В 1765 году Джеймс Уатт, для повышения КПД вакуумного двигателя Ньюкомена, сделал отдельный конденсатор. Двигатель всё ещё оставался вакуумным.

В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал вакуумную паровую машину с кривошипно-шатунным механизмом, которая производила непрерывное вращательное движение вала (в отличие от поступательного движения в вакуумном двигателе водоподъёмного насоса Ньюкомена). Двигатель всё ещё оставался вакуумным, но вакуумный двигатель Уатта с кривошипно-шатунным механизмом, мощностью 10 лошадиных сил, стало возможным, при наличии каменного угля и воды, устанавливать и использовать в любом месте для любой цели. С вакуумным двигателем Уатта принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Примечательно, что первой известной автоматической системой управления была система регулирования скорости пара, установленная на паровом двигателе Уатта в 1775 году; почти век спустя Джеймс Клерк Максвелл описал первую математическую модель автоматизации.

Дальнейшим повышением эффективности парового двигателя было применение пара высокого давления американцем Оливером Эвансом и англичанином Ричардом Тревитиком.

В 1786 году Эванс попытался было запатентовать обычный паровой автомобиль, в котором приводом служила паровая машина высокого давления, но патентное управление отказало Эвансу, посчитав его идею нелепой фантазией. Позже Эванс изготовил в общей сложности около полусотни подобных машин, большая часть которых использовалась для привода насосных установок.

Тревитик, инициатор создания и применения стационарных машин, работающих при высоких давлениях (получил в 1800 году патент на «машину высокого давления»), освоил на практике цилиндрические паровые (так называемые «корнваллийские») котлы (1815). С 1797 года строил модели паровых повозок, а в 1801 года начал строить оригиналы повозок, последняя из которых прошла успешные испытания в Корнуэлле и Лондоне (1802—1803).

В 1801 году Ричард Тревитик построил первый в истории паровоз «Puffing Devil», затем в 1802 году паровоз «Coalbrookdale» для одноимённой угольной компании.

Тревитик успешно строил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Множество вакуумных двигателей, построенных ранее по схеме Джеймса Уатта, после изобретения Эванса и Тревитика были перестроены по схеме «корнуэльского двигателя» высокого давления.

В 1769 году французский изобретатель Николя-Жозеф Кюньо продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавэр между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в городе Мертир-Тидвил в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

В 1824 году французский учёный и инженер Сади Карно в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» впервые описал цикл работы термодинамической системы, позже названный его именем[3][4].

С развитием паровозо- и пароходостроения прогресс паровой машины получил новый толчок. В течение XIX века усилиями многих талантливых инженеров паровая машина была значительно усовершенствована. Были разработаны конструкции котлов и различных вспомогательных систем (механизмов парораспределения, топливоподачи и т. п.), ставшие впоследствии классическими. Появились многоступенчатые, компаундные и тандемные типы, интересные промышленные модели. Практический КПД паровой машины был значительно повышен. Требования сухопутного транспорта и мелкого судостроения содействовали появлению компактных моделей с высокой удельной мощностью. Во второй половине века появились типы компоновок и систем, использованные затем в двигателях внутреннего сгорания: V-образные и звездообразные компоновки без крейцкопфа, блок-цилиндры с закрытым картером, тарельчатые клапаны с приводом от кулачкового вала и т. д. Параллельно шла разработка роторных альтернатив: паровой турбины, различных моделей коловратных двигателей.

К началу XX века была уже хорошо разработана теория и практика паровых машин, сохранившаяся до наших дней почти без изменений. Поршневые паровые машины безраздельно властвовали на железнодорожном и морском транспорте, паровые турбины всё чаще находили практическое применение на крупных морских судах. Подавляющее большинство коловратных (роторно-поршневых) типов было опробовано и по тем или иным причинам отвергнуто.

В первые десятилетия XX века отмечается бум транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания, значительно пошатнувший авторитет паровой машины. Она уступает более лёгким и компактным конкурентам. К 1930-м годам бензиновые и дизельные двигатели почти полностью вытесняют паровую машину из лёгкого сухопутного транспорта, решительно вторгаются в области железнодорожного транспорта и судостроения. Считается, что паровая машина уже доживает свой век, безнадёжно устарела.

В 1930-е годы вокруг неё снова намечается некоторое оживление. Появляются новые материалы: нержавеющие стали, способные выдержать высокие температуры и давления, а так же лёгкие и прочные алюминиевые сплавы. Это позволяет поднять давление пара до величин 30—100 атм, что делает паровую машину замкнутого цикла сопоставимой по габаритам, эффективности и цене с двигателем внутреннего сгорания. Внедрение водотрубной системы делает котёл компактным и безопасным. Налаживается серийное производство паровых легковых и грузовых автомобилей, тракторов, автобусов и даже танков и самолётов. Появляются новые идеи: внедрение звездообразных паровых машин в ступицы колёс, в задний мост и т. д. Принимаются во внимание ценные качества паровой машины: высокий крутящий момент, отличная проходимость по бездорожью, нетребовательность к топливу, долговечность, бесшумность, плавность хода, отсутствие необходимости поддерживать обороты на холостом ходу и т. п. Паровые машины устанавливаются даже на лимузины.[5]

Однако попытка реанимации идеи паровой машины не удалась: отчасти из-за начавшейся Второй мировой войны, отчасти из-за сформировавшегося у потребителя стереотипа устарелости, громоздкости, грязности и опасности паровой машины, интерес к этим опытам ослабевает. Дольше всего паровая машина продержалась на железнодорожном транспорте, где новые модели паровозов выпускались вплоть до 1950-х годов. Но и здесь постепенно была вытеснена тепловозами, электровозами и газотурбовозами.

Тем не менее идея её не забыта и некоторые экспериментальные работы, и даже попытки серийного производства паровых машин высокого давления, ведутся энтузиастами и в наши дни. Большую ценность представляют так же действующие модели исторических паровых машин, изготавливаемые любителями.

Следует отметить, что распространение парового двигателя шло постепенно: механизмы, использующие водную и ветряную энергию, ещё долго конкурировали с паровыми машинами. В частности, до 1870 года в Соединённых Штатах большинство фабрик использовали энергию водяных турбин, а не паровых двигателей[6]. Точно так же постепенно она выходила из употребления. Так, последние паровозы работали на линиях ещё в конце XX века, а некоторые сохраняются работоспособными до наших дней, несмотря даже на то, что КПД паровозной машины один из самых низких. До сих пор именно паровозы и пароходы окутаны неким ореолом романтики. В некоторых странах они и сегодня используются в туристических целях.

Что касается паровых турбин, то они заняли прочные позиции в энергетике и крупном транспортном машиностроении. Однако их КПД сильно зависит от размеров, поэтому паровые турбины малой мощности экономически нецелесообразны и не находят применения в качестве основной силовой установки. В новых разработках транспорта с паровой машиной они используются как вспомогательные приводы, работающие на возвратном пару.

                        Паровые машины с возвратно-поступательным движением

Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.

Вакуумные машины

Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «Курс экспериментальной философии» (1744), которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 году в угольной шахте Гриф в Уоркшире.

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными» или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.[7]

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить.

версия паровой машины, созданная Уаттом

В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничения их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Корнуэльская машина, построенная Тревитиком.

Приблизительно в 1811 году Ричард Тревитик усовершенствовал машину Уатта. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название корнуэльских, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые из корнуэльских машин имели весьма большой размер.

Паровые машины высокого давления

В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.

Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275—345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.

Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.

Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнём: 1 — поршень; 2 — шток поршня; 3 — ползун; 4 — шатун; 5 — коленчатый вал; 6 — эксцентрик для привода клапана; 7 — маховик; 8 — золотник; 9 — центробежный регулятор.

Паровые машины двойного действия

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало изобретение в 1782 году Джеймсом Уаттом машины двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.

В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.

Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.

Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более лёгким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.

Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.

В 1832 году впервые в России на заводе была построена паровая машина с кривошипно-шатунным механизмом для военного парохода «Геркулес» (строитель парохода — английский кораблестроитель на русской службе В. Ф. Стокке). Это была первая в мире удачная для пароходов паровая машина без балансира в 240 сил[8]. Англичане дважды, в 1822 и 1826 годах, делали попытку изготовить такие машины для своих пароходов, но они оказались неудачными и их пришлось заменить обычными балансирными машинами. Лишь на пароходе «Горгон» (Gorgon), спущенном на воду в 1837 году, они смогли установить машину прямого действия (без балансира), которая стала работать нормально.[8]