσταση των ατμομηχανών. Ο ατμοστρόβιλος έγινε η πιο συνηθισμένη μέθοδος με την οποία κινούνται οι γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας. Διερευνώνται οι πρακτικές δυνατότητες αναβίωσης της παλινδρομικής ατμομηχανής ως βάση για το νέο κύμα προηγμένης τεχνολογίας ατμού.

Πρόδρομοι

Πρώιμες χρήσεις της ατμοηλεκτρικής ενέργειας

Η παλαιότερη γνωστή υποτυπώδης ατμομηχανή και ατμοστρόβιλος αντίδρασης, η αιολική μηχανή, περιγράφεται από έναν μαθηματικό και μηχανικό με το όνομα Ήρων της Αλεξάνδρειας (Ήρων) τον 1ο αιώνα στη ρωμαϊκή Αίγυπτο, όπως καταγράφεται στο χειρόγραφό του "Spiritalia seu Pneumatica". Ο ατμός που εκτοξεύεται εφαπτομενικά από ακροφύσια προκαλούσε την περιστροφή μιας περιστρεφόμενης σφαίρας. Η θερμική του απόδοση ήταν χαμηλή. Αυτό υποδηλώνει ότι η μετατροπή της πίεσης του ατμού σε μηχανική κίνηση ήταν γνωστή στη Ρωμαϊκή Αίγυπτο τον 1ο αιώνα. Ο Ήρων επινόησε επίσης μια μηχανή που χρησιμοποιούσε αέρα θερμαινόμενο σε φωτιά βωμού για να εκτοπίσει μια ποσότητα νερού από ένα κλειστό δοχείο. Το βάρος του νερού έκανε να τραβήξει ένα κρυφό σχοινί για να λειτουργήσουν οι πόρτες του ναού. Ορισμένοι ιστορικοί έχουν συγχέει τις δύο εφευρέσεις για να ισχυριστούν, εσφαλμένα, ότι ο αιολίτης ήταν ικανός για χρήσιμες εργασίες.

Σύμφωνα με τον William of Malmesbury, το 1125, η Reims φιλοξενούσε μια εκκλησία που διέθετε ένα εκκλησιαστικό όργανο που τροφοδοτούνταν από τον αέρα που διαφεύγει από τη συμπίεση "με θερμαινόμενο νερό", προφανώς σχεδιασμένο και κατασκευασμένο από τον καθηγητή Gerbertus.

Μεταξύ των εγγράφων του Λεονάρντο ντα Βίντσι που χρονολογούνται στα τέλη του 15ου αιώνα υπάρχει το σχέδιο για ένα κανόνι που κινείται με ατμό και ονομάζεται Architonnerre, το οποίο λειτουργεί με την ξαφνική εισροή ζεστού νερού σε ένα σφραγισμένο, πυρακτωμένο κανόνι.

Ένας υποτυπώδης ατμοστρόβιλος περιγράφηκε το 1551 από τον Taqi al-Din, φιλόσοφο, αστρονόμο και μηχανικό στην οθωμανική Αίγυπτο του 16ου αιώνα, ο οποίος περιέγραψε μια μέθοδο για την περιστροφή μιας σούβλας μέσω ενός πίδακα ατμού που παίζει σε περιστρεφόμενα πτερύγια γύρω από την περιφέρεια ενός τροχού. Μια παρόμοια συσκευή για την περιστροφή μιας σούβλας περιγράφηκε επίσης αργότερα από τον John Wilkins το 1648. Οι συσκευές αυτές ονομάζονταν τότε "μύλοι", αλλά σήμερα είναι γνωστές ως ατμογέφυρες. Ένας άλλος παρόμοιος υποτυπώδης ατμοστρόβιλος παρουσιάζεται από τον Giovanni Branca, έναν Ιταλό μηχανικό, το 1629 για την περιστροφή μιας κυλινδρικής συσκευής διαφυγής που ανύψωνε και άφηνε να πέφτει εναλλάξ ένα ζεύγος γουδοχέων που εργάζονταν σε γουδί. Η ροή του ατμού αυτών των πρώτων ατμοστροβίλων, ωστόσο, δεν ήταν συγκεντρωμένη και το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς του διαχέονταν προς όλες τις κατευθύνσεις. Αυτό θα οδηγούσε σε μεγάλη σπατάλη ενέργειας και έτσι δεν εξετάστηκαν ποτέ σοβαρά για βιομηχανική χρήση.

Το 1605 ο Γάλλος μαθηματικός Florence Rivault στην πραγματεία του για το πυροβολικό έγραψε σχετικά με την ανακάλυψή του ότι το νερό, αν περιοριστεί σε μια βόμβα και θερμανθεί, θα ανατινάξει τα βλήματα.

Το 1606, ο Ισπανός Jerónimo de Ayanz y Beaumont επέδειξε και έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μια αντλία νερού με ατμό. Η αντλία χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία για την αποστράγγιση των πλημμυρισμένων ορυχείων του Γκουανταλκανάλ της Ισπανίας.

Ανάπτυξη της εμπορικής ατμομηχανής

"Οι ανακαλύψεις που, όταν συγκεντρώθηκαν από τον Τόμας Νιούκομεν το 1712, οδήγησαν στην ατμομηχανή ήταν:"

• Η έννοια του κενού (δηλαδή η μείωση της πίεσης κάτω από την πίεση του περιβάλλοντος).
• Η έννοια της πίεσης
• Τεχνικές για τη δημιουργία κενού
• Ένα μέσο παραγωγής ατμού
• Το έμβολο και ο κύλινδρος

Το 1643 ο Evangelista Torricelli διεξήγαγε πειράματα σε αντλίες νερού με ανύψωση αναρρόφησης για να δοκιμάσει τα όριά τους, τα οποία ήταν περίπου 32 πόδια (Η ατμοσφαιρική πίεση είναι 32,9 πόδια ή 10,03 μέτρα. Η πίεση των ατμών του νερού μειώνει το θεωρητικό ύψος ανύψωσης). Επινόησε ένα πείραμα χρησιμοποιώντας έναν σωλήνα γεμάτο με υδράργυρο και ανεστραμμένο σε μια λεκάνη με υδράργυρο (βαρόμετρο) και παρατήρησε έναν κενό χώρο πάνω από τη στήλη του υδραργύρου, για τον οποίο διατύπωσε τη θεωρία ότι δεν περιείχε τίποτα, δηλαδή κενό.

Επηρεασμένος από τον Torricelli, ο Otto von Guericke εφηύρε μια αντλία κενού τροποποιώντας μια αεραντλία που χρησιμοποιούνταν για την πίεση ενός αεροβόλου όπλου. Ο Guericke έκανε μια επίδειξη το 1654 στο Μαγδεμβούργο της Γερμανίας, όπου ήταν δήμαρχος. Δύο χάλκινα ημισφαίρια συνδέθηκαν μεταξύ τους και αντλήθηκε αέρας. Τα βάρη που ήταν δεμένα στα ημισφαίρια δεν μπορούσαν να τα τραβήξουν χώρια μέχρι να ανοίξει η βαλβίδα του αέρα. Το πείραμα επαναλήφθηκε το 1656 χρησιμοποιώντας δύο ομάδες των 8 αλόγων η καθεμία, οι οποίες δεν μπόρεσαν να χωρίσουν τα ημισφαίρια του Μαγδεμβούργου.

Ο Gaspar Schott ήταν ο πρώτος που περιέγραψε το πείραμα με τα ημισφαίρια στο έργο του Mechanica Hydraulico-Pneumatica (1657).

Αφού διάβασε το βιβλίο του Schott, ο Robert Boyle κατασκεύασε μια βελτιωμένη αντλία κενού και διεξήγαγε σχετικά πειράματα.

Ο Denis Papin άρχισε να ενδιαφέρεται για τη χρήση κενού για την παραγωγή κινητήριας δύναμης ενώ εργαζόταν με τον Christiaan Huygens και τον Gottfried Leibniz στο Παρίσι το 1663. Ο Παπέν εργάστηκε για τον Ρόμπερτ Μπόιλ από το 1676 έως το 1679, δημοσίευσε έναν απολογισμό της εργασίας του στο Continuation of New Experiments (1680) και έκανε μια παρουσίαση στη Βασιλική Εταιρεία το 1689. Από το 1690 ο Παπέν άρχισε να πειραματίζεται με ένα έμβολο για την παραγωγή ισχύος με ατμό, κατασκευάζοντας μοντέλα ατμομηχανών. Πειραματίστηκε με ατμοσφαιρικές ατμομηχανές και ατμομηχανές υπό πίεση, δημοσιεύοντας τα αποτελέσματά του το 1707.

Το 1663 ο Έντουαρντ Σόμερσετ, 2ος μαρκήσιος του Γουόρσεστερ, δημοσίευσε ένα βιβλίο με 100 εφευρέσεις, στο οποίο περιέγραφε μια μέθοδο για την ανύψωση νερού μεταξύ ορόφων που χρησιμοποιούσε μια παρόμοια αρχή με αυτή της καφετιέρας. Το σύστημά του ήταν το πρώτο που διαχώριζε τον λέβητα (μια θερμαινόμενη κάννη κανονιού) από τη δράση άντλησης. Το νερό εισερχόταν σε ένα ενισχυμένο βαρέλι από μια δεξαμενή και στη συνέχεια άνοιγε μια βαλβίδα για να εισέλθει ατμός από έναν ξεχωριστό λέβητα. Η πίεση αναπτύχθηκε πάνω από την κορυφή του νερού, οδηγώντας το πάνω σε έναν σωλήνα. Εγκατέστησε την ατμοκίνητη συσκευή του στον τοίχο του Μεγάλου Πύργου στο Κάστρο Ράγκλαν για την παροχή νερού μέσω του πύργου. Τα αυλάκια στον τοίχο όπου ήταν εγκατεστημένη η μηχανή ήταν ακόμα ορατά τον 19ο αιώνα. Ωστόσο, κανείς δεν ήταν διατεθειμένος να διακινδυνεύσει χρήματα για μια τόσο επαναστατική ιδέα και χωρίς υποστηρικτές η μηχανή παρέμεινε αναξιοποίητη.

Ο Samuel Morland, ένας μαθηματικός και εφευρέτης που ασχολήθηκε με αντλίες, άφησε σημειώσεις στο Γραφείο Διατάξεων του Vauxhall σχετικά με ένα σχέδιο αντλίας ατμού που διάβασε ο Thomas Savery. Το 1698 ο Savery κατασκεύασε μια αντλία ατμού με την ονομασία "The Miner's Friend". Χρησιμοποιούσε τόσο κενό όσο και πίεση. Αυτές χρησιμοποιήθηκαν για υπηρεσίες χαμηλής ιπποδύναμης για αρκετά χρόνια.

Ο Thomas Newcomen ήταν έμπορος που εμπορεύονταν προϊόντα από χυτοσίδηρο. Ο κινητήρας του Newcomen βασίστηκε στο σχέδιο εμβόλου και κυλίνδρου που πρότεινε ο Papin. Στον κινητήρα του Newcomen ο ατμός συμπυκνωνόταν από το νερό που ψεκάζονταν στο εσωτερικό του κυλίνδρου, προκαλώντας ατμοσφαιρική πίεση για την κίνηση του εμβόλου. Η πρώτη μηχανή του Newcomen εγκαταστάθηκε για άντληση σε ορυχείο το 1712 στο κάστρο του Dudley στο Staffordshire.

Κύλινδροι

Ο Ντενί Παπέν (22 Αυγούστου 1647 - περ. 1712) ήταν Γάλλος φυσικός, μαθηματικός και εφευρέτης, γνωστός για την πρωτοποριακή εφεύρεση του ατμομάγειρα, πρόδρομου της χύτρας ταχύτητας. Στα μέσα της δεκαετίας του 1670 ο Παπέν συνεργάστηκε με τον Ολλανδό φυσικό Κρίστιαν Χόιγκενς πάνω σε μια μηχανή η οποία έβγαζε τον αέρα από έναν κύλινδρο με την έκρηξη πυρίτιδας στο εσωτερικό της. Συνειδητοποιώντας την ατέλεια του κενού που παράγεται με αυτό το μέσο και μετακομίζοντας στην Αγγλία το 1680, ο Παπέν επινόησε μια εκδοχή του ίδιου κυλίνδρου που επιτυγχάνει ένα πιο πλήρες κενό από το βράσιμο του νερού και στη συνέχεια αφήνοντας τον ατμό να συμπυκνωθεί- με αυτόν τον τρόπο μπόρεσε να σηκώσει βάρη συνδέοντας το άκρο του εμβόλου με ένα σχοινί που περνούσε πάνω από μια τροχαλία. Ως μοντέλο επίδειξης το σύστημα λειτούργησε, αλλά για να επαναληφθεί η διαδικασία έπρεπε να αποσυναρμολογηθεί και να συναρμολογηθεί εκ νέου ολόκληρη η συσκευή. Ο Papin είδε γρήγορα ότι για να γίνει ένας αυτόματος κύκλος ο ατμός θα έπρεπε να παράγεται ξεχωριστά σε έναν λέβητα- ωστόσο, δεν προχώρησε το έργο του. Ο Παπέν σχεδίασε επίσης μια βάρκα με κουπιά που κινούνταν από έναν πίδακα που έπαιζε σε έναν μύλο-τροχό σε συνδυασμό των αντιλήψεων του Τάκι αλ Ντιν και του Σάβερι και του αποδίδεται επίσης μια σειρά σημαντικών συσκευών, όπως η βαλβίδα ασφαλείας. Η πολυετής έρευνα του Papin σχετικά με τα προβλήματα της αξιοποίησης του ατμού έμελλε να διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξη των πρώτων επιτυχημένων βιομηχανικών μηχανών που ακολούθησαν σύντομα μετά το θάνατό του.

Αντλία ατμού Savery

Η πρώτη ατμομηχανή που εφαρμόστηκε βιομηχανικά ήταν η "πυροσβεστική μηχανή" ή "Miner's Friend", η οποία σχεδιάστηκε από τον Thomas Savery το 1698. Επρόκειτο για μια αντλία ατμού χωρίς έμβολο, παρόμοια με εκείνη που αναπτύχθηκε από το Worcester. Ο Savery έκανε δύο βασικές συνεισφορές που βελτίωσαν σημαντικά την πρακτικότητα του σχεδιασμού. Πρώτον, προκειμένου να επιτρέψει την τοποθέτηση της παροχής νερού κάτω από τη μηχανή, χρησιμοποίησε συμπυκνωμένο ατμό για να παράγει μερικό κενό στη δεξαμενή άντλησης (το βαρέλι στο παράδειγμα του Worcester) και χρησιμοποιώντας το για να τραβήξει το νερό προς τα πάνω. Δεύτερον, προκειμένου να ψύξει γρήγορα τον ατμό για την παραγωγή του κενού, έτρεξε κρύο νερό πάνω από τη δεξαμενή.

Η λειτουργία απαιτούσε αρκετές βαλβίδες- όταν η δεξαμενή ήταν άδεια στην αρχή ενός κύκλου, μια βαλβίδα άνοιγε για να εισέλθει ατμός. Η βαλβίδα έκλεινε για να σφραγιστεί η δεξαμενή και η βαλβίδα νερού ψύξης άνοιγε για να συμπυκνωθεί ο ατμός και να δημιουργηθεί μερικό κενό. Μια βαλβίδα παροχής άνοιγε, τραβώντας νερό προς τα πάνω στη δεξαμενή, και ο τυπικός κινητήρας μπορούσε να τραβήξει νερό έως και 20 πόδια. Αυτή έκλεινε και η βαλβίδα ατμού άνοιγε ξανά, δημιουργώντας πίεση πάνω από το νερό και αντλώντας το προς τα πάνω, όπως στο σχέδιο Worcester. Ο κύκλος ουσιαστικά διπλασίαζε την απόσταση που μπορούσε να αντληθεί το νερό για οποιαδήποτε δεδομένη πίεση ατμού και τα παραδείγματα παραγωγής ανέβαζαν το νερό περίπου 40 πόδια.

Η μηχανή του Savery έλυσε ένα πρόβλημα που μόλις πρόσφατα είχε γίνει σοβαρό: την ανύψωση του νερού από τα ορυχεία της νότιας Αγγλίας καθώς αυτά έφταναν σε μεγαλύτερα βάθη. Η μηχανή του Savery ήταν κάπως λιγότερο αποδοτική από τη μηχανή του Newcomen, αλλά αυτό αντισταθμίστηκε από το γεγονός ότι η ξεχωριστή αντλία που χρησιμοποιούσε η μηχανή του Newcomen ήταν αναποτελεσματική, δίνοντας στις δύο μηχανές περίπου την ίδια αποδοτικότητα των 6 εκατομμυρίων λιβρών ποδιών ανά μπούσελ άνθρακα (λιγότερο από 1%). Επίσης, ο κινητήρας Savery δεν ήταν πολύ ασφαλής επειδή μέρος του κύκλου του απαιτούσε ατμό υπό πίεση που παρεχόταν από λέβητα, και δεδομένης της τεχνολογίας της εποχής το δοχείο πίεσης δεν μπορούσε να γίνει αρκετά ισχυρό και έτσι ήταν επιρρεπές σε έκρηξη. Η έκρηξη μιας από τις αντλίες του στο Broad Waters (κοντά στο Wednesbury), περίπου το 1705, σηματοδοτεί πιθανότατα το τέλος των προσπαθειών εκμετάλλευσης της εφεύρεσής του.

Η μηχανή Savery ήταν λιγότερο ακριβή από εκείνη του Newcomen και παρήχθη σε μικρότερα μεγέθη. Ορισμένοι κατασκευαστές κατασκεύαζαν βελτιωμένες εκδόσεις της μηχανής Savery μέχρι τα τέλη του 18ου αιώνα. Ο Bento de Moura Portugal, FRS, εισήγαγε μια έξυπνη βελτίωση της κατασκευής του Savery "για να την καταστήσει ικανή να λειτουργεί μόνη της", όπως περιγράφεται από τον John Smeaton στο Philosophical Transactions που δημοσιεύθηκε το 1751.

Μηχανές ατμοσφαιρικής συμπύκνωσης

"Ατμοσφαιρικός" κινητήρας Newcomen

Ο Thomas Newcomen με την "ατμοσφαιρική μηχανή" του 1712 ήταν αυτός που μπορεί να ειπωθεί ότι συγκέντρωσε τα περισσότερα από τα βασικά στοιχεία που καθιέρωσε ο Papin προκειμένου να αναπτύξει την πρώτη πρακτική ατμομηχανή για την οποία θα μπορούσε να υπάρξει εμπορική ζήτηση. Αυτή είχε τη μορφή μιας μηχανής με παλινδρομική δοκό που ήταν εγκατεστημένη στο επίπεδο της επιφάνειας και κινούσε μια σειρά από αντλίες στο ένα άκρο της δοκού. Ο κινητήρας, συνδεδεμένος με αλυσίδες από το άλλο άκρο της δοκού, λειτουργούσε με την αρχή του ατμοσφαιρικού ή κενού.

Ο σχεδιασμός του Newcomen χρησιμοποίησε ορισμένα στοιχεία προηγούμενων ιδεών. Όπως το σχέδιο Savery, ο κινητήρας του Newcomen χρησιμοποιούσε ατμό, που ψύχθηκε με νερό, για να δημιουργήσει κενό. Ωστόσο, σε αντίθεση με την αντλία του Savery, ο Newcomen χρησιμοποιούσε το κενό για να τραβήξει ένα έμβολο αντί να τραβήξει απευθείας το νερό. Το άνω άκρο του κυλίνδρου ήταν ανοικτό στην ατμοσφαιρική πίεση και όταν σχηματίστηκε το κενό, η ατμοσφαιρική πίεση πάνω από το έμβολο το έσπρωχνε προς τα κάτω μέσα στον κύλινδρο. Το έμβολο λιπαινόταν και σφραγιζόταν με μια σταγόνα νερού από την ίδια δεξαμενή που τροφοδοτούσε το νερό ψύξης. Επιπλέον, για να βελτιώσει το αποτέλεσμα της ψύξης, ψέκασε νερό απευθείας στον κύλινδρο.

Το έμβολο ήταν συνδεδεμένο με αλυσίδα σε μια μεγάλη περιστρεφόμενη δοκό. Όταν το έμβολο τραβούσε τη δοκό, η άλλη πλευρά της δοκού τραβούσε προς τα πάνω. Αυτή η άκρη ήταν προσαρτημένη σε μια ράβδο που τραβούσε μια σειρά από συμβατικές λαβές αντλίας στο ορυχείο. Στο τέλος αυτής της διαδρομής ισχύος, η βαλβίδα ατμού άνοιγε ξανά και το βάρος των ράβδων της αντλίας τραβούσε τη δοκό προς τα κάτω, ανασηκώνοντας το έμβολο και αντλώντας ξανά ατμό στον κύλινδρο.

Η χρήση του εμβόλου και της δοκού επέτρεπε στον κινητήρα Newcomen να τροφοδοτεί αντλίες σε διαφορετικά επίπεδα σε όλο το ορυχείο, καθώς και να εξαλείφει την ανάγκη για ατμό υψηλής πίεσης. Όλο το σύστημα ήταν απομονωμένο σε ένα μόνο κτίριο στην επιφάνεια. Αν και αναποτελεσματικές και εξαιρετικά βαριές σε άνθρακα (σε σύγκριση με τις μεταγενέστερες μηχανές), οι μηχανές αυτές ανέβαζαν πολύ μεγαλύτερες ποσότητες νερού και από μεγαλύτερα βάθη από ό,τι ήταν δυνατό προηγουμένως. Πάνω από 100 μηχανές Newcomen είχαν εγκατασταθεί σε όλη την Αγγλία μέχρι το 1735 και υπολογίζεται ότι μέχρι το 1800 λειτουργούσαν έως και 2.000 (συμπεριλαμβανομένων των εκδόσεων Watt).

Ο John Smeaton πραγματοποίησε πολλές βελτιώσεις στον κινητήρα Newcomen, ιδίως στις τσιμούχες, και βελτιώνοντας αυτές κατάφερε να τριπλασιάσει σχεδόν την απόδοσή του. Προτίμησε επίσης να χρησιμοποιεί τροχούς αντί για δοκούς για τη μεταφορά της ισχύος από τον κύλινδρο, γεγονός που έκανε τους κινητήρες του πιο συμπαγείς. Ο Smeaton ήταν ο πρώτος που ανέπτυξε μια αυστηρή θεωρία του σχεδιασμού της λειτουργίας των ατμομηχανών. Εργάστηκε προς τα πίσω από τον προβλεπόμενο ρόλο για να υπολογίσει την ποσότητα ισχύος που θα χρειαζόταν για το έργο, το μέγεθος και την ταχύτητα ενός κυλίνδρου που θα την παρείχε, το μέγεθος του λέβητα που χρειαζόταν για την τροφοδοσία του και την ποσότητα καυσίμου που θα κατανάλωνε. Αυτά αναπτύχθηκαν εμπειρικά, αφού μελέτησε δεκάδες μηχανές του Newcomen στην Κορνουάλη και το Νιούκαστλ και κατασκεύασε μια δική του πειραματική μηχανή στο σπίτι του στο Austhorpe το 1770. Μέχρι να παρουσιαστεί ο κινητήρας Watt λίγα χρόνια αργότερα, ο Smeaton είχε κατασκευάσει δεκάδες ολοένα και μεγαλύτερες μηχανές της τάξης των 100 ίππων.

Ο ξεχωριστός συμπυκνωτής του Watt

Ενώ εργαζόταν στο Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης ως κατασκευαστής και επισκευαστής οργάνων το 1759, ο Τζέιμς Βατ γνώρισε τη δύναμη του ατμού από τον καθηγητή Τζον Ρόμπισον. Γοητευμένος, ο Βατ άρχισε να διαβάζει ό,τι μπορούσε σχετικά με το θέμα και ανέπτυξε ανεξάρτητα την έννοια της λανθάνουσας θερμότητας, η οποία μόλις πρόσφατα είχε δημοσιευθεί από τον Τζόζεφ Μπλακ στο ίδιο πανεπιστήμιο. Όταν ο Βατ έμαθε ότι το Πανεπιστήμιο είχε στην κατοχή του ένα μικρό λειτουργικό μοντέλο μιας μηχανής Newcomen, πίεσε να του επιστραφεί από το Λονδίνο όπου επισκευαζόταν ανεπιτυχώς. Ο Βατ επισκεύασε τη μηχανή, αλλά διαπίστωσε ότι ήταν ελάχιστα λειτουργική ακόμη και όταν είχε επισκευαστεί πλήρως.

Αφού δούλεψε με το σχέδιο, ο Βατ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το 80% του ατμού που χρησιμοποιούσε η μηχανή σπαταλιόταν. Αντί να παρέχει κινητήρια δύναμη, χρησιμοποιούνταν για τη θέρμανση του κυλίνδρου. Στον σχεδιασμό του Newcomen, κάθε κτύπημα ισχύος ξεκινούσε με έναν ψεκασμό κρύου νερού, ο οποίος όχι μόνο συμπύκνωνε τον ατμό, αλλά και ψύχραινε τα τοιχώματα του κυλίνδρου. Αυτή η θερμότητα έπρεπε να αντικατασταθεί προτού ο κύλινδρος δεχτεί ξανά ατμό. Στον κινητήρα Newcomen η θερμότητα παρεχόταν μόνο από τον ατμό, οπότε όταν άνοιγε ξανά η βαλβίδα ατμού, η συντριπτική πλειονότητα συμπυκνωνόταν στα κρύα τοιχώματα αμέσως μόλις γινόταν δεκτή στον κύλινδρο. Χρειάστηκε αρκετός χρόνος και αρκετός ατμός προτού ο κύλινδρος θερμανθεί ξανά και ο ατμός αρχίσει να τον γεμίζει.

Ο Watt έλυσε το πρόβλημα του ψεκασμού του νερού μεταφέροντας το κρύο νερό σε έναν διαφορετικό κύλινδρο, τοποθετημένο δίπλα στον κύλινδρο ισχύος. Μόλις ολοκληρωνόταν η διαδρομή επαγωγής, άνοιγε μια βαλβίδα μεταξύ των δύο και οποιοσδήποτε ατμός εισερχόταν στον κύλινδρο συμπυκνωνόταν μέσα σε αυτόν τον κρύο κύλινδρο. Αυτό θα δημιουργούσε ένα κενό που θα τραβούσε περισσότερο ατμό μέσα στον κύλινδρο, και ούτω καθεξής, έως ότου ο ατμός συμπυκνωνόταν ως επί το πλείστον. Στη συνέχεια, η βαλβίδα έκλεινε και η λειτουργία του κύριου κυλίνδρου συνεχιζόταν όπως θα συνέβαινε σε έναν συμβατικό κινητήρα Newcomen. Καθώς ο κύλινδρος ισχύος παρέμενε σε θερμοκρασία λειτουργίας καθ' όλη τη διάρκεια, το σύστημα ήταν έτοιμο για άλλη μια διαδρομή μόλις το έμβολο τραβήχτηκε πίσω στην κορυφή. Η διατήρηση της θερμοκρασίας γινόταν με ένα μανδύα γύρω από τον κύλινδρο, όπου εισερχόταν ατμός. Ο Watt παρήγαγε ένα λειτουργικό μοντέλο το 1765.

Πεπεισμένος ότι επρόκειτο για μια μεγάλη πρόοδο, ο Βατ σύναψε συνεργασίες για την παροχή επιχειρηματικού κεφαλαίου ενώ εργαζόταν πάνω στο σχέδιο. Δεν αρκέστηκε σε αυτή τη μοναδική βελτίωση, ο Βατ εργάστηκε ακούραστα σε μια σειρά άλλων βελτιώσεων σε σχεδόν κάθε μέρος του κινητήρα. Ο Βατ βελτίωσε περαιτέρω το σύστημα προσθέτοντας μια μικρή αντλία κενού για να τραβήξει τον ατμό από τον κύλινδρο στον συμπυκνωτή, βελτιώνοντας περαιτέρω τους χρόνους του κύκλου. Μια πιο ριζική αλλαγή σε σχέση με τον σχεδιασμό του Newcomen ήταν το κλείσιμο της κορυφής του κυλίνδρου και η εισαγωγή ατμού χαμηλής πίεσης πάνω από το έμβολο. Τώρα η ισχύς δεν οφειλόταν στη διαφορά της ατμοσφαιρικής πίεσης και του κενού, αλλά στην πίεση του ατμού και του κενού, μια κάπως υψηλότερη τιμή. Κατά την ανοδική διαδρομή επιστροφής, ο ατμός που βρισκόταν στην κορυφή μεταφερόταν μέσω ενός σωλήνα στην κάτω πλευρά του εμβόλου, έτοιμος να συμπυκνωθεί για την καθοδική διαδρομή. Η στεγανοποίηση του εμβόλου σε έναν κινητήρα Newcomen είχε επιτευχθεί με τη διατήρηση μιας μικρής ποσότητας νερού στην επάνω πλευρά του. Αυτό δεν ήταν πλέον δυνατό στον κινητήρα του Watt λόγω της παρουσίας του ατμού. Ο Watt κατέβαλε σημαντικές προσπάθειες για να βρει μια στεγανοποίηση που να λειτουργεί, η οποία τελικά επιτεύχθηκε με τη χρήση μείγματος ταλιού και λαδιού. Η ράβδος του εμβόλου περνούσε επίσης μέσα από έναν στυπιοθλίπτη στο επάνω κάλυμμα του κυλίνδρου που σφραγίζονταν με παρόμοιο τρόπο.

Το πρόβλημα της στεγανοποίησης του εμβόλου οφειλόταν στο ότι δεν υπήρχε τρόπος να παραχθεί ένας αρκετά στρογγυλός κύλινδρος. Ο Βατ προσπάθησε να βάλει κύλινδρο από χυτοσίδηρο, αλλά ήταν πολύ άκυρος. Ο Watt αναγκάστηκε να χρησιμοποιήσει έναν σφυρήλατο σιδερένιο κύλινδρο. Το ακόλουθο απόσπασμα προέρχεται από τον Roe (1916):

"Όταν [ο John] Smeaton είδε για πρώτη φορά τη μηχανή ανέφερε στην Εταιρεία Μηχανικών ότι "δεν υπήρχαν ούτε τα εργαλεία ούτε οι εργάτες που θα μπορούσαν να κατασκευάσουν μια τόσο πολύπλοκη μηχανή με επαρκή ακρίβεια" "

Ο Βατ έκρινε τελικά ότι ο σχεδιασμός ήταν αρκετά καλός ώστε να κυκλοφορήσει το 1774, και ο κινητήρας Βατ κυκλοφόρησε στην αγορά. Καθώς τμήματα του σχεδίου μπορούσαν εύκολα να προσαρμοστούν στις υπάρχουσες μηχανές του Newcomen, δεν υπήρχε ανάγκη να κατασκευαστεί μια εντελώς νέα μηχανή στα ορυχεία. Αντ' αυτού, ο Watt και ο συνέταιρός του Matthew Boulton παραχώρησαν άδεια χρήσης των βελτιώσεων στους χειριστές μηχανών, χρεώνοντάς τους ένα μέρος των χρημάτων που θα εξοικονομούσαν από το μειωμένο κόστος καυσίμων. Ο σχεδιασμός ήταν εξαιρετικά επιτυχημένος, και η εταιρεία Boulton and Watt ιδρύθηκε για να παραχωρήσει άδεια χρήσης του σχεδιασμού και να βοηθήσει νέους κατασκευαστές να κατασκευάσουν τις μηχανές. Αργότερα οι δύο τους θα άνοιγαν το χυτήριο Soho για να παράγουν τους δικούς τους κινητήρες.

Το 1774 ο John Wilkinson εφηύρε μια μηχανή διάτρησης με τον άξονα που συγκρατούσε το εργαλείο διάτρησης να στηρίζεται και στα δύο άκρα, προεκτεινόμενος μέσα από τον κύλινδρο, σε αντίθεση με τα χρησιμοποιούμενα τότε ακροβατικά διατρητικά. Με αυτό το μηχάνημα μπόρεσε να διανοίξει με επιτυχία τον κύλινδρο για την πρώτη εμπορική μηχανή των Boulton και Watt το 1776.

Ο Watt δεν έπαψε ποτέ να βελτιώνει τα σχέδιά του. Έτσι βελτίωσε περαιτέρω την ταχύτητα του κύκλου λειτουργίας, εισήγαγε ρυθμιστές, αυτόματες βαλβίδες, έμβολα διπλής ενέργειας, μια ποικιλία περιστροφικών απολήψεων ισχύος και πολλές άλλες βελτιώσεις. Η τεχνολογία του Watt επέτρεψε την ευρεία εμπορική χρήση των σταθερών ατμομηχανών.

Ο Humphrey Gainsborough κατασκεύασε ένα μοντέλο ατμομηχανής συμπύκνωσης στη δεκαετία του 1760, το οποίο έδειξε στον Richard Lovell Edgeworth, μέλος της Σεληνιακής Εταιρείας. Ο Γκέινσμπορο πίστευε ότι ο Βατ είχε χρησιμοποιήσει τις ιδέες του για την εφεύρεση- ωστόσο ο Τζέιμς Βατ δεν ήταν μέλος της Σεληνιακής Εταιρείας εκείνη την περίοδο και οι πολλές αναφορές του που εξηγούν τη διαδοχή των διαδικασιών σκέψης που οδήγησαν στην τελική σχεδίαση τείνουν να διαψεύδουν αυτή την ιστορία.

Η ισχύς εξακολουθούσε να περιορίζεται από τη χαμηλή πίεση, τον κυβισμό του κυλίνδρου, τους ρυθμούς καύσης και εξάτμισης και τη χωρητικότητα του συμπυκνωτή. Η μέγιστη θεωρητική απόδοση περιοριζόταν από τη σχετικά χαμηλή διαφορά θερμοκρασίας εκατέρωθεν του εμβόλου- αυτό σήμαινε ότι για να παρέχει ένας κινητήρας Watt ένα αξιοποιήσιμο ποσό ισχύος, οι πρώτοι κινητήρες παραγωγής έπρεπε να είναι πολύ μεγάλοι και, συνεπώς, ήταν ακριβοί στην κατασκευή και την εγκατάσταση.

Μηχανές διπλής ενέργειας και περιστροφικές μηχανές Watt

Ο Βατ ανέπτυξε έναν κινητήρα διπλής ενέργειας στον οποίο ο ατμός κινούσε το έμβολο και προς τις δύο κατευθύνσεις, αυξάνοντας έτσι την ταχύτητα και την απόδοση του κινητήρα. Η αρχή της διπλής ενέργειας αύξησε επίσης σημαντικά την απόδοση μιας μηχανής με δεδομένο φυσικό μέγεθος.

Οι Boulton & Watt ανέπτυξαν τον παλινδρομικό κινητήρα στον περιστροφικό τύπο. Σε αντίθεση με τον κινητήρα Newcomen, ο κινητήρας Watt μπορούσε να λειτουργεί αρκετά ομαλά ώστε να συνδέεται με έναν άξονα κίνησης - μέσω ηλιακών και πλανητικών γραναζιών - για να παρέχει περιστροφική ισχύ μαζί με κυλίνδρους συμπύκνωσης διπλής δράσης. Το πρώτο δείγμα κατασκευάστηκε ως επιδεικτικό και εγκαταστάθηκε στο εργοστάσιο του Boulton για να λειτουργήσει μηχανές για τη λείανση (στίλβωση) κουμπιών ή κάτι παρόμοιο. Για το λόγο αυτό ήταν πάντα γνωστός ως Lap Engine. Στις πρώιμες ατμομηχανές το έμβολο συνδέεται συνήθως με μια ράβδο σε μια ισορροπημένη δοκό και όχι απευθείας σε έναν σφόνδυλο, και γι' αυτό οι μηχανές αυτές είναι γνωστές ως μηχανές δοκού.

Οι πρώιμες ατμομηχανές δεν παρείχαν αρκετά σταθερή ταχύτητα για κρίσιμες εργασίες, όπως το κλώσιμο του βαμβακιού. Για τον έλεγχο της ταχύτητας η μηχανή χρησιμοποιούνταν για την άντληση νερού για έναν υδροτροχό, ο οποίος τροφοδοτούσε τα μηχανήματα.

Μηχανές υψηλής πίεσης

Καθώς προχωρούσε ο 18ος αιώνας, η απαίτηση ήταν για υψηλότερες πιέσεις- σε αυτό αντιστάθηκε σθεναρά ο Βατ, ο οποίος χρησιμοποίησε το μονοπώλιο που του έδινε η πατέντα του για να εμποδίσει άλλους να κατασκευάσουν μηχανές υψηλής πίεσης και να τις χρησιμοποιήσουν σε οχήματα. Δεν εμπιστευόταν την τεχνολογία των λεβήτων της εποχής, τον τρόπο κατασκευής τους και την αντοχή των υλικών που χρησιμοποιούνταν.

Τα σημαντικά πλεονεκτήματα των κινητήρων υψηλής πίεσης ήταν:

1. Μπορούσαν να γίνουν πολύ μικρότερες από ό,τι προηγουμένως για δεδομένη ισχύ. Υπήρχε έτσι η δυνατότητα να αναπτυχθούν ατμομηχανές που ήταν μικρές και αρκετά ισχυρές ώστε να κινούν τον εαυτό τους και άλλα αντικείμενα. Ως αποτέλεσμα, η ατμοηλεκτρική ενέργεια για τις μεταφορές γινόταν πλέον πρακτική με τη μορφή πλοίων και χερσαίων οχημάτων, γεγονός που έφερε επανάσταση στις επιχειρήσεις εμπορευμάτων, στα ταξίδια, στη στρατιωτική στρατηγική και ουσιαστικά σε κάθε πτυχή της κοινωνίας.
2. Λόγω του μικρότερου μεγέθους τους, ήταν πολύ λιγότερο ακριβά.
3. Δεν απαιτούσαν τις σημαντικές ποσότητες νερού ψύξης του συμπυκνωτή που χρειάζονταν οι ατμοσφαιρικές μηχανές.
4. Μπορούσαν να σχεδιαστούν για να λειτουργούν σε υψηλότερες ταχύτητες, καθιστώντας τους πιο κατάλληλους για την τροφοδοσία μηχανημάτων.

Τα μειονεκτήματα ήταν:

1. Στην περιοχή χαμηλών πιέσεων ήταν λιγότερο αποδοτικές από τις μηχανές συμπύκνωσης, ιδίως εάν ο ατμός δεν χρησιμοποιούνταν εκτατικά.
2. Ήταν πιο επιρρεπείς σε εκρήξεις του λέβητα.

Η κύρια διαφορά μεταξύ του τρόπου λειτουργίας των ατμομηχανών υψηλής και χαμηλής πίεσης είναι η πηγή της δύναμης που κινεί το έμβολο. Στις μηχανές του Newcomen και του Watt, η συμπύκνωση του ατμού είναι αυτή που δημιουργεί το μεγαλύτερο μέρος της διαφοράς πίεσης, προκαλώντας ατμοσφαιρική πίεση (Newcomen) και ατμός χαμηλής πίεσης, σπάνια πάνω από 7 psi πίεση λέβητα, συν το κενό του συμπυκνωτή (Watt), για να κινήσει το έμβολο. Σε μια μηχανή υψηλής πίεσης, το μεγαλύτερο μέρος της διαφοράς πίεσης παρέχεται από τον ατμό υψηλής πίεσης από τον λέβητα- η πλευρά χαμηλής πίεσης του εμβόλου μπορεί να βρίσκεται σε ατμοσφαιρική πίεση ή να συνδέεται με την πίεση του συμπυκνωτή. Το ενδεικτικό διάγραμμα του Newcomen, σχεδόν όλο κάτω από την ατμοσφαιρική γραμμή, θα αναβιώσει σχεδόν 200 χρόνια αργότερα με τον κύλινδρο χαμηλής πίεσης των μηχανών τριπλής διαστολής να συνεισφέρει περίπου το 20% της ισχύος του κινητήρα, και πάλι σχεδόν εντελώς κάτω από την ατμοσφαιρική γραμμή.

Ο πρώτος γνωστός υποστηρικτής του "ισχυρού ατμού" ήταν ο Jacob Leupold στο σχέδιό του για μια μηχανή που εμφανίστηκε σε εγκυκλοπαιδικά έργα γύρω στο 1725. Διάφορα σχέδια για ατμοκίνητα σκάφη και οχήματα εμφανίστηκαν επίσης καθ' όλη τη διάρκεια του αιώνα, ένα από τα πιο ελπιδοφόρα ήταν αυτό του Nicolas-Joseph Cugnot, ο οποίος παρουσίασε το "fardier" (ατμοκίνητο βαγόνι), το 1769. Αν και η πίεση λειτουργίας που χρησιμοποιήθηκε για το όχημα αυτό είναι άγνωστη, το μικρό μέγεθος του λέβητα έδωσε ανεπαρκή ρυθμό παραγωγής ατμού για να επιτρέψει στο fardier να προχωρήσει περισσότερο από μερικές εκατοντάδες μέτρα κάθε φορά πριν σταματήσει για να ανεβάσει τον ατμό. Προτάθηκαν και άλλα σχέδια και μοντέλα, αλλά όπως και με το μοντέλο του William Murdoch το 1784, πολλά από αυτά μπλοκαρίστηκαν από τους Boulton και Watt.

Αυτό δεν ίσχυε στις ΗΠΑ, και το 1788 ένα ατμόπλοιο κατασκευασμένο από τον John Fitch εκτελούσε τακτικά εμπορικά δρομολόγια στον ποταμό Delaware μεταξύ της Φιλαδέλφειας της Πενσυλβάνια και του Μπέρλινγκτον του Νιου Τζέρσεϊ, μεταφέροντας έως και 30 επιβάτες. Αυτό το πλοίο μπορούσε να κάνει συνήθως 7 έως 8 μίλια την ώρα και διένυσε περισσότερα από 2.000 μίλια (3.200 χλμ.) κατά τη διάρκεια της σύντομης διάρκειας της υπηρεσίας του. Το ατμόπλοιο Fitch δεν σημείωσε εμπορική επιτυχία, καθώς η διαδρομή αυτή καλύπτονταν επαρκώς από σχετικά καλούς δρόμους για άμαξες. Το 1802 ο William Symington κατασκεύασε ένα πρακτικό ατμόπλοιο και το 1807 ο Robert Fulton χρησιμοποίησε μια ατμομηχανή Watt για να τροφοδοτήσει το πρώτο εμπορικά επιτυχημένο ατμόπλοιο.

Ο Όλιβερ Έβανς με τη σειρά του τάχθηκε υπέρ του "ισχυρού ατμού", τον οποίο εφάρμοσε σε μηχανές σκαφών και σε σταθερές χρήσεις. Υπήρξε πρωτοπόρος των κυλινδρικών λεβήτων- ωστόσο οι λέβητες του Έβανς υπέστησαν αρκετές σοβαρές εκρήξεις λεβήτων, οι οποίες έτειναν να δώσουν βάρος στους ενδοιασμούς του Βατ. Ίδρυσε την εταιρεία ατμομηχανών του Πίτσμπουργκ το 1811 στο Πίτσμπουργκ της Πενσυλβάνια. Η εταιρεία εισήγαγε ατμομηχανές υψηλής πίεσης στο εμπόριο ποταμόπλοιων στη λεκάνη απορροής του Μισισιπή.

Η πρώτη ατμομηχανή υψηλής πίεσης εφευρέθηκε το 1800 από τον Richard Trevithick.

Η σημασία της ανύψωσης του ατμού υπό πίεση (από θερμοδυναμική άποψη) είναι ότι επιτυγχάνεται υψηλότερη θερμοκρασία. Έτσι, κάθε μηχανή που χρησιμοποιεί ατμό υψηλής πίεσης λειτουργεί σε υψηλότερη θερμοκρασία και διαφορά πίεσης από ό,τι είναι δυνατό με μια μηχανή κενού χαμηλής πίεσης. Ο κινητήρας υψηλής πίεσης αποτέλεσε έτσι τη βάση για την περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας του παλινδρομικού ατμού. Ακόμα κι έτσι, γύρω στο 1800, η "υψηλή πίεση" αντιστοιχούσε σε αυτό που σήμερα θα θεωρούσαμε πολύ χαμηλή πίεση, δηλαδή 40-50 psi (276-345 kPa), με την ουσία να είναι ότι ο εν λόγω κινητήρας υψηλής πίεσης δεν ήταν συμπυκνωμένος, κινούμενος αποκλειστικά από την εκτατική δύναμη του ατμού, και όταν ο ατμός αυτός είχε επιτελέσει έργο, συνήθως εξαντλούνταν σε πίεση υψηλότερη από την ατμοσφαιρική. Η έκρηξη του ατμού που εξέρχεται στην καμινάδα μπορούσε να αξιοποιηθεί για τη δημιουργία επαγόμενου ρεύματος μέσω της σχάρας της φωτιάς και έτσι να αυξηθεί ο ρυθμός καύσης, άρα να δημιουργηθεί περισσότερη θερμότητα σε μικρότερο κλίβανο, σε βάρος της δημιουργίας αντίθλιψης στην πλευρά εξαγωγής του εμβόλου.

Στις 21 Φεβρουαρίου 1804, στο σιδηρουργείο Penydarren στο Merthyr Tydfil της Νότιας Ουαλίας, παρουσιάστηκε η πρώτη αυτοκινούμενη σιδηροδρομική ατμομηχανή ή ατμομηχανή, κατασκευασμένη από τον Richard Trevithick.

Μηχανή της Κορνουάλης και σύνθετη μηχανή

Γύρω στο 1811 ο Ρίτσαρντ Τρέβιθικ χρειάστηκε να αναβαθμίσει μια μηχανή άντλησης του Γουάτ, προκειμένου να την προσαρμόσει σε έναν από τους νέους μεγάλους κυλινδρικούς λέβητες του Κορνουάλη. Όταν ο Trevithick έφυγε για τη Νότια Αμερική το 1816, οι βελτιώσεις του συνεχίστηκαν από τον William Sims. Παράλληλα, ο Άρθουρ Γουλφ ανέπτυξε μια σύνθετη μηχανή με δύο κυλίνδρους, έτσι ώστε ο ατμός να διαστέλλεται σε έναν κύλινδρο υψηλής πίεσης προτού απελευθερωθεί σε έναν χαμηλής πίεσης. Η αποδοτικότητα βελτιώθηκε περαιτέρω από τον Σάμιουελ Γκρόουζ, ο οποίος μόνωσε τον λέβητα, τον κινητήρα και τους σωλήνες.

Η πίεση του ατμού πάνω από το έμβολο αυξήθηκε φτάνοντας τελικά τα 40 psi (0,28 MPa) ή ακόμη και τα 50 psi (0,34 MPa) και παρείχε πλέον μεγάλο μέρος της ισχύος για την καθοδική διαδρομή- ταυτόχρονα βελτιώθηκε η συμπύκνωση. Αυτό αύξησε σημαντικά την απόδοση και περαιτέρω μηχανές άντλησης με το σύστημα Cornish (συχνά γνωστές ως μηχανές Cornish) συνέχισαν να κατασκευάζονται νέες καθ' όλη τη διάρκεια του 19ου αιώνα. Οι παλαιότερες μηχανές Watt αναβαθμίστηκαν για να συμμορφωθούν.

Η υιοθέτηση αυτών των βελτιώσεων του Cornish ήταν αργή στις περιοχές παραγωγής κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων όπου ο άνθρακας ήταν φθηνός, λόγω του υψηλότερου κόστους κεφαλαίου των κινητήρων και της μεγαλύτερης φθοράς που υπέστησαν. Η αλλαγή άρχισε μόλις στη δεκαετία του 1830, συνήθως με επιπλοκή μέσω της προσθήκης ενός ακόμη κυλίνδρου (υψηλής πίεσης).

Ένας άλλος περιορισμός των πρώτων ατμομηχανών ήταν η μεταβλητότητα της ταχύτητας, η οποία τις καθιστούσε ακατάλληλες για πολλές εφαρμογές κλωστοϋφαντουργίας, ιδίως για την κλωστική. Προκειμένου να επιτυγχάνονται σταθερές ταχύτητες, τα πρώιμα ατμοκίνητα υφαντουργεία χρησιμοποιούσαν την ατμομηχανή για την άντληση νερού σε έναν υδραυλικό τροχό, ο οποίος κινούσε τα μηχανήματα.

Πολλές από αυτές τις μηχανές παραδόθηκαν σε όλο τον κόσμο και προσέφεραν αξιόπιστες και αποδοτικές υπηρεσίες για πολλά χρόνια με σημαντικά μειωμένη κατανάλωση άνθρακα. Ορισμένες από αυτές ήταν πολύ μεγάλες και ο τύπος συνέχισε να κατασκευάζεται μέχρι και τη δεκαετία του 1890.

Κινητήρας Corliss

Η ατμομηχανή Corliss (κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1849) ονομάστηκε η μεγαλύτερη βελτίωση μετά τον James Watt. Η μηχανή Corliss είχε σημαντικά βελτιωμένο έλεγχο της ταχύτητας και καλύτερη απόδοση, καθιστώντας την κατάλληλη για όλα τα είδη των βιομηχανικών εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της κλώσης.

Ο Corliss χρησιμοποιούσε ξεχωριστές θύρες για την παροχή και την εξάτμιση του ατμού, γεγονός που εμπόδιζε την εξάτμιση να ψύξει το πέρασμα που χρησιμοποιούσε ο θερμός ατμός. Ο Corliss χρησιμοποίησε επίσης μερικώς περιστρεφόμενες βαλβίδες που παρείχαν γρήγορη δράση, συμβάλλοντας στη μείωση των απωλειών πίεσης. Οι ίδιες οι βαλβίδες αποτελούσαν επίσης πηγή μειωμένης τριβής, ειδικά σε σύγκριση με τη βαλβίδα ολίσθησης, η οποία χρησιμοποιούσε συνήθως το 10% της ισχύος ενός κινητήρα.

Ο Corliss χρησιμοποιούσε αυτόματη μεταβλητή διακοπή. Ο μηχανισμός βαλβίδων έλεγχε την ταχύτητα του κινητήρα χρησιμοποιώντας τον ρυθμιστή για να μεταβάλλει τον χρονισμό της διακοπής. Αυτό ήταν εν μέρει υπεύθυνο για τη βελτίωση της απόδοσης εκτός από τον καλύτερο έλεγχο των στροφών.

Ατμομηχανή υψηλής ταχύτητας Porter-Allen

Ο κινητήρας Porter-Allen, που παρουσιάστηκε το 1862, χρησιμοποίησε έναν προηγμένο μηχανισμό γραναζιών βαλβίδων που αναπτύχθηκε για τον Porter από τον Allen, έναν μηχανικό με εξαιρετικές ικανότητες, και αρχικά ήταν γενικά γνωστός ως κινητήρας Allen. Ο κινητήρας υψηλών ταχυτήτων ήταν μια μηχανή ακριβείας που ήταν καλά ισορροπημένη, επιτεύγματα που κατέστησαν δυνατή η εξέλιξη των εργαλειομηχανών και της τεχνολογίας κατασκευής.

Ο κινητήρας υψηλών ταχυτήτων έτρεχε με ταχύτητες εμβόλου τρεις έως πέντε φορές μεγαλύτερες από τις ταχύτητες των συνηθισμένων κινητήρων. Είχε επίσης μεταβλητότητα χαμηλών στροφών. Ο κινητήρας υψηλών στροφών χρησιμοποιήθηκε ευρέως σε πριονιστήρια για την κίνηση δισκοπρίονων. Αργότερα χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Ο κινητήρας είχε πολλά πλεονεκτήματα. Θα μπορούσε, σε ορισμένες περιπτώσεις, να συνδεθεί άμεσα. Εάν χρησιμοποιούνταν γρανάζια ή ιμάντες και τύμπανα, μπορούσαν να είναι πολύ μικρότερα μεγέθη. Ο ίδιος ο κινητήρας ήταν επίσης μικρός για την ποσότητα ισχύος που ανέπτυσσε.

Ο Porter βελτίωσε σημαντικά τον ρυθμιστή με ιπτάμενη σφαίρα μειώνοντας το περιστρεφόμενο βάρος και προσθέτοντας ένα βάρος γύρω από τον άξονα. Αυτό βελτίωσε σημαντικά τον έλεγχο της ταχύτητας. Ο ρυθμιστής του Porter έγινε ο κορυφαίος τύπος μέχρι το 1880.

Η απόδοση του κινητήρα Porter-Allen ήταν καλή, αλλά όχι ίση με αυτή του κινητήρα Corliss.

Κινητήρας μονής ροής (ή χωρίς ροή)

Ο κινητήρας uniflow ήταν ο πιο αποδοτικός τύπος κινητήρα υψηλής πίεσης. Εφευρέθηκε το 1911 και χρησιμοποιήθηκε σε πλοία, αλλά εκτοπίστηκε από τους ατμοστρόβιλους και αργότερα από τους ναυτικούς κινητήρες ντίζελ.

Δείτε επίσης

• Ατμάμαξα
• Μηχανή εξωτερικής καύσης

• Stuart, Robert, A Descriptive History of the Steam Engine, London: J. Knight and H. Lacey, 1824.
• Gascoigne, Bamber (2001). «History of Steam». HistoryWorld. http://www.historyworld.net/wrldhis/PlainTextHistories.asp?ParagraphID=afq1. Ανακτήθηκε στις 16 November 2009.