كيف يعمل محرك واط البخاري

ماذا يعرض النموذج

قبل جيمس واط، كان المحرك البخاري ينفق معظم فحمه في تسخين أسطوانة الحديد نفسها وتبريدها، 12 مرة أو أكثر في الدقيقة. يعرض هذا النموذج الآلة التي حلّت هذه المشكلة، ثم صارت تدير أعمدة المصانع بدل أن تقتصر على تشغيل المضخات.

إنه محرك دوّار ذو ذراع متأرجحة من النوع الذي بناه بولتون وواط في عقد 1780، معروض بعُشر حجمه الحقيقي ومقطوع من الوسط. الأسطح الحمراء هي أسطح القطع. البخار الحي القادم من المرجل برتقالي، والبخار المستهلك في طريقه إلى المكثّف أزرق فاتح، والماء أزرق داكن. تتبع النسب محرك بولتون وواط من عام 1785 المحفوظ في متحف باورهاوس في سيدني: قطر داخلي 635 mm (25 بوصة)، وشوط 1.83 m (6 أقدام)، وحدّافة قطرها 4.27 m (14 قدمًا).

تعرض لوحة القراءات في الزاوية سرعة الحدّافة، ومقدار فتح الخانق، والقدرة التي يضعها البخار في المكبس، والفحم الذي يحرقه المحرك، والضغط فوق المكبس. ويحفظ خط صغير تحت المخطط آخر 30 ثانية من السرعة (الأحمر) والخانق (الأزرق)، لترى استجابة المنظِّم حين تغيّر الحِمل. والمخطط الذي تحته هو حلقة الضغط والحجم لأعلى الأسطوانة، تُرسم مباشرة بينما يعمل المحرك. والخط الرمادي خلفها هو الحلقة عند الحِمل التصميمي، لترى كيف تتغير حين تحرّك منزلق الحِمل.

لماذا أحرق محرك نيوكومن كل هذا الفحم

كان محرك توماس نيوكومن الجوي لعام 1712 يملأ أسطوانته بالبخار، ثم يرشّ داخلها ماءً باردًا. يتكثّف البخار، فينخفض الضغط في الأسطوانة، ويدفع الهواء الخارجي المكبس إلى أسفل. كان يعمل، لكن كل شوط كان يبرّد جدران الأسطوانة، فكان على دفعة البخار التالية أن تسخّنها من جديد قبل أن تملأ الفراغ. وهكذا ذهب كثير من البخار، ومن الفحم الذي صنعه، في تدفئة الحديد.

واجه واط هذه المشكلة عام 1763، حين طلبت منه كلية غلاسكو إصلاح نموذج لمحرك نيوكومن كان يتوقف مرارًا لقلة البخار. وكان جوابه، الذي جعله يعمل في نموذج بحلول عام 1765، أن يُكثَّف البخار في مكان آخر. مُنح براءته في 5 يناير 1769، وكان أول ما طالبت به أن الأسطوانة «يجب أن تبقى طوال مدة عمل المحرك ساخنة بقدر البخار الذي يدخلها».

المكثّف المنفصل

في النموذج، المكثّف هو الوعاء الحديدي القائم في خزان خشبي من الماء البارد تحت أرضية بيت المحرك. حين ينفتح أحد طرفي الأسطوانة على العادم، يندفع البخار في الأنبوب نازلًا إلى المكثّف، حيث يعيده رذاذ ماء بارد من صنبور الحقن ماءً. يشغل الماء حيزًا أصغر بكثير من البخار، فيبقى الضغط في المكثّف منخفضًا، نحو 0.2 bar في النموذج. ولا تلمس الأسطوانة الماء البارد أبدًا، فتبقى ساخنة.

ينتج التكثيف ماءً، ويدخل بعض الهواء مع البخار أو يتسرب من الوصلات. وتزيل مضخة الهواء المجاورة للمكثّف كليهما. يحرّك دلوَها قضيبٌ معلّق بالذراع المتأرجحة، ويذهب الماء الدافئ الذي ترفعه إلى البئر الساخنة، ومنها يعيده أنبوب التغذية إلى المرجل. ويلخّص متحف العلوم النتيجة ببساطة: المحركات التي فيها مكثّف واط أحرقت فحمًا أقل بمقدار الثلثين.

وتُظهر أرقام النموذج السبب. حين يكون الخانق عند فتحته المرجعية 45%، يصل البخار إلى الأسطوانة بضغط مطلق 1.14 bar، أعلى قليلًا فقط من الهواء الخارجي. ومع انفتاح الجانب الآخر من المكبس على المكثّف عند 0.2 bar، ينجز كل شوط مزدوج نحو 80 kJ من الشغل. ولو أطلق المحرك نفسه عادمه إلى الهواء الطلق عند 1.01 bar، لألغى الضغط الخلفي الدفعة الأمامية ولتوقف المحرك.

بخار على جانبي المكبس

كانت محركات واط الأولى مفردة الفعل مثل محركات نيوكومن: يدفع البخار المكبس إلى أسفل ويعيده وزن قضبان المضخة. ولكي يدير الآلات بسلاسة، سجّل واط براءة الفعل المزدوج في مارس 1782. يعمل البخار على أعلى المكبس في النزول وعلى أسفله في الصعود، والجانب الذي لا يُدفع يكون مفتوحًا على المكثّف.

يستخدم النموذج صمامًا منزلقًا للتبديل. إنه كتلة من النحاس الأصفر مجوّفة من أسفل، تتحرك صعودًا ونزولًا فوق ثلاث فتحات في وجه الصمام. الفتحة العليا تؤدي إلى أعلى الأسطوانة، والسفلى إلى أسفلها، والوسطى إلى العادم. وحين يكشف الصمام إحدى الفتحتين الخارجيتين لصندوق البخار، يصل تجويفه الفتحة الخارجية الأخرى بالعادم.

الحافتان الخارجيتان للصمام أعرض من الفتحتين بهامش يسمى تراكب البخار. وبسبب هذا التراكب، يغلق الصمام البخار الجديد قبل نهاية الشوط بمسافة كبيرة: عند 46% من شوط النزول و55% من شوط الصعود في النموذج. يختلف الرقمان لأن طرف الذراع المتأرجحة يتأرجح على قوس والقضبان ليست لانهائية الطول. وبعد القطع، يواصل البخار المحبوس الدفع وهو يتمدد، فيتوفر البخار. ووصف واط هذا العمل بالتمدد في براءة عام 1782 نفسها.

تحويل تأرجح الذراع إلى دوران

يجب أن يتحرك أعلى ذراع المكبس في خط مستقيم، وإلا مزّق حشوته المحكمة. لكن طرف الذراع المتأرجحة يتحرك على قوس. وكان حل واط عام 1784 هو الحركة المتوازية: مجموعة قضبان مع ذراع نصف قطر مرتبة بحيث ترسم إحدى المفاصل خطًا شبه مستقيم طوال الشوط. وقال واط إنها الاختراع الذي كان أشد فخرًا به. وصلات واط الحقيقية تقارب الخط المستقيم فقط؛ أما النموذج فيُبقي الرأس المنزلق على محور الأسطوانة تمامًا ويحسب مواضع القضبان من هناك.

وعند الطرف الآخر من الذراع المتأرجحة تنزل ذراع توصيل إلى العمود. وبدل المرفق، تحمل ترسًا مثبتًا بها لا يستطيع الدوران عليها. يتعشّق هذا الترس الكوكبي مع ترس شمس بالحجم نفسه على عمود الحدّافة، ويُبقي طوقٌ الترسين معًا. وبينما يُحمل الكوكب حول الشمس، يدور ترس الشمس دورتين مع كل صعود ونزول للمكبس. واستخدمه واط لأن المرفق، وهو الحل البديهي، كما يروي تاريخ الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME)، كان فكرة سجّل براءتها شخص آخر.

تحمل الحدّافة التي قطرها 4.27 m العمود عبر النقطتين الميتتين في كل دورة، حيث يكون المكبس في نهاية شوطه ولا يستطيع أن يدير العمود.

كيف يحافظ المنظِّم على السرعة

يجب أن يعمل محرك المصنع بسرعة شبه ثابتة، سواء كانت الآلات التي يديرها مشغولة أو متوقفة. والمنظِّم الطارد المركزي يفعل ذلك دون أن يراقبه أحد. تتدلى كرتان من النحاس الأصفر على ذراعين من محور يدور بحركة من عمود الحدّافة. وحين يدور المحور أسرع، تتأرجح الكرتان إلى الخارج وإلى أعلى. فترتفع جُلبة، تحرّك ذراعًا زاوية وقضيبًا طويلًا يصل إلى خانق الفراشة في أنبوب البخار فيغلقه قليلًا. يصل إلى الأسطوانة بخار أقل، فيبطئ المحرك. وإذا أبطأ أكثر من اللازم، هبطت الكرتان وانفتح الخانق.

جرّب ذلك في لوحة التحكم. عند الحِمل التصميمي البالغ 30 حصانًا يستقر المحرك عند 40.3 rpm. اخفض الحِمل إلى 10 أحصنة فتتسارع الحدّافة لحظة إلى 42.8 rpm، ثم ينغلق الخانق إلى نحو 8% وتستقر السرعة عند 42.6 rpm. أوقف المنظِّم وكرّر الأمر: يبقى الخانق حيث كان، ويتجاوز المحرك 110 rpm في أقل من دقيقة. ارفع الحِمل إلى 40 حصانًا فينفتح الخانق بالكامل، لكن المحرك يبطئ مع ذلك إلى نحو 29 rpm. وفوق نحو 37 حصانًا عند 40 rpm لا تستطيع الأسطوانة ببساطة أن تقدّم شغلًا كافيًا.

لا يعود منظِّم كهذا أبدًا إلى السرعة الأصلية تمامًا. فهو يحتاج إلى خطأ صغير في السرعة ليُبقي الخانق في موضع جديد، لذلك يعمل المحرك أسرع قليلًا عند الحِمل الخفيف منه عند الحِمل الثقيل. ويسمي المهندسون ذلك الهبوط.

الأرقام محسوبة

تأتي معادلة ارتفاع المنظِّم من البندول المخروطي: الكرة التي تدور حول محور رأسي تستقر حيث يتوازن شدّ ذراعها نحو الداخل مع الجاذبية، على ارتفاع h = g/ω² تحت نقطة التعليق، أيًّا كانت كتلتها. أدِرها أسرع فيصغر h وترتفع الكرتان. وتقدّر الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين قدرة محرك ويتبريد بنحو 35 حصانًا بيانيًا بعد أن صار مزدوج الفعل، على افتراض متوسط ضغط فعّال 10 psi ومن 20 إلى 21 شوطًا في الدقيقة. ويصل النموذج إلى الأرقام نفسها.

نيوكومن مقابل واط على المحرك نفسه

في تبويب التحكم مفتاح اسمه مكثّف منفصل. أوقفه فيعمل النموذج كما كان يعمل محرك نيوكومن: يُرشّ الرذاذ البارد مباشرة في الأسطوانة في نهاية كل شوط، ويبقى وعاء المكثّف معطّلًا. يتغير أمران. يضعف الفراغ، لأن الرذاذ يصارع جدار أسطوانة دافئًا، فيرتفع الضغط الخلفي في النموذج من 0.2 bar إلى 0.55 bar. وتبرد الجدران في كل شوط، فيجب على دفعة البخار التالية أن تسخّنها من جديد قبل أن تدفع.

الأثر الثاني هو الذي سعى إليه واط، وهو الذي يكلّف الفحم. يحسبه النموذج بإضافة البخار المتكثّف على الجدران إلى البخار الذي يؤدي الشغل. مع المكثّف المنفصل يضيف 0.6 kg عن كل كيلوغرام يعمل، وهذا يمثّل أسطوانة ذات قميص ما زالت تفقد بعض الحرارة. ومع الرذاذ في الأسطوانة يضيف 2 kg، فيذهب ثلثا البخار كله في إعادة تسخين الحديد. الرقمان قيمتان من النموذج، اختيرتا لتقع النتيجة قرب «الفحم الأقل بمقدار الثلثين» الذي يذكره متحف العلوم.

تعرض أعمدة المختبر النتيجة للمحرك نفسه عند 40 rpm والخانق مفتوح بالكامل:

أي 3.1 أضعاف الفحم للشغل نفسه. وفي النموذج العامل يظهر الفرق بطريقة ثانية أيضًا. عند الحِمل التصميمي البالغ 30 حصانًا لا يصمد إعداد نيوكومن: ينفتح الخانق إلى آخره، وتنخفض السرعة، ويتوقف المحرك. اخفض الحِمل إلى 15 حصانًا فيثبت عند 40.6 rpm، لكنه يحرق 239 kg من الفحم في الساعة مقابل 87 kg لإعداد واط عند الحِمل نفسه.

الفحم لكل حصان في الساعة، محسوبًا

كان مهندسو زمن واط يقارنون المحركات بمقدار الشغل الذي تنجزه بكمية معيّنة من الفحم. ويجري النموذج الحساب نفسه خطوة خطوة، عند الحِمل التصميمي والمنظِّم يعمل:

اثنان من هذه الأرقام افتراضان لا نتيجتان: مرجل النموذج يصنع 6 kg من البخار من كل كيلوغرام من الفحم، والفحم يحوي 29 MJ في الكيلوغرام. كلاهما قيمة من النموذج. غيّر أيًّا منهما فيتحرك معه كل رقم تحته في الجدول.

يستحق السطر الأخير قراءة متأنية. من كل مئة وحدة من حرارة الفحم، يصل أقل من ثلاث إلى المكبس شغلًا. ويذهب الباقي في المدخنة، وفي الماء البارد في الخزان، وفي الماء الدافئ الذي تلقيه مضخة الهواء في البئر الساخنة. في النموذج يعطي كيلوغرام واحد من الفحم 0.78 MJ من الشغل عند المكبس. وهذا يكفي لرفع طن من الماء 80 مترًا، وهو نوع العمل الذي كانت هذه المحركات تُشترى من أجله. وفي إعداد نيوكومن يعطي الكيلوغرام نفسه 0.27 MJ.

ما الحصان

تعرض قراءة القدرة الحصان أولًا لأنه الوحدة التي قدّر بها واط محركاته. الحصان الواحد هو 33,000 قدم·رطل من الشغل في الدقيقة: قوة 33,000 رطل تتحرك قدمًا واحدة، أو 330 رطلًا تتحرك 100 قدم، كل دقيقة. ويذكر المعهد الوطني للمعايير والتقانة في الولايات المتحدة (NIST) أن التحويل 550 قدم·رطل في الثانية، أي 745.7 واط. يقسم النموذج على هذا الرقم ليحوّل الواط إلى حصان، فتظهر 26.1 kW على أنها 35.0 حصان.

ويظهر رقم الكيلوواط بجانبه لأن كل شيء تقريبًا يُقدّر اليوم بالواط. وبوحدة واط نفسه، كانت قدرة محرك سيدني بعد تجديده، من 10 إلى 15 حصانًا، تعادل عمل 10 إلى 15 حصانًا حقيقيًا بلا راحة.

قطع البخار مبكرًا

رأى واط أن البخار الموجود في الأسطوانة يستطيع أن يواصل العمل بعد إغلاق الصمام، ومنزلق قطع البخار يتيح لك تجربة ذلك. فهو يحدد إلى أي جزء من الشوط يظل البخار الجديد داخلًا. الصمام المنزلق في النموذج صمام حقيقي، لذلك يغيّر تعديلُ القطع تراكبَه وزاوية تقدمه، ويتغير أيضًا الموضع الذي ينفتح فيه العادم. ودون تقدم مسبق، فإن صمامًا تراكبه جزء L من مشواره يقطع البخار عند موضع للمكبس يساوي تقريبًا cos²δ، حيث sin δ = L. وتعطي زاوية 45° في النموذج قطعًا قرب منتصف الشوط.

يفيد التمدد لأن البخار المحبوس يواصل الدفع مجانًا. إذا تمدد بخار عند درجة حرارة ثابتة إلى ضعف حجمه، أنجز 1 + ln 2 = 1.69 ضعف الشغل الذي أنجزه أثناء دخوله. وإذا تمدد أربعة أضعاف، أنجز 2.39 ضعفًا. لذلك يستخرج القطع المبكر شغلًا أكثر من كل كيلوغرام من البخار.

لكن القطع المبكر يعني أيضًا بخارًا أقل في كل شوط، وبالتالي قدرة أقل. اضبط القطع على 25% عند ضغط واط البالغ 1.45 bar فلا يستطيع المحرك حمل 30 حصانًا: يبطئ ويتوقف. ارفع ضغط المرجل إلى 2.5 bar فيعود فيثبت عند 41.4 rpm والخانق مفتوح 24% فقط، مستهلكًا 2.4 kg من الفحم لكل حصان·ساعة بدل 3.4. وهذا هو الطريق الذي سلكه المهندسون اللاحقون. فقد استخدمت محركات الضخ الكورنيشية في سنوات 1800 بخارًا عالي الضغط وقطعته مبكرًا؛ اضبط النموذج على قطع 20% عند 3.5 bar، مفرد الفعل، فتعرض الأعمدة 1.8 kg لكل حصان·ساعة.

مفرد الفعل ومزدوج الفعل

يسمح مفتاح مزدوج الفعل بدخول البخار إلى أسفل الأسطوانة أو يمنعه. حين يُطفأ، يبقى أسفل المكبس مفتوحًا دائمًا على المكثّف، كما في محركات الضخ الأولى لواط. ينخفض الشغل لكل شوط مزدوج إلى النصف، ويعطي النموذج عند الخانق الكامل 20 حصانًا بدل 42. وعند الحِمل التصميمي البالغ 30 حصانًا يتباطأ المحرك مفرد الفعل حتى يتوقف. وعند 15 حصانًا يثبت عند نحو 38 rpm والخانق مفتوح 84%.

ويمكنك أن ترى الفرق على المسرح أيضًا. في إعداد الفعل المفرد يبقى أسفل الأسطوانة أزرق فاتحًا طوال الوقت، وتقضي نقطة p-V على المخطط نصف كل دورة على خط المكثّف.

محركات من التاريخ

تضم قائمة «محركات من التاريخ» 76 محركًا، من مضخة سيفري سنة 1698 إلى محطة فحم حديثة. يمكنك البحث بالاسم أو السنة أو المكان، والتصفية حسب البلد والاستخدام: مضخات المناجم والمياه، والمصانع والمطاحن، والقاطرات ومركبات الطرق، والسفن، والكهرباء، والنماذج أو البراءات. اختيار محرك يفعل أمرين: يعرض نوعه المناسب على المنصة، وهو أحد الأنواع الستة أدناه، ويغيّر إعدادات نموذج واط الأربعة لتمثيله: وجهة العادم (حقن داخل الأسطوانة، أو مكثّف منفصل، أو الهواء)، والفعل المفرد أو المزدوج، وقطع البخار، وضغط المرجل. تصف هذه الإعدادات نوع المحرك، لا قياسات الآلة المحددة نفسها.

تنقل الملاحظات تحت القائمة ما تقوله المتاحف والمؤسسات عن كل محرك. بعضها يذكر رقمًا للقدرة، فيُعرض على أنه رقم المحرك الحقيقي: 1,000 حصان لمحرك السفينة إس إس غريت بريتن عام 1843، و1,400 حصان لمحرك كورليس الذي أدار قاعة الآلات في معرض المئوية عام 1876، و700 حصان لمحرك مصنع بيرنلي من عام 1903. والخيار الأخير ليس محركًا ذا مكبس أصلًا. فقد استهلكت محطات الفحم الأمريكية عام 2024 في المتوسط 10,777 Btu من الوقود لكل كيلوواط ساعة أنتجته، وبما أن الكيلوواط ساعة يساوي 3,412 Btu، فهذه كفاءة 31.7%. ما زالت تغلي الماء وتمدّد البخار وتكثّفه، لكن في توربينات وعند ضغط ودرجة حرارة أعلى بكثير.

وتُظهر خيارات القاطرات لماذا استطاعت السكك الحديدية الاستغناء عن المكثّف. يطلق إعداد من نوع روكيت العادم إلى الهواء عند 1.01 bar، وهذا عند ضغط واط لا يترك شيئًا تقريبًا. أما عند 4.4 bar فيكفي الضغط ليدفع مقابل الغلاف الجوي وينجز شغلًا مع ذلك، على حساب فحم أكثر لكل حصان.

ستة محركات على منصة واحدة

تستبدل الأزرار أسفل المنصة محرك واط بخمسة محركات أخرى. يتحرك كل منها، وتتغير القراءات إلى ضغطه وكفاءته واستهلاكه الفحم وسرعته. توضّح علامة صغيرة بعد كل رقم أصله: «المصدر» يربط بصفحة المتحف أو المعلم التاريخي، و«النموذج» يعني أن نموذج هذه الصفحة حسب القيمة لهذا النوع من المحركات.

نيوكومن، 1712. تقف الأسطوانة المفتوحة من أعلى فوق مرجل على هيئة كومة قش. يملؤها البخار تحت المكبس عند ضغط قريب من ضغط الهواء. يكثّفه رذاذ ماء بارد من الخزان على الجدار، فيدفع الهواء فوق المكبس إياه إلى أسفل. تُبقي السلاسل على رأسي الذراع المقوّسين قضيب المكبس وقضيب المضخة في حركة رأسية مستقيمة. يقدّر جون لينهارد من جامعة هيوستن كفاءة محركات نيوكومن الأولى بنحو ثلث الواحد بالمئة؛ لذلك أنجز 1 كغ من الفحم ذي الطاقة 29 MJ نحو 0.1 MJ من الشغل. وظل محرك أولد سارة الجوي قرب ويكفيلد، المحفوظ في متحف العلوم، يضخ من عمق 330 ft في 1917 بنحو 5 أشواط في الدقيقة.

واط، 1785. هو المحرك الذي تتناوله بقية هذه الصفحة. يعطي النموذج مع المكثّف المنفصل عند 1.45 bar كفاءة 2.8% واستهلاك 3.3 كغ من الفحم لكل حصان في الساعة.

تريفيثيك، 1805. عمل محرك Hazledine and Co. في متحف العلوم عند نحو 50 psi فوق الضغط الجوي، أي 4.46 bar مطلقًا، وأنتج 3 hp. غُمرت الأسطوانة في المرجل ليصل البخار ساخنًا، ويخرج العادم عبر المدخنة، فلا مكثّف ولا ذراع متأرجحة. يعطي النموذج كفاءة 2.3%: يعوّض الضغط العالي معظم الفقد الناتج عن طرح البخار عند الضغط الجوي، بمحرك أصغر كثيرًا.

روكيت، 1829. تقول مجموعة متحف العلوم إن قاطرة ستيفنسون جمعت المرجل متعدد الأنابيب وأنبوب نفث العادم. يندفع عادم الأسطوانتين المائلتين في المدخنة ويسحب غازات النار عبر الأنابيب؛ فكلما اشتد عمل المحرك اشتعلت النار أكثر. مع الضغط العالي نفسه ودون مكثّف، يعطي النموذج 2.2%.

التمدد الثلاثي، 1894. يمر البخار عبر ثلاث أسطوانات تتزايد أحجامها، فتعمل كل منها ببخار تمدد في سابقتها. محرك ضخ ليفيت في تشستنت هيل ببوسطن معلم تاريخي معتمد لدى ASME. عمل في الاختبارات عند 175.7 psi، أي 13.1 bar مطلقًا، و50.6 rpm، وأحرق 1.146 lb من الفحم لكل حصان في الساعة. يساوي ذلك 0.52 كغ، وعند 29 MJ لكل كغ تكون الكفاءة 17.8%، أي ستة أمثال نموذج واط. يعطي كتيّب ASME للمحرك وحده، بالقياس على البخار، كفاءة 20.8%. ظلت سفن ليبرتي في الحرب العالمية الثانية، مثل إس إس جيرمايا أوبراين، تستخدم محركًا ثلاثي التمدد بقدرة 2,500 hp.

توربين بارسونز، 1884. لا مكبس هنا. في النموذج يدخل البخار من وسط الغلاف ويتمدد عبر صفوف الريش المتحركة على الدوّار والثابتة على الغلاف، فيدير العمود مباشرة. تذكر مجموعة متحف العلوم سرعة 18,000 rpm لتوربين بارسونز الأول، وهي مناسبة لمولّد كهربائي، لكنها لا تعطي كفاءة، وتبيّن القراءة ذلك. وبحلول 1892 ساوت ثلاثة توربينات بارسونز بقدرة 100 kW مع مكثّفات في كامبريدج، في الاختبار، كفاءة أفضل المحركات المكبسية المماثلة حجمًا. وتعرض القراءة محطة فحم حديثة للمقارنة: 31.7%.

كيلوغرام من الفحم، محركًا بعد آخر

في سباق الكفاءة تحت أدوات التحكم، يحرق كل محرك 1 كغ من الفحم ويرفع الماء 10 م. يتطلب رفع كيلوغرام واحد 10 م شغلًا قدره 9.81 × 10 = 98.1 J. ويحتوي 1 كغ من الفحم على 29 MJ، فتكون كتلة الماء المرفوع 29,000,000 × الكفاءة ÷ 98.1 كغ.

حُسب صفّان من استهلاك الفحم. أحرق محرك بيل وويليامز وبيل ذو الذراع المتأرجحة، من سنة 1846، نحو 6 lb لكل حصان في الساعة، أي 2.72 كغ وكفاءة 3.4%. أما 1.146 lb لمحرك ليفيت فتساوي 0.52 كغ و17.8%. وقيمة 11% لمحرك كورنوال هي الكفاءة الكلية التي تذكرها ASME لمحرك 80 inch في كورنوال سنة 1835. ويذكر الكتيّب نفسه أن محركات كورنوال في عقد 1830 حرّكت ماءً أكثر بأربعة إلى خمسة أمثال لكل طن فحم مقارنة بأفضل محركات واط. وتحسب ورقة ASEE لمحرك سميتون في لونغ بنتون كفاءة نحو 1.4% من شغله البالغ 9.45 مليون قدم·رطل لكل بوشل فحم. من محرك نيوكومن الأول إلى محطة حديثة، صار الفحم نفسه يرفع ماءً أكثر 96 مرة.

رُسمت الأعمدة على مقياس لوغاريتمي، حيث تعني كل خطوة على المحور عشرة أمثال سابقتها، لأن المقياس الخطي سيجعل عمود نيوكومن أقصر من أن يُرى. ويضع الرسم تحت السباق المحركات التسعة نفسها على خط زمني.

المهام وصمام الأمان

تطلب المهام السبع تحت أدوات التحكم تجربة خاصية واحدة في كل مرة. تحتاج ثلاث منها نموذج واط: ثلاثة أمثال شغل نيوكومن بالفحم نفسه، والحفاظ على 40 rpm تحت حمل 60 hp، وكفاءة أعلى من 4% بقطع البخار أبكر ورفع ضغط المرجل. عند 1.45 bar تهبط سرعة النموذج دون 38 rpm قرب 37 hp ويتوقف بحلول 50 hp، لذا يجب أولًا رفع المرجل إلى 2.5 bar أو أكثر في مهمة الحمل. تستخدم الرابعة صمام الأمان، وهو ذراع مثقلة فوق المرجل. حُدّد مرجل النموذج الشبيه بالعربة عند 3.5 bar، وهي قيمة اخترناها لمرجل منخفض الضغط بهذا الشكل. إذا تجاوزت الإعدادات هذا الحد والصمام يعمل، ارتفعت الذراع وطرحت البخار، فيواصل المحرك العمل عند 3.5 bar. وإذا أوقفت الصمام حذّرت القراءة من خطر المرجل.

المقاييس والدخان

يعرض قرصان على النموذج الضغطين اللذين كان سائق المحرك يراقبهما. يقرأ مقياس ضغط البخار على الأنبوب بجانب الأسطوانة صندوق الصمام بعد الخانق، لذلك تنخفض إبرته حين يغلق المنظِّم الخانق. ويقرأ مقياس الفراغ على المكثّف 0.2 bar مع مكثّف واط و0.55 bar في إعداد نيوكومن. ويتبع دخان المدخنة الفحم الذي يحرقه النموذج: يزداد كثافة حين ترفع الحِمل أو تختار إعدادًا مسرفًا.

قراءة حلقة الضغط والحجم

تتبّع النقطة الحمراء في اتجاه عقارب الساعة. الجزء العلوي المستوي هو الإدخال، حين يكون أعلى الأسطوانة مفتوحًا على صندوق البخار. والمنحنى الهابط منه هو التمدد بعد القطع، حيث ينخفض الضغط مع ازدياد الحجم. وعند 84% من الشوط يفتح الصمام أعلى الأسطوانة على العادم فيهبط الضغط إلى خط المكثّف. وفي شوط العودة يغلق الصمام العادم قبل أن يبلغ المكبس القمة، فيُضغط آخر البخار في الحيز الميت ويخفف اندفاع المكبس. والمساحة داخل الحلقة هي الشغل المنجز على ذلك الجانب من المكبس في دورة واحدة.

اخفض الحِمل وراقب الحلقة تنكمش. يغلق المنظِّم الخانق، فينخفض الضغط في صندوق البخار، ويهبط الجزء العلوي المستوي من الحلقة. ويسمى هذا التنظيم بالخنق: يقطع المحرك البخار دائمًا عند النقطة نفسها، لكنه يعمل ببخار أخفّ.

أين يختلف النموذج عن المحركات الحقيقية

يُدخل محرك عام 1785 البخار عبر صمامات قرصية، لا عبر صمام منزلق. استخدمنا صمامًا منزلقًا لأن قطعة متحركة واحدة تُظهر كل أحداث الصمام. طول ذراع التوصيل الحقيقية 5.5 m، أطول من 4 m في النموذج، واستُبدلت الذراع المتأرجحة لمحرك ويتبريد بأخرى من الحديد الزهر بعد سنوات من بنائه، أما ذراعنا فمن البلوط. وضغط المرجل اختيارنا: 1.45 bar مطلقًا، ليبقى صندوق الصمام بعد الأنبوب والخانق أعلى قليلًا من الضغط الجوي، قريبًا من 3 psi فوق الضغط الجوي التي تقترحها ASME. والحدّافة أيضًا أخف من الحقيقية، ليستقر تغيّر الحِمل في ثوانٍ لا في دقائق.

من نموذج المكثّف إلى محرك لاب

بنى واط نموذج مكثّفه عام 1765 ونال البراءة عام 1769. وبعد أن دخل في شراكة مع ماثيو بولتون، وُضعت البراءة موضع التطبيق عام 1776، في محرك ضخ لمنجم ومحرك نفخ لمصنع حديد. وتقول ASME إنهما أحرقا ثلث الوقود المعتاد في ذلك الوقت. ثم جاءت الحركة الدورانية: براءة واط لـ«الحركة الدائرية حول محور»، التي شملت ترس الشمس والكوكب، مؤرخة في 25 أكتوبر 1781. وتبعها الفعل المزدوج والعمل بالتمدد في مارس 1782، والحركة المتوازية في أغسطس 1784.

رُكّب محرك مصنع جعة ويتبريد في سيدني عام 1785، وربما كان سادس محرك دوّار تصنعه الشركة، وعمل 102 عام حتى 1887. ويقول متحف باورهاوس إنه جُدّد لترتفع قدرته من 10 إلى 15 حصانًا، وإن منظِّمه أُضيف في عقد 1790. ومحرك لاب لعام 1788، الموجود اليوم في متحف العلوم في لندن، أدار أقراص الصقل في مصنع سوهو لبولتون مدة 70 عامًا. وتسجّله ASME على أنه أول محرك زُوّد بمنظِّم طارد مركزي. قدّره واط بقدرة 10 أحصنة، وقاس اختبار عام 1858 قدرته بـ 13.75. وإجمالًا بنى بولتون وواط نحو 500 محرك، نحو 60% منها دوّارة.