Першим зареєстрованим рудиментарним паровим двигуном був еоліпіл, описаний Героном Олександрійським у римському Єгипті І століття. Декілька пристроїв з паровим двигуном були пізніше випробувані або запропоновані, наприклад, паровий домкрат Такі аль-Діна, парова турбіна в Єгипті Османському XVI століття і паровий насос Томаса Севері в Англії XVII століття. У 1712 році атмосферний двигун Томаса Ньюкомена став першим комерційно успішним двигуном, що використовує принцип поршня та циліндра, який був основним типом парового двигуна, який використовувався до початку 20 століття. Парова машина використовувалася для відкачування води із вугільних шахт.

Під час промислової революції парові двигуни почали витісняти енергію води та віту, і в результаті стали домінуючим джерелом енергії в кінці 19 століття і залишалися такими до перших десятиліть 20 століття, коли ефективніша парова турбіна і двигун внутрішнього згоряння призвели до швидкої заміни парових двигунів. Парова турбіна стала найбільш поширеним методом, за допомогою якого наводяться електрогенератори. В даний час проводяться дослідження практичних можливостей відродження поршневого парового двигуна як основа для нової хвилі передових парових технологій.

Попередники

Раннє використання парової енергії

Найперший відомий рудиментарний паровий двигун і реактивна парова турбіна, еоліпіл, описані математиком та інженером Героном Александрійським (Герон) у римському Єгипті 1-го століття, як записано в його рукописі Spiritalia sede Pneumatica.Heron Alexandrinus (Hero of Alexandria) (c. CE): Spiritalia seu Pneumatica. Reprinted 1998 KG Saur GmbH, Munich. Пара, що викидається тангенціально із сопел, змушувала обертатися кулю з шарніром. Його теплова ефективність була низькою. Це дозволяє припустити, що перетворення тиску пари на механічний рух було відоме в римському Єгипті в I столітті. Герон також розробив машину, в якій повітря, нагріте у вівтарному вогні, витісняло воду із закритої посудини. Вага води приводила в рух прихований канат, який чинив двері храму. Деякі історики змішують ці два винаходи, помилково стверджуючи, що еоліпіл здатний виконувати корисну роботу.

Згідно Вільгельма Мальмсберійського, в 1125 в Реймсі знаходилася церква, в якій був встановлений орган, що приводиться в дію повітрям, що виходить зі стиснення «нагрітої води», очевидно, спроектований і побудований професором Гербертусом.

Серед паперів Леонардо да Вінчі, що належать до кінця 15 століття, є проект гармати з паровим двигуном під назвою «Архітоннерре», яка працює за рахунок раптового припливу гарячої води до герметичної, розпеченої гармати.

Рудиментарна ударна парова турбіна була описана в 1551 Такі аль-Діном, філософом, астрономом і інженером з Османського Єгипту XVI століття, який описав метод обертання рожна за допомогою струменя пари, що грає на лопатях, що обертаються по периферії колеса. Подібний пристрій для обертання рожна був описаний Джоном Вілкінсом в 1648 році. Тоді ці пристрої називалися «млинами», але зараз вони відомі як парові домкрати. Інша подібна рудиментарна парова турбіна показана італійським інженером Джованні Бранка в 1629 для обертання циліндричного спускового пристрою, яке поперемінно піднімало і опускало пару маточок, що працюють у ступах. Однак потік пари в цих ранніх парових турбінах не був концентрованим, і більшість його енергії розсіювалася в усіх напрямках. Це призвело до великих втрат енергії, тому їх ніколи всерйоз не розглядали для промислового використання.

У 1605 році французький математик Флоранс Ріво у своєму трактаті про артилерію написав про своє відкриття, що вода, якщо її укласти в бомболюк і нагріти, підриватиме снаряди.

В 1606 іспанець Херонімо де Айанс-і-Бомон продемонстрував і отримав патент на водяний насос, що працює на пару. Насос був успішно використаний для осушення затоплених шахт Гуадалканалу, Іспанія.

Розробка комерційного парового двигуна «Відкриття, які, зібрані разом Томасом Ньюкоменом 1712 року, призвели до створення парового двигуна, були такими:»

Концепція вакууму (тобто зниження тиску нижче атмосферного) Поняття тиску Техніка створення вакууму Спосіб отримання пари Поршень та циліндр

У 1643 році Еванджеліста Торрічеллі провів експерименти з водяними насосами з всмоктуючим підйомом, щоб перевірити їх межу, яка склала близько 32 футів (Атмосферний тиск становить 32,9 фута або 10,03 метра. Тиск парів води знижує теоретичну висоту). Він вигадав експеримент із використанням трубки, наповненої ртуттю і перевернутої в чаші з ртуттю (барометр), і спостерігав порожній простір над стовпом ртуті, який, на його думку, нічого не містив, тобто вакуум.

Під впливом Торрічеллі Отто фон Ґеріке винайшов вакуумний насос, модифікувавши повітряний насос, який використовується для нагнітання тиску в пневматичній гарматі. В 1654 Ґеріке влаштував демонстрацію в Магдебурзі, Німеччина, де він був мером. Дві мідні півкулі були з'єднані разом, і з них відкачувалося повітря. Гірі, прив'язані до півкуль, не могли розсунути їх, доки не було відкрито повітряного клапана. Експеримент був повторений в 1656 з використанням двох команд по 8 коней у кожній, які не змогли розділити магдебурзькі півкулі.

Гаспар Шотт першим описав експеримент із півкулями у своїй книзі «Механіка гідравліки та пневматики» (Mechanica Hydraulico-Pneumatica, 1657).

Прочитавши книгу Шотта, Роберт Бойль збудував удосконалений вакуумний насос і провів відповідні експерименти.

Дені Папен зацікавився використанням вакууму для отримання рушійної сили під час роботи з Крістіаном Гюйгенсом та Готфрідом Лейбніцем у Парижі у 1663 році. Папен працював у Роберта Бойля з 1676 по 1679, опублікувавши звіт про свою роботу в книзі «Продовження нових експериментів» (1680) і виступивши з доповіддю в Королівському товаристві в 1689 році. З 1690 Папен почав експериментувати з поршнем для отримання енергії за допомогою пари, створюючи моделі парових машин. Він експериментував з паровими двигунами атмосферного та напірного типу, опублікувавши свої результати у 1707 році.

У 1663 Едвард Сомерсет, 2-й маркіз Вустерський, опублікував книгу 100 винаходів, в якій описав метод підйому води між поверхами, що використовує принцип, схожий з принципом роботи перколятора для кави. Його система була першою, в якій котел (нагрітий гарматний ствол) був відокремлений від насоса. Вода надходила до укріпленого ствола з цистерни, а потім відкривався клапан для подачі пари з окремого котла. Тиск піднімався над водою, проганяючи її вгору трубою. Він установив свій пристрій із паровим двигуном на стіні Великої вежі у замку Раглан, щоб подавати воду через вежу. Пази у стіні, де було встановлено двигун, можна було побачити й у 19 столітті. Однак ніхто не був готовий ризикувати грошима заради такої революційної концепції, і без підтримки машина залишилася нерозробленою.

Семюель Морланд, математик і винахідник, який працював над насосами, залишив в Управлінні ордонансів Воксхолла нотатки про конструкцію парового насоса, яку прочитав Томас Сейвері. 1698 року Сейвері побудував паровий насос під назвою «Друг шахтаря». У ньому використовувалися як вакуум, і тиск. Протягом кількох років вони використовувалися для роботи з малою потужністю.

Томас Ньюкомен був купцем, який торгував чавунними виробами. Двигун Ньюкомена був заснований на конструкції поршня та циліндра, запропонованої Папеном. У двигуні Ньюкомена пар конденсувався під дією води, що розпорошується всередині циліндра, внаслідок чого атмосферний тиск призводив до руху поршень. Перший двигун Ньюкомена був встановлений для відкачування води в шахті в 1712 в замку Дадлі в Стаффордширі.

Циліндри

Дені Папен (22 серпня 1647 — бл. 1712) був французьким фізиком, математиком та винахідником, найбільш відомим своїм новаторським винаходом парового котла, попередника скороварки. У середині 1670-х Папен у співпраці з голландським фізиком Християном Гюйгенсом розробив двигун, який витісняв повітря з циліндра шляхом вибуху пороху всередині нього. Усвідомивши неповноту вакууму, одержуваного у такий спосіб, і переїхавши до Англії 1680 року, Папен розробив версію тієї самої циліндра, у якому повніший вакуум виходив під час кип'ятіння води та наступної конденсації пари; таким чином він зміг піднімати тяжкості, прикріпивши кінець поршня до мотузки, що проходить через шків. Як демонстраційна модель система працювала, але для того, щоб повторити процес, весь апарат потрібно було розібрати і зібрати заново. Папен швидко зрозумів, що для створення автоматичного циклу пара повинна генеруватися окремо в казані; однак він не став продовжувати цей проект. Папен також сконструював човен з веслами, що рухається струменем, що грає на млиновому колесі в поєднанні з концепціями Такі аль Діна і Севері, і йому також приписують ряд важливих пристроїв, таких як запобіжний клапан. Роки досліджень Папена проблем використання пари відіграли ключову роль у розробці перших успішних промислових двигунів, які незабаром пішли за його смертю.

Паровий насос Савері

Першим паровим двигуном, який отримав промислове застосування, був «пожежний двигун» або «друг шахтаря», розроблений Томасом Севері у 1698 році. Це був безпоршневий паровий насос, аналогічний тому, що був розроблений Вустером. Севері вніс два ключові внески, які значно покращили практичність конструкції. По-перше, щоб водопровід можна було розмістити нижче двигуна, він використовував конденсований пар для створення часткового вакууму в резервуарі насоса (бочка в прикладі Вустера) і з його допомогою витягував воду вгору. По-друге, щоб швидко охолодити пару для створення вакууму, він пускав по резервуару холодну воду.

Для роботи потрібно кілька клапанів; коли резервуар був порожній на початку циклу, відкривався клапан, щоб впустити пару. Клапан закривався для герметизації резервуара і включався клапан охолоджувальної води для конденсації пари і створення часткового вакууму. Відкривався клапан подачі, втягуючи воду до резервуару, при цьому типовий двигун міг втягувати воду на висоту до 20 футів. Потім клапан закривався і знову відкривався паровий клапан, створюючи тиск над водою і відкачуючи її вгору, як у конструкції Вустера. Цикл, по суті, подвоював відстань, на яку можна було перекачувати воду за будь-якого даного тиску пари, і серійні зразки піднімали воду на 40 футів.

Двигун Сейвері вирішив проблему, яка нещодавно стала серйозною: підняття води з шахт на півдні Англії в міру того, як вони досягали більшої глибини. Двигун Севері був дещо менш ефективним, ніж двигун Ньюкомена, але це компенсувалося тим, що окремий насос, що використовується в двигуні Ньюкомена, був неефективним, що давало двом двигунам приблизно однакову ефективність 6 мільйонів футів на бушель вугілля (менше 1 %). Двигун Севері також не був дуже безпечним, оскільки частина його циклу вимагала пари під тиском, що подається з котла, а з урахуванням технологій того періоду посудина під тиском не могла бути зроблена досить міцною і тому була схильна до вибуху. Вибух одного з його насосів у Брод-Уотерсі (біля Уеддесбері) близько 1705 року, ймовірно, ознаменував кінець спроб використати його винахід.

Двигун Савері був менш дорогим, ніж двигун Ньюкомена, і випускався менших розмірах. Деякі виробники випускали вдосконалені версії двигуна Савері остаточно 18 століття. Бенто де Моура Португаль, FRS, представив геніальне вдосконалення конструкції двигуна Сейвері, «щоб зробити його здатним працювати самостійно», як описано Джоном Смітоном у «Філософських операціях», опублікованих у 1751 році.

Атмосферні конденсаційні двигуни

«Атмосферний» двигун Ньюкомена

Саме Томас Ньюкомен зі своїми «атмосферним» двигуном 1712 року, можна сказати, об'єднав більшість основних елементів, створених Папеном, щоб розробити перший практичний паровий двигун, на який міг бути комерційний попит. Він мав форму поршневого балкового двигуна, встановленого на рівні поверхні і послідовність насосів, що приводить в рух, на одному кінці балки. Двигун, прикріплений ланцюгами до іншого кінця балки, працював за атмосферним, або вакуумним принципом.