Az első feljegyzett kezdetleges gőzgép az alexandriai Alexandriai Hérón által leírt aeolipil volt az 1. századi római Egyiptomban. Később számos gőzzel működő eszközzel kísérleteztek vagy javasoltak, mint például Taqi al-Din gőzhengerével, a 16. századi oszmán Egyiptomban gőzturbinával és Thomas Savery gőzszivattyújával a 17. századi Angliában. 1712-ben Thomas Newcomen atmoszferikus motorja lett az első kereskedelmi szempontból sikeres, a dugattyú és a henger elvét alkalmazó motor, amely a 20. század elejéig a gőzgépek alapvető típusa volt. A gőzgépet a szénbányákból történő vízszivattyúzásra használták.

Az ipari forradalom idején a gőzgépek kezdték felváltani a víz- és szélenergiát, és végül a 19. század végére a domináns energiaforrássá váltak, és így maradtak a 20. század első évtizedeiben is, amikor a hatékonyabb gőzturbina és a belsőégésű motor a gőzgépek gyors felváltását eredményezte. A gőzturbina lett a legelterjedtebb módszer, amellyel az elektromos áramfejlesztőket hajtják. Jelenleg folynak a dugattyús gőzgép újjáélesztésének gyakorlati lehetőségeit vizsgáló kutatások, amely a fejlett gőztechnológia új hullámának alapja lehet.

Előidéző anyagok

A gőzenergia korai felhasználása

A legkorábbi ismert kezdetleges gőzgépet és reakciós gőzturbinát, az aeolipilt, Hérón matematikus és mérnök írta le az 1. századi római Egyiptomban, amint azt Spiritalia seu Pneumatica című kéziratában feljegyezte. A fúvókákból érintőlegesen kilövellő gőz egy forgó gömböt hozott forgásba. Hőhatása alacsony volt. Ez arra utal, hogy a gőznyomás mechanikus mozgásra való átalakítása ismert volt az 1. századi római Egyiptomban. Hérón egy olyan gépet is kitalált, amely oltártűzben felmelegített levegőt használt egy zárt edényből vízmennyiség kiszorítására. A víz súlyát arra használták, hogy egy rejtett kötelet húzva működtesse a templomajtókat. Egyes történészek összemossák a két találmányt, és tévesen azt állítják, hogy az aeolipil hasznos munkára volt képes.

Malmesburyi Vilmos szerint 1125-ben Reimsben volt egy olyan templom, amelynek orgonáját a "felmelegített víz" által a tömörítésből kiszabaduló levegő működtette, és amelyet nyilvánvalóan Gerbertus professzor tervezett és épített.

Leonardo da Vinci 15. század végi iratai között szerepel egy gőzzel működő ágyú, az Architonnerre terve, amely egy lezárt, vörösen izzó ágyúba hirtelen beáramló forró vízzel működik.

A 16. századi oszmán Egyiptomban Taqi al-Din filozófus, csillagász és mérnök 1551-ben egy kezdetleges ütköző gőzturbinát írt le, amelyben leírta, hogy egy nyársat egy kerék peremén forgó lapátokon játszó gőzsugár segítségével lehet forgatni. Egy hasonló nyársforgató eszközt később John Wilkins is leírt 1648-ban. Ezeket az eszközöket akkoriban "malmoknak" nevezték, de ma már gőzgépek néven ismertek. Egy másik hasonló kezdetleges gőzturbinát Giovanni Branca olasz mérnök 1629-ben mutatott be egy hengeres csigaházas szerkezet forgatására, amely felváltva emelt és engedett le egy mozsárban dolgozó cséplőpárt. E korai gőzturbinák gőzáramlása azonban nem volt koncentrált, és energiájának nagy része minden irányba szétterült. Ez nagy energiapazarlással járt volna, ezért ipari felhasználásukat soha nem vették komolyan fontolóra.

1605-ben Florence Rivault francia matematikus a tüzérségről szóló értekezésében arról a felfedezéséről írt, hogy a víz, ha bombahüvelybe zárják és felmelegítik, felrobbantja a lövedéket.

1606-ban a spanyol Jerónimo de Ayanz y Beaumont bemutatott és szabadalmat kapott egy gőzzel működő vízszivattyúra. A szivattyút sikeresen használták a spanyolországi Guadalcanal elárasztott bányáinak víztelenítésére.

A kereskedelmi gőzgép kifejlesztése Azok a felfedezések, amelyeket Thomas Newcomen 1712-ben egyesített, és amelyek a gőzgépet eredményezték, a következők voltak: A vákuum fogalma (azaz a nyomás környezeti nyomás alá csökkentése). A nyomás fogalma A vákuum létrehozásának technikái A gőz előállításának eszközei A dugattyú és a henger

1643-ban Evangelista Torricelli kísérleteket végzett szívó emelő vízszivattyúkkal, hogy tesztelje azok határait, ami körülbelül 32 láb volt (A légköri nyomás 32,9 láb vagy 10,03 méter. A víz gőznyomása csökkenti az elméleti emelési magasságot). Kísérletet dolgozott ki egy higannyal töltött és egy higanyos tálba (barométer) fordított csővel, és a higanyoszlop felett egy üres teret figyelt meg, amelyről azt feltételezte, hogy nem tartalmaz semmit, azaz vákuumot.

Torricelli hatására Otto von Guericke feltalálta a vákuumszivattyút egy légpisztoly nyomás alá helyezésére használt légszivattyú átalakításával. Guericke 1654-ben bemutatót tartott a németországi Magdeburgban, ahol polgármester volt. Két réz félgömböt egymáshoz illesztettek, és levegőt pumpáltak ki. A félgömbökre erősített súlyok nem tudták őket széthúzni, amíg a légszelepet ki nem nyitották. A kísérletet 1656-ban megismételték két, egyenként 8 lovas csapat segítségével, amelyek nem tudták szétválasztani a magdeburgi féltekéket.

Gaspar Schott írta le először a félteke-kísérletet a Mechanica Hydraulico-Pneumatica (1657) című művében.

Schott könyvének elolvasása után Robert Boyle megépített egy továbbfejlesztett vákuumszivattyút, és ezzel kapcsolatos kísérleteket végzett.

Denis Papin 1663-ban Párizsban, Christiaan Huygensszel és Gottfried Leibnizcel együtt dolgozva kezdett el érdeklődni a vákuum hajtóerő előállítására való felhasználása iránt. Papin 1676 és 1679 között Robert Boyle-nak dolgozott, munkájáról beszámolót tett közzé a Continuation of New Experiments (1680) című könyvében, és 1689-ben előadást tartott a Royal Society előtt. 1690-től Papin kísérletezni kezdett a gőzzel való energiatermelésre szolgáló dugattyúval, és gőzgép-modelleket épített. Kísérletezett atmoszferikus és nyomás alatti gőzgépekkel, eredményeit 1707-ben publikálta.

1663-ban Edward Somerset, Worcester 2. márkija 100 találmányt tartalmazó könyvet adott ki, amelyben a kávéperkolátorhoz hasonló elven működő, emeletek közötti vízemelés módszerét írta le. Az ő rendszere volt az első, amely a kazánt (egy fűtött ágyúcső) elválasztotta a szivattyúzástól. A vizet egy ciszternából egy megerősített hordóba engedték, majd egy szelepet nyitottak, hogy gőzt engedjenek be egy külön kazánból. A nyomás a víz tetején épült fel, és egy csövön felfelé hajtotta azt. A gőzzel működtetett szerkezetét a Raglan vár Nagy tornyának falára szerelte fel, hogy a tornyon keresztül vizet szolgáltasson. A falban lévő barázdák, amelyekbe a motort szerelték, még a 19. században is láthatóak voltak. Senki sem volt azonban hajlandó pénzt kockáztatni egy ilyen forradalmi elképzelésért, és támogatók nélkül a gépezet fejlesztetlen maradt.

Samuel Morland matematikus és feltaláló, aki szivattyúkkal foglalkozott, feljegyzéseket hagyott a Vauxhall Ordinance Office-ban egy gőzszivattyú tervéről, amelyet Thomas Savery elolvasott. Savery 1698-ban megépítette a "The Miner's Friend" nevű gőzszivattyút. Ez vákuumot és nyomást is alkalmazott. Ezeket alacsony lóerős szolgáltatásra használták néhány évig.

Thomas Newcomen kereskedő volt, aki öntöttvas árukkal foglalkozott. Newcomen motorja a Papin által javasolt dugattyús és hengeres konstrukción alapult. Newcomen motorjában a gőzt a henger belsejébe permetezett víz kondenzálta, ami a dugattyút légköri nyomás hatására mozgatta meg. Newcomen első motorját 1712-ben a staffordshire-i Dudley várban, egy bányában szivattyúzásra szerelték fel.

Hengerek

Denis Papin francia fizikus, matematikus és feltaláló volt, aki leginkább a gőzfőző, a nyomástartó edény elődjének úttörő találmányáról ismert. Az 1670-es évek közepén Papin a holland fizikussal, Christiaan Huygensszel közösen dolgozott egy olyan motoron, amely egy hengerből a benne lévő puskapor felrobbantásával hajtotta ki a levegőt. Felismerve az így előállított vákuum tökéletlenségét, és 1680-ban Angliába költözve Papin ugyanennek a hengernek egy olyan változatát dolgozta ki, amely a víz felforralásával, majd a gőz kondenzálódásával teljesebb vákuumot ért el; így a dugattyú végét egy csigán átvezető kötélre erősítve súlyokat tudott emelni. A rendszer demonstrációs modellként működött, de a folyamat megismétléséhez az egész készüléket szét kellett szedni és újra össze kellett szerelni. Papin hamar belátta, hogy az automatikus ciklus megvalósításához a gőzt külön kazánban kell előállítani, a projektet azonban nem vitte tovább. Papin egy malomkeréken játszó sugárral hajtott evezőlapátot is tervezett Taqi al Din és Savery elképzeléseinek kombinációjaként, és számos jelentős szerkezetet, például a biztonsági szelepet is neki tulajdonítják. Papin a gőz hasznosításának problémáival kapcsolatos többéves kutatásai kulcsszerepet játszottak az első sikeres ipari motorok kifejlesztésében, amelyek nem sokkal a halála után készültek el.

Savery gőzszivattyú

Az első iparilag alkalmazott gőzgép a Thomas Savery által 1698-ban tervezett "tűzgép" vagy "Miner's Friend" volt. Ez egy dugattyú nélküli gőzszivattyú volt, hasonlóan a Worcester által kifejlesztetthez. Savery két kulcsfontosságú hozzájárulást tett, amelyek nagymértékben javították a konstrukció gyakorlati hasznosságát. Először is, annak érdekében, hogy a vízellátást a motor alá lehessen helyezni, kondenzált gőzzel részleges vákuumot hozott létre a szivattyútartályban (Worcester példájában a hordóban), és ezt felhasználva húzta felfelé a vizet. Másodszor, a vákuum előállításához szükséges gőz gyors lehűtése érdekében hideg vizet engedett át a tartályon.

A működéshez több szelepre volt szükség; amikor a ciklus elején a tartály üres volt, egy szelepet kinyitottak a gőz beengedéséhez. A szelepet bezárták a tartály lezárásához, és a hűtővízszelepet bekapcsolták a gőz kondenzálásához és a részleges vákuum létrehozásához. Egy ellátószelepet nyitottak, amely a vizet felfelé húzta a tartályba, és a tipikus motor akár 20 láb magasra is képes volt vizet húzni. Ezt bezárták, és a gőzszelepet újra kinyitották, nyomást építve a víz fölé, és felfelé pumpálva azt, mint a Worcester-konstrukcióban. A ciklus lényegében megduplázta a víz szivattyúzható távolságát egy adott gőznyomás mellett, és a gyártási példák körülbelül 40 láb magasra emelték a vizet.

Savery motorja egy olyan problémát oldott meg, amely csak nemrég vált komoly problémává; a víz kiemelése a dél-angliai bányákból, ahogy azok egyre nagyobb mélységbe jutottak. Savery motorja valamivel kisebb hatásfokú volt, mint Newcomené, de ezt ellensúlyozta az a tény, hogy a Newcomen motorja által használt különálló szivattyú nem volt hatékony, így a két motor hatásfoka nagyjából azonos volt, 6 millió láb font per bushel szén (kevesebb mint 1%). A Savery-motor azért sem volt túl biztonságos, mert ciklusának egy része nyomás alatt lévő gőzt igényelt, amelyet egy kazán szolgáltatott, és a korabeli technológiát tekintve a nyomástartó edényt nem lehetett elég erősre készíteni, így robbanásra hajlamos volt. Az egyik szivattyú felrobbanása Broad Watersben (Wednesbury közelében) 1705 körül valószínűleg a találmánya hasznosítására tett kísérletek végét jelentette.

A Savery-motor olcsóbb volt, mint Newcomené, és kisebb méretben gyártották. Néhány építő egészen a 18. század végéig gyártotta a Savery-motor továbbfejlesztett változatait. Bento de Moura Portugal, FRS, bemutatta Savery konstrukciójának egy zseniális javítását, "hogy képessé tegye arra, hogy önmagát működtesse", amint azt John Smeaton az 1751-ben kiadott Philosophical Transactions-ben leírta.

Atmoszférikus kondenzációs motorok

Newcomen "atmoszférikus" motor

Thomas Newcomen volt az, aki 1712-es "atmoszférikus motorjával" a Papin által megállapított lényeges elemek nagy részét egyesítette, hogy kifejlessze az első olyan gyakorlati gőzgépet, amelyre kereskedelmi igény is lehetett. Ez egy felszíni szinten elhelyezett dugattyús gerendamotor alakját vette fel, amely a gerenda egyik végén egymást követő szivattyúkat hajtott meg. A gerenda másik végéhez láncokkal csatlakozó motor a légköri vagy vákuum elvén működött.