産業革命中の蒸気力

蒸気機関の改良は産業革命の最も重要な技術のいくつかでしたが、英国では産業革命後まで蒸気が重要な水力に取って代わることはありませんでした。イギリス人のトーマス・ニューコメンの1712年の大気エンジンから、スコットランドの発明者であり機械エンジニアのジェームス・ワットによる主要な開発を通じて、蒸気エンジンは、最初のエンジンが水を汲み上げるために使用されていた鉱業だけでなく、多くの産業設定で使用され始めました深い働き。初期の工場は水力で正常に稼働していましたが、蒸気エンジンを使用することで、工場は水に近いだけでなく、どこにでも設置できました。水力は季節によって異なり、常に利用できるとは限りませんでした。

1775ワットでは、メーカーのマシューボールトンとエンジン製造およびエンジニアリングのパートナーシップを結びました。 Boulton＆Wattのパートナーシップは、産業革命の最も重要なビジネスの1つとなり、英国経済の多くの創造的な技術センターのような役割を果たしました。パートナーは技術的な問題を解決し、ソリューションを他社に広めました。同様の企業は他の業界でも同じことを行い、工作機械業界では特に重要でした。これらの企業間の相互作用は、各ビジネスが独自のリソースで作業するために費やさなければならない研究時間と費用を削減したため、重要でした。産業革命の技術的進歩は、企業が情報を共有することが多く、その情報を使用して新しい技術や製品を作成できるため、より迅速に起こりました。

鉱山から工場まで、蒸気エンジンはさまざまな産業で多くの用途を見出しました。蒸気エンジンの導入により、生産性と技術が向上し、より小型で優れたエンジンの作成が可能になりました。リチャード・トレビシックが高圧エンジンを開発した後、輸送用途が可能になり、蒸気エンジンがボート、鉄道、農場、道路車両に採用されました。蒸気エンジンは、工業化によってもたらされた変化が他の分野でさらに多くの変化をもたらした例です。

定置型蒸気エンジンの開発は、産業革命の非常に重要な初期の要素でした。ただし、産業革命のほとんどの期間で、大部分の産業は依然として小型機械を駆動するために馬力と人力だけでなく風力と水力にも依存していることを覚えておく必要があります。

トーマス・サヴェリーの蒸気ポンプ

蒸気動力の産業利用は1698年にトーマス・サヴェリーから始まりました。彼はロンドンで最初のエンジンを建設し、特許を取得しました。彼は鉱山から水を汲み上げることを意図して「マイナーの友」と呼びました。初期のバージョンでは、低い蒸気圧で簡単に破裂するはんだ付け銅ボイラーを使用していました。鉄ボイラーを備えた後のバージョンでは、約46メートル（150フィート）の水を上げることができました。 Saveryエンジンには、手動バルブ以外の可動部品はありませんでした。一旦シリンダーに入れられた蒸気は、外部の冷水スプレーによって最初に凝縮され、それにより部分的な真空を作り出し、それにより水が低いレベルからパイプを通って吸い上げられました。その後、バルブが開閉され、現在のシリンダー内の水面に新鮮な蒸気が直接加えられ、より高いレベルで排出される出口パイプに押し上げられました。このエンジンは、いくつかの鉱山と多数の水道で低揚水ポンプとして使用されましたが、ポンプの高さが制限され、ボイラー爆発が発生しやすいため、成功しませんでした。

トーマス・ニューコメンの蒸気機関

最初の実用的な機械式蒸気エンジンは、1712年にトーマスニューコメンによって導入されました。ニューコメンは明らかに自分のマシンをセイブリーとはまったく無関係に考案しましたが、セイブリーが非常に広範な特許を取得したため、ニューコメンと彼の仲間は彼は、共同特許の下で1733年までエンジンを販売しました。ニューコメンのエンジンは、30年前に行われたPapinの実験に基づいており、ピストンとシリンダーを使用していたようです。ピストンとシリンダーの一端は、ピストン上の大気に開放されています。大気圧をわずかに上回る蒸気（ボイラーが耐えることができるすべて）が、重力による上昇ストローク中に、ピストンの下のシリンダーの下半分に導入されました。その後、蒸気は、蒸気空間に注入された冷水のジェットによって凝縮され、部分真空を生成しました。大気とピストンの両側の真空との間の圧力差により、大気がシリンダー内に下向きに移動し、鉱山シャフトに収容された重力作動の往復力ポンプのギャングが取り付けられたロッキングビームの反対側の端を持ち上げました。エンジンの下向きのパワーストロークによりポンプが上昇し、プライミングとポンプストロークの準備が行われました。最初はフェーズは手作業で制御されていましたが、10年以内に、エンジンを自動作動させるロッキングビームから吊り下げられた垂直プラグツリーによってエスケープ機構が考案されました。

多くのニューコメンのエンジンは、これまで使用できなかった深部鉱山の排水用に英国で使用され、エンジンは表面にありました。これらは大型の機械であり、建設に多額の資金を必要とし、約5馬力を生産しました。それらは現代の基準では非常に非効率的でしたが、石炭がピットヘッドで安価な場所にある場合、鉱山の深部への移動を可能にすることで石炭採掘の大きな拡大をもたらしました。その欠点にもかかわらず、ニューコメンのエンジンは信頼性が高く、保守が容易であり、19世紀初頭まで炭田で使用され続けました。ニューコメンが亡くなった1729年までに、彼のエンジンはフランス、ドイツ、オーストリア、ハンガリー、スウェーデンに広がりました。合計110が、共同特許が切れた1733年までに建設されたことが知られており、そのうち14が海外にありました。 1770年代、エンジニアのジョンスミートンはいくつかの非常に大きな例を構築し、多くの改良を加えました。 1800年までに合計1,454個のエンジンが製造されました。

ジェームズ・ワットの蒸気機関

動作原理の根本的な変更は、ジェームズ・ワットによってもたらされました。マシューボールトンの緊密な協力により、彼は1778年までに蒸気エンジンを完成させることに成功しました。蒸気エンジンは、特にシリンダーの周囲に蒸気ジャケットを使用して蒸気の温度を維持することで、 、ピストン室とは別の蒸気復水器室。これらの改善により、エンジン効率が約5倍に向上し、石炭コストが75％削減されました。

当時、Newcomenエンジンは回転ホイールを駆動するのに簡単に適応できませんでしたが、WasboroughとPickardは1780年頃にそのように成功しました。しかし、1783年までに、より経済的なWatt蒸気エンジンは完全に二重になり、遠心式ガバナ、平行運動、フライホイールを備えた回転型で、工場や工場の回転機械を直接駆動するために使用できます。 Wattの基本的なエンジンタイプは両方とも商業的に非常に成功しました。

1800年までに、Boulton＆Watt社は496台のエンジンを建設し、164台の往復ポンプ、24台の高炉、および308台の製粉機を備えていました。ほとんどのエンジンは5〜10 hpで生成されました。これらすべてのエンジンで生成できる総出力の推定は、約11,200馬力でした。これは、英国の水車（120,000 hp）および風車（15,000 hp）による総発電容量のほんの一部にすぎません。ただし、水力と風力は季節によって変動しました。 Newcomenおよびその他の蒸気エンジンは、同時に約24,000馬力を生成しました。

ワット後の開発

これらのエンジンを搭載した旋盤、プレーニング、シェーピングマシンなどの工作機械の開発により、エンジンのすべての金属部品を簡単かつ正確に切断できるようになり、より大きく強力なエンジンを構築できるようになりました。

1800年のボールトン＆ワット特許の失効後の19世紀初頭、蒸気エンジンは、ボイラーの爆発の危険性のためにワットが常に避けていた高圧蒸気の使用により、出力が大幅に増加しました。開発の非常に原始的な状態。

1800年頃まで、蒸気エンジンの最も一般的なパターンは、石またはレンガのエンジンハウスの不可欠な部分として構築されたビームエンジンでしたが、すぐにさまざまなパターンの自己完結型移植エンジン（すぐに取り外し可能ですが、ホイールではありません）テーブルエンジンなどの開発。高圧の使用によるサイズのさらなる縮小は、18世紀の終わり頃にコーニッシュのエンジニアであるリチャードトレビシックとアメリカのエンジニアであるオリバーエヴァンスが独立して高圧を構築し始めました（約40ポンド/平方インチ（2.7 atm）） ）大気中に排出されたエンジン。ロンドンのMeux Breweryで働いていたArthur Wolfは、石炭を節約するために、すでに高圧蒸気を試していました。これにより、エンジンとボイラーを組み合わせて、移動式の道路および鉄道機関車や蒸気船で使用するのに十分なコンパクトで軽量な単一ユニットにすることができました。

トレビシックは多才な才能のある人であり、彼の活動は小さな用途に限定されていませんでした。トレビシックは1812年頃から内部煙道を備えた大型のコーニッシュボイラーを開発しました。これらは、多くのワットポンプエンジンをアップグレードする際にも採用されました。この頃までに、アーサーウルフは、彼はジョセフ・ブラマによって品質管理の分野で訓練を受けたため、効率を改善し、石炭を節約しました。その結果、彼は世界最大の蒸気エンジンの大手メーカーであるコーンウォールのハーベイズ・オブ・ヘイルのチーフエンジニアになりました。

コーニッシュエンジンは、コーンウォールの鉱山の揚水用に1810年代に開発されました。これは、高圧エンジンの排気を使用して凝縮エンジンに動力を供給した結果です。コーニッシュエンジンは、比較的高い効率性で注目されました。

Corlissエンジン

蒸気エンジンの最後の主要な改善は、Corlissエンジンでした。発明者のジョージ・ヘンリー・コリスにちなんで名付けられたこの定置式蒸気エンジンは、1849年に世界に紹介されました。このエンジンは、燃料効率（燃料コストを3分の1以上下げる）、低メンテナンスコスト、30高い発電速度、高い熱効率、および高速および一定速度を維持しながら、軽負荷、重負荷、または変動負荷の下で動作する能力の％向上。エンジンは単純なピストンフライホイール設計を維持する既存の蒸気エンジンに大まかに基づいていましたが、これらの機能の大部分はエンジンのユニークなバルブとバルブギアによってもたらされました。主にスライドバルブギアを使用していた時代に使用されたほとんどのエンジンとは異なり、Corlissはリストプレートを使用して多くの異なるバルブを制御する独自のシステムを作成しました。各シリンダーには4つのバルブが装備されており、シリンダーの両端に排気バルブと吸気バルブがあります。これらのバルブを開閉する一連のイベントを正確に調整することにより、蒸気が正確な速度で流入および放出され、ピストンの直線運動が可能になります。これにより、エンジンの最も注目すべき機能である自動可変カットオフ機構が提供されました。このメカニズムにより、エンジンは、効率を失ったり、停止したり、損傷したりすることなく、さまざまな負荷に応じて設定速度を維持できます。バルブタイミングを調整できる一連のカムギア（本質的にスロットルとして機能）を使用して、エンジンの速度と馬力を調整しました。これは、ほとんどのエンジンのアプリケーションに非常に役立つことが証明されました。繊維産業では、糸が破損する可能性を低くしながら、はるかに高速で生産することができました。冶金学では、圧延機で発生する負荷の極端で急激な変動も、この技術によって打ち消されました。これらの例は、Corlissエンジンが機械と材料の高価な損傷を防ぎながら、はるかに高い生産率をもたらすことができたことを示しています。 「速度の最も完全な調整」と呼ばれていました。

Corlissは、特許が失効するまで、エンジンの生産、集団馬力、および販売の詳細な記録を保持しました。彼はこれを、特許権、保守およびアップグレードの詳細を侵害した人の追跡、特に特許の延長に使用されるデータの追跡など、いくつかの理由で行った。このデータにより、エンジンの影響をより明確に理解できます。 1869年までに、ほぼ1200のエンジンが販売され、合計で118,500馬力になりました。別の推定60,000馬力は、Corlissの特許を侵害している製造業者によって作成されたエンジンによって使用されており、総馬力は約180,000になりました。この比較的少数のエンジンは、米国の合計120万馬力の15％を生産しました。 1870年のすべてのCorlissエンジンの平均馬力は100でしたが、すべての蒸気エンジン（Corlissエンジンを含む）の平均馬力は30でした。一部の非常に大きなエンジンでも1,400馬力のアプリケーションが可能です。多くの人がCorlissエンジンの利点を確信していましたが、特許保護のため採用は遅かったです。 1870年にCorlissが特許延長を拒否されたとき、産業部門の定置エンジンの一般的なモデルになりました。 19世紀の終わりまでに、このエンジンはすでに製造業に大きな影響を及ぼしていました。製造業のエンジンの10％しか占めていませんでしたが、馬力の46％を生産していました。このエンジンは、1878年にロードアイランド州ポータケットの水路の揚水に使用され、鉄道の拡大に不可欠な役割を果たすことにより、非常に大規模な操業を可能にするため、繊維産業以外の効率のモデルにもなりました。ミルズ。 19世紀の多くの蒸気エンジンは交換、破壊、または再利用されてきましたが、Corlissエンジンの寿命は、現在も電源として使用されている一部の蒸留所で明らかになっています。

主な用途

高炉出力

1750年代半ばに、蒸気機関は、ブラストベローズに動力を供給するために、水力に制約のある鉄、銅、および鉛産業に適用されました。これらの産業は鉱山の近くにあり、そのいくつかは鉱山の揚水に蒸気エンジンを使用していました。蒸気エンジンは革のベローズには強力すぎるため、1768年に鋳鉄製の吹込みシリンダーが開発されました。蒸気駆動の高炉は高温になり、鉄高炉の供給でより多くの石灰を使用できるようになりました。 （石灰が豊富なスラグは、以前に使用された温度では自由流動性ではありませんでした。）十分な石灰比率では、石炭またはコークス燃料からの硫黄がスラグと反応し、硫黄が鉄を汚染しません。石炭とコークスは安価で豊富な燃料でした。その結果、18世紀の最後の数十年間に鉄の生産が大幅に増加しました。

水から蒸気への移行

世界の先行する電力供給である水力は、蒸気エンジンの人気が高まる中でも重要な動力源であり続けました。しかし、蒸気エンジンは水力だけでは実現できない多くの利点を提供し、すぐに先進国の主要な動力源になりました（1838年から米国の総電力の5％から80％に上昇しました） -1860）。発電量の増加の可能性が主な利点であると多くの人が考えていますが（蒸気駆動ミルの平均馬力は水駆動ミルの4倍の電力を生成します）、他のものは凝集の可能性を好みます。蒸気エンジンにより、水路の少ない存在を心配することなく、簡単に働き、生産し、販売し、専門化し、実行可能に西に拡張し、川や小川の近くで地理的に孤立していないコミュニティに住むことができました。現在、都市や町は工場の周りに建てられており、蒸気機関が多くの市民の生計の基盤となっています。個人の集積を促進することにより、地元の市場が確立され、しばしば大きな成功を収めました。都市は急速に成長し、最終的に都市化されました。インフラが整備されると生活の質が向上し、材料の取得が難しくならないため、より良い商品を生産できましたそして、高価で直接的な地元の競争はより高い専門性をもたらし、労働力と資本は豊富に供給されていました。施設が蒸気動力を利用したいくつかの郡では、人口の増加が見られることさえありました。これらの蒸気動力の町は、地方および全国規模での成長を促進し、蒸気エンジンの経済的重要性をさらに検証しました。

蒸気船

この経済成長期は、蒸気船の導入と採用によってもたらされたものであり、米国でこれまでに経験した最も偉大な時期の1つでした。 1815年頃、蒸気船は、米国中の貨物の輸送においてはしけおよび平船に取って代わり始めました。蒸気船に先立ち、川は一般に東から西へ、北から南への物品の輸送にのみ使用されていました。流れとの戦いは非常に難しく、しばしば不可能だったからです。非動力のボートといかだは上流で組み立てられ、貨物を下流に運び、旅の終わりにしばしば解体されました。遺骨は家や商業ビルの建設に使用されています。蒸気船の出現に続いて、米国は商品と人々の輸送の信じられないほどの成長を見ました。これは西方への拡大の鍵でした。蒸気船に先立って、ニューオーリンズからルイビルまでの通路を作るのに3〜4ヶ月かかり、1日平均20マイルでした。蒸気船では、25日間から35日間の旅行でこの時間が大幅に短縮されました。これは、農民が作物を他の場所に輸送して販売できるため、農民にとって特に有益でした。

蒸気船は専門性の向上も可能にしました。砂糖と綿は北に出荷され、家禽、穀物、豚肉などの商品は南に出荷されました。残念ながら、蒸気船はまた内部奴隷貿易を支援しました。

蒸気船の登場により、河川システムの改善が必要になりました。自然な川のシステムには、蒸気船の移動と互換性がないか、川が高い特定の月にしか利用できないという特徴がありました。障害物には、急流、砂州、浅瀬、滝などがあります。これらの自然の障害を克服するために、運河、水門、ダムのネットワークが構築されました。この労働需要の増加は、川沿いの途方もない仕事の成長に拍車をかけました。

蒸気船の経済的利益は、船自体の構造と輸送する製品をはるかに超えていました。これらの船は、川沿いの修理施設の需要を生み出すとともに、石炭および保険業界の成長に直接つながりました。さらに、蒸気船が広範囲かつ効率的な新しい目的地への輸送を行ったため、一般に商品の需要が増加しました。

蒸気船が発明され、いくつかの成功した試験を達成した後、それはすぐに採用され、水輸送の方法をさらに迅速に変更することになりました。

1814年、ニューオーリンズ市は21隻の蒸気船の到着を記録しましたが、その後の20年間でその数は1200人以上に爆発しました。主要な輸送源としての蒸気船の役割は確保されました。輸送部門は、蒸気エンジンの適用に続いて大幅に成長し、運河、蒸気船、および鉄道に大きな革新をもたらしました。蒸気船と運河システムは、米国の貿易に革命をもたらしました。蒸気船の人気が高まるにつれて、運河の建設に対する熱意が高まりました。

1816年には、アメリカには100マイルしか運河がありませんでした。しかし、東から西への貿易財の潜在的な増加により、運河がミシシッピ州とオハイオ州の水路と五大湖との間の必要な接続であると多くの人が確信したため、これを変える必要がありました。

鉄道

鉄道での蒸気エンジンの使用は、都市や工場に大量の商品や原材料を届けることができるという点で非常に優れていることが判明しました。列車は、これらをワゴンで移動する費用の何分の1かで遠くの場所に配達できます。すでに鉱山などのさまざまな状況で使用されていた鉄道線路は、最初の機関車が発明された後、新しい輸送手段になりました。