История изобретения паровых машин. Создание паровой машины
Возможности в использовании энергии пара были известны в начале нашей эры. Это подтверждает прибор под названием Героновский эолипил, созданный древнегреческим механиком Героном Александрийским. Древнее изобретение можно отнести к паровой турбине, шар которой вращался благодаря силе струй водяного пара.
Приспособить пар для работы двигателей стало возможным в XVII веке. Пользовались подобным изобретением недолго, однако оно внесло существенный вклад в развитие человечества. К тому же история изобретения паровых машин очень увлекательна.
Понятие
Паровая машина состоит из теплового двигателя внешнего сгорания, который из энергии водяного пара создает механическое движение поршня, а тот, в свою очередь, вращает вал. Мощность паровой машины принято измерять в ваттах.
История изобретения
История изобретения паровых машин связана со знаниями древнегреческой цивилизации. Долгое время трудами этой эпохи никто не пользовался. В XVI веке была предпринята попытка создать паровую турбину. Работал над этим в Египте турецкий физик и инженер Такиюддин аш-Шами.
Интерес к этой проблеме вновь появился в XVII веке. В 1629 году Джованни Бранка предложил свой вариант паровой турбины. Однако изобретения теряли большое количество энергии. Дальнейшие разработки требовали соответствующих экономических условий, которые появятся позднее.
Первым, кто изобрел паровую машину, считается Дени Папен. Изобретение представляло собой цилиндр с поршнем, поднимающимся за счет пара и опускающимся в результате его сгущения. Такой же принцип работы имели устройства Сэвери и Ньюкомена (1705). Оборудование применяли для выкачивания воды из выработок при добыче полезных ископаемых.
Окончательно усовершенствовать устройство удалось Уатту в 1769 году.
Изобретения Дени Папена
Дени Папен был по образованию медиком. Родившись во Франции, в 1675 году он переехал в Англию. Он известен многими своими изобретениями. Одним из них является скороварка, которую называли «Папенов котел».
Ему удалось выявить зависимость между двумя явлениями, а именно температурой кипения жидкости (воды) и появляющимся давлением. Благодаря этому он создал герметичный котел, внутри которого давление было повышено, из-за чего вода закипала позже обычного и повышалась температура обработки помещенных в него продуктов. Таким образом увеличивалась скорость приготовления пищи.
В 1674 году медик-изобретатель создал пороховой двигатель. Его работа заключалась в том, что при возгорании пороха в цилиндре перемещался поршень. В цилиндре образовывался слабый вакуум, и атмосферное давление возвращало поршень на место. Образующиеся при этом газообразные элементы выходили через клапан, а оставшиеся охлаждались.
К 1698 году Папену удалось создать по такому же принципу агрегат, работающий не на порохе, а на воде. Таким образом, первая паровая машина была создана. Несмотря на существенный прогресс, к которому могла привести идея, существенной выгоды она своему изобретателю не принесла. Связано это было с тем, что ранее другой механик, Сейвери, уже запатентовал паровой насос, а другого применения для подобных агрегатов к этому времени еще не придумали.
Дени Папен умер в Лондоне в 1714. Несмотря на то, что первая паровая машина была изобретена им, он покинул этот мир в нужде и одиночестве.
Изобретения Томаса Ньюкомена
Более удачливым в плане дивидендов оказался англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. Из них он взял все лучшие идеи.
Уже к 1712 году в сотрудничестве с мастером по стеклам и водопроводам Джоном Калли он создал свою первую модель. Так продолжилась история изобретения паровых машин.
Кратко можно пояснить созданную модель так:
Агрегат Ньюкомена подымал воду из копей с помощью воздействия атмосферного давления. Машина отличалась солидными размерами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовали в шахтах полвека. Она даже позволила вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за подтопления грунтовыми водами.
В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, откачав воду из корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей смогла бы сделать это за год.
Из-за того, что машина была создана на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для движения транспортного средства, но неудачно. На этом история изобретения паровых машин не прекратилась.
Изобретение Уатта
Первым изобрел оборудование компактных размеров, но достаточно мощное, Джеймс Уатт. Паровая машина была первой в своем роде. Механик из университета Глазго в 1763 году принялся чинить паровой агрегат Ньюкомена. В результате ремонта он понял, как сократить расход топлива. Для этого необходимо было держать цилиндр в постоянно нагретом состоянии. Однако паровая машина Уатта не могла быть готова, пока не решилась проблема конденсации пара.
Решение пришло, когда механик проходил мимо прачечных и заметил, что клубы пара выходят из-под крышек котлов. Он понял, что пар – это газ, и ему нужно перемещаться в цилиндре с пониженным давлением.
Добившись герметичности внутри парового цилиндра с помощью пеньковой веревки, пропитанной маслом, Уатт смог отказаться от атмосферного давления. Это стало большим шагом вперед.
В 1769 году механик получил патент, в котором прописывалось, что температура двигателя в паровой машине будет всегда равна температуре пара. Однако дела незадачливого изобретателя шли не так хорошо, как ожидалось. Он был вынужден заложить патент за долги.
В 1772 году он знакомится с Мэтью Болтоном, который был богатым промышленником. Тот выкупил и вернул Уатту его патенты. Изобретатель вернулся к работе, поддерживаемый Болтоном. В 1773 году паровая машина Уатта прошла испытание и показала, что потребляет угля значительно меньше своих аналогов. Через год в Англии начался выпуск его машин.
В 1781 году изобретателю удалось запатентовать свое следующее творение – паровую машину для приведения в движение промышленных станков. Спустя время все эти технологии позволят двигать при помощи пара поезда и пароходы. Это полностью перевернет жизнь человека.
Одним из людей, изменивших жизнь многих, стал Джеймс Уатт, паровая машина которого ускорила технический прогресс.
Изобретение Ползунова
Проект первой паровой машины, которая могла приводить в действие разнообразные рабочие механизмы, был создан в 1763 году. Разработал его русский механик И.Ползунов, работавший на горнорудных заводах Алтая.
Начальник заводов был ознакомлен с проектом и получил добро на создание устройства из Петербурга. Паровая машина Ползунова была признана, и работа по ее созданию была возложена на автора проекта. Последний хотел сперва собрать модель в миниатюре, чтобы выявить и устранить возможные недочеты, которые не видны на бумаге. Однако ему приказали начать строительство большой мощной машины.
Ползунову предоставили помощников, из которых двое были склонны к механике, а двое должны были выполнять подсобные работы. На создание паровой машины ушел один год и девять месяцев. Когда паровая машина Ползунова была почти готова, он заболел чахоткой. Умер создатель за несколько дней до проведения первых испытаний.
Все действия в машине проходили автоматически, она могла работать беспрерывно. Это было доказано в 1766 году, когда ученики Ползунова провели последние испытания. Спустя месяц оборудование было сдано в эксплуатацию.
Машина не просто окупила затраченные средства, но и дала прибыль своим владельцам. К осени котел дал течь, и работы остановились. Агрегат можно было починить, но это не заинтересовало заводское начальство. Машина была заброшена, а спустя десятилетие разобрана по ненадобности.
Принцип действия
Для работы всей системы необходим паровой котел. Образовавшийся пар расширяется и давит на поршень, в результате чего происходит движение механических частей.
Принцип действия лучше изучить с помощью иллюстрации, представленной ниже.
Если не расписывать детали, то работа паровой машины заключается в преобразовании энергии пара в механическое движение поршня.
Коэффициент полезного действия
КПД паровой машины определяется отношением полезной механической работы по отношению к затраченному количеству тепла, которое содержится в топливе. В расчет не берется энергия, которая выделяется в окружающую среду в качестве тепла.
КПД паровой машины измеряется в процентах. Практический КПД будет составлять 1-8%. При наличии конденсатора и расширении проточной части показатель может возрасти до 25%.
Преимущества
Главным преимуществом парового оборудования является то, что котел в качестве топлива может использовать любой источник тепла, как уголь, так и уран. Это существенно отличает его от двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от типа последнего требуется определенный вид топлива.
Локомотивы, работающие на пару, хорошо показывают себя на большой высоте. Эффективность их работы не страдает от пониженного в горах атмосферного давления. Паровозы до сих пор применяют в горах Латинской Америки.
В Австрии и Швейцарии используют новые версии паровозов, работающих на сухом пару. Они показывают высокую эффективность благодаря многим усовершенствованиям. Они не требовательны в обслуживании и потребляют в качестве топлива легкие нефтяные фракции. По экономическим показателям они сравнимы с современными электровозами. При этом паровозы значительно легче своих дизельных и электрических собратьев. Это большое преимущество в условиях горной местности.
Недостатки
К недостаткам относится, прежде всего, низкий КПД. К этому стоит добавить громоздкость конструкции и тихоходность. Особенно это стало заметно после появления двигателя внутреннего сгорания.
Применение
Кто изобрел паровую машину, уже известно. Осталось узнать, где их применяли. До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.
Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели:
Паровые турбины также относятся к данному оборудованию. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% мировой электроэнергии вырабатывается с применением паровых турбин.
В свое время были созданы различные виды транспорта, работающие на паровом двигателе. Некоторые не прижились из-за нерешенных проблем, а другие продолжают работать и в наши дни.
Транспорт с паровым двигателем:
Такова история изобретения паровых машин. Кратко можно рассмотреть удачный пример о гоночном автомобиле Серполле, созданном в 1902 году. На нем был установлен мировой рекорд по скорости, который составил 120 км в час на суше. Именно поэтому паровые авто были конкурентоспособными по отношению к электрическим и бензиновым аналогам.
Так, в США в 1900 году больше всего было выпущено паровых машин. Они встречались на дорогах до тридцатых годов ХХ века.
Большая часть подобного транспорта стала непопулярной после появления двигателя внутреннего сгорания, чей КПД значительно выше. Такие машины были более экономичными, при этом легкими и скоростными.
Стимпанк как веяние эпохи паровых машин
Все произведения имеют одну отличительную особенность – они повествуют о жизни второй половины XIX века, стиль повествования при этом напоминает роман Герберта Уэллса «Машина времени». В сюжетах описываются городские пейзажи, общественные строения, техника. Особое место уделяется дирижаблям, старинным машинам, причудливым изобретениям. Все металлические детали крепились при помощи клепок, поскольку сварку еще не применяли.
Термин «стимпанк» возник в 1987 году. Его популярность связана с появлением романа «Разностная машина». Написан он был в 1990 году Уильямом Гибсоном и Брюсом Стерлингом.
В начале XXI века в этом направлении было выпущено несколько известных кинофильмов:
К предтечам стимпанка можно отнести произведения Жюля Верна и Григория Адамова. Интерес к этому направлению время от времени проявляется во всех сферах жизни – от кинематографа до повседневной одежды.
Паровая машина Уатта
Справочно. Пароатмосферная машина Ньюкомена использовалась для откачки воды в шахтах и получила широкое распространение в XVIII веке. Главной проблемой двигателя была крайне низкая эффективность (КПД менее 1%). Поэтому машина по большей части использовалась в угольной промышленности, где уголь был доступен за значительно меньшую цену, чем в других регионах куда уголь надо было доставить на гужевом транспорте.
Машина Ньюкомена.
В 1782 году Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия, крышку цилиндра он оснастил, изобретенным незадолго до того сальником, который обеспечивал свободное движение штока поршня, но предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать.
Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась для приведения в действие машин и станков прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Таким образом, паровая машина Уатта стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. В 1785 году одна из первых машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу вместо 24 лошадей. Диаметр ее цилиндра равнялся 63 см, рабочий ход поршня составлял 1,83 м, а диаметр маховика достигал 4,27 м. Машина сохранилась до наших дней, и сегодня ее можно увидеть в действии в сиднейском музее » Пауэрхауз».
Дж. Уатт с моделью своей паровой машины.
Паровая машина Дэни Папена.
Паровой двигатель Ньюкомена:
В 1740 году машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю. В 1775 году еще большая машина, построенная Джоном Смитоном (создателем Эддистоунского маяка), за две недели осушила сухой док в Кронштадте (Россия). Ранее с использованием высоких ветряков на это требовался целый год. И тем не менее, машина Ньюкомена была далека до совершенства. Она преобразовывала в механическую энергию всего лишь около 1 % тепловой энергии и, как следствие, пожирала огромное количество топлива, что, впрочем, не имело особого значения, когда машина работала на угольных шахтах. В целом машины Ньюкомена сыграли огромную роль в сохранении угольной промышленности: с их помощью удалось возобновить добычу угля во многих затопленных шахтах. Проект первой в мире паровой машины, способной непосредственно приводить в действие любые рабочие механизмы, предложил 25 апреля 1763 года русский изобретатель И. И. Ползунов, механик на Колывано-Воскресенских горнорудных заводах Алтая. Проект попал на стол к начальнику заводов, который одобрил его и отослал в Петербург, откуда вскоре пришел ответ: «. Сей его вымысл за новое изобретение почесть должно».
Паровая машина Ползунова, схема
Паровая машина Ползунова получила признание. Ползунов предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную машину для мощной воздуходувки. Постройку машины поручили Ползунову, в помощь которому были выделены «не знающие, но только одну склонность к тому имеющие из здешних мастеровых двое» да еще несколько подсобных рабочих. С этим штатом Ползунов приступил к постройке своей машины. Строилась она год и девять месяцев. Когда машина уже прошла первое испытание, изобретатель заболел скоротечной чахоткой и за несколько дней до завершающих испытаний умер. 23 мая 1766 года ученики Ползунова Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины.
Демонстрация поезда, построенного Ричардом Тревитиком, на кольцевой узкоколейке, проложенной специально для этого в Лондоне неподалеку от Юстон-сквера, 1808 год.
Применение паровой машины
Первые паровые локомотивы были построены Ричардом Тревитиком в 1800-1801 годах и применялись на шахтах, где заменили вагонетки, которые, начиная с 1550 года, катали по деревянным рельсам лошади, женщины и дети. Самый известный паровой локомотив Тревитика в 1804 году возил железную руду на заводе Пен-и-Даррен в Южном Уэльсе. Он проходил маршрут протяженностью 14,5 км с максимальной скоростью 8 км/ч и доказал, что машина с гладкими колесами может вполне нормально передвигаться по столь же гладким металлическим рельсам. Локомотивы для работы на шахтах строили также Джон Бленкинсоп, Уильям Хедли и Джордж Стефенсон. Первая пассажирская железная дорога, соединившая Стоктон и Дарлингтон на севере Англии, была открыта 27 сентября 1825 года. Состав из 38 вагонов, среди которых были пассажирские и товарные, нагруженные углем, тянул новый локомотив, разработанный Джорджем Стефенсоном и названный им «Локомоушн».
Спустя четыре года изобретатель вместе со своим сыном Робертом построил локомотив «Ракета», который 15 сентября 1830 года привел первый «междугородный» поезд из Ливерпуля в Манчестер Успехи в использовании паровых машин на средствах водного и железнодорожного транспорта были вполне очевидны, и это заставляло изобретателей искать пути дальнейшего усовершенствования и применения паровых машин. Поэтому естественным было стремление изобретателей использовать их также для безрельсового транспорта, где все еще господствовала конная тяга. Самая ранняя самодвижущаяся паровая повозка была изобретена в 1769 году французским военным инженером Николя Кюньо. Она приводилась в движение паровой машиной и предназначалась для буксировки артиллерийских орудий, однако реально могла перевозить четырех человек со скоростью немногим более 3,2 км/ч. Чуть позже, в 1803 году, Ричард Тревитик продемонстрировал в Лондоне одну из своих первых паровых машин, но она не произвела большого эффекта на публику, и изобретатель занялся строительством локомотивов.
Телега Николя Кюньо.
Однако в 1820-1830 годах было построено некоторое количество паровых экипажей, которые выполняли ограниченные пассажирские перевозки в Лондоне, Париже и ряде других крупных городов. Но развитию нового вида транспорта мешали владельцы дилижансов, позже к ним присоединились и железно-дорожные компании, которые делали все возможное, чтобы оградить себя от конкуренции. Это было не так уж сложно, принимая во внимание то, что первые паровые экипажи были громоздкими, неудобными и шумными; они поминутно окутывались дымом и клубами горячего пара, и публика в целом относилась к ним с большим недоверием, считая их небезопасными для людей. Аналогичные работы велись и в России, с тем лишь отличием, что энтузиазм русских изобретателей наталкивался на непробиваемую стену холодного и безразличного равнодушия со стороны царских чиновников. Так, в 1830 году русский лафетный мастер К. Янкевич представил проект безрельсового парового «быстроката». В объяснении к проекту Янкевич, заглядывая далеко вперед, писал: «Введение и употребление сухопутного летнего и зимнего парового экипажа без сомнения принести может государству немаловажную пользу поспешнейшим доставлением всех сведений и необходимых потребностей во все места, а равно и сообщением со всеми городами«.
Однако прошло более тридцати лет прежде, чем мысль Янкевича была осуществлена на практике. На Урале, к северо-востоку от Нижнего Тагила, между Верхней и Нижней Салдой пролегает дорога, по которой более ста двадцати лет тому назад совершал регулярные рейсы паровой автомобиль, построенный русским изобретателем Аммосом Черепановым. Примерно в то же время созданы паровые колесные тракторы и начинается их производство в заводских условиях. В 1876-1877 годы Брянский завод выпустил первые два трактора. В 1903 году Коломенский завод построил тракторы, успешно применявшиеся на строительстве Амурской железной дороги. В Европе изобретатели стремились усовершенствовать паровую машину и сделать ее более компактной.
История паровой машины
Применить силу пара для получения некоторой полезной работы — эта мысль издавна привлекала к себе внимание ученых и изобретателей. Еще около 2 тыс. лет тому назад греческий ученый Герон Александрийский описал множество в высшей степени любопытных приборов и механизмов, основанных на действии давления воздуха или пара. Но опыты эти не выходили за рамки простых игрушек, хотя идеи Герона могли, конечно, повлиять на работы позднейших изобретателей.
Значительно большую и непосредственную роль в изобретении парового двигателя сыграли приборы, предназначенные для подъема воды при помощи давления пара. Наиболее раннее описание такого прибора мы находим у итальянского инженера и ученого Де-Ля-Порта (1538—1615). В его сочинении описан следующий «замечательный и высокомощный способ поднять воду вверх огнем». Нальем воду, которую мы желаем переместить на более высокий уровень, в какой-нибудь стеклянный ящик. Через его крышку пропустим так называемую сифонную трубку, открытую с обоих концов. Сквозь дно ящика пропускаем горлышко колбы, которая помещается на очаге. В колбу вливается немного воды. При кипячении воды в колбе образующиеся пары будут проходить в верхний ящик. Они будут сильно давить на поверхность содержащейся здесь воды, заставят ее подняться по сифонной трубке верх и вытекать наружу.
Аналогичный прибор, предназначавшийся для устройства увеселительных фонтанов в королевских парках, предложил французский архитектор Саломон Де-Ко в своем сочинении «Причины движущих сил», изданном в 1615 г. Прибор Де-Ко представляет собой полый шар, в который пропущена трубка, доходящая почти до его внутренней стенки. Шар наполняется водой и ставится на огонь. Образующийся в шаре пар, не имея выхода, оказывает давление на поверхность воды, вытесняет ее по трубке, откуда она и начинает бить фонтаном.
В предложении Де-Ля-Порта и Де-Ко и лежит та идея использования прямого давления пара для водоотлива, которое нашло свое техническое и практическое осуществление в паровом насосе Томаса Сэвери, запатентованном им в 1698 г.
Машина Сэвери, подробно описанная им в небольшом сочинении «Друг рудокопа», предназначалась в качестве насоса для откачивания подпочвенных вод в английских шахтах. Для этой цели до тех пор пользовались обычно насосами, приводимыми в действие силой животных или большими водяными колесами. Уже в XVII веке в таких областях Англии, как Корнвалис, где было сильно развито горное дело, ощущалась большая потребность в новом двигателе, который не был бы связан с расположением рек, как водяные колеса, и который был бы более мощным, чем упряжные животные. Именно поэтому паровой насос Сэвери получил в Англии сравнительно широкое применение, несмотря на свои недостатки.
Машина Сэвери состояла из большого котла, в котором получался пар. Котел был соединен паропроводом с так называемым рабочим сосудом. Этот сосуд имел две трубы с соответствующими клапанами: одна из них (всасывающая) опускалась в водоем, откуда предстояло удалить воду; другая (нагнетательная) служила для подачи воды наверх, в особый резервуар. Пар выпускался при помощи специального крана в рабочий сосуд и заполнял его. Затем сообщение с котлом прерывалось, и сосуд обливался снаружи холодной водой. Пар охлаждался и снова обращался в воду (т. е. конденсировался). При этом в сосуде получалось сильное разряжение, так как вода занимает объем во много раз меньший, чем пар, из которого она образовалась. Тогда в это разряженное пространство устремлялась из водоема по всасывающей трубе вода. Она поднималась вверх и заполняла сосуд. Паровой кран снова открывался, и новая порция пара из котла поступала в сосуд. При этом пар производил давление на поднявшуюся сюда из водоема воду. Уйти обратно в водоем она не могла, так как ей мешал соответствующе устроенный клапан во всасывающей трубе, — и вода поднималась по нагнетательной трубе в верхний резервуар.
Чередуя эти операции, можно было с успехом производить откачку воды с небольшой глубины.
Сэвери впоследствии удалось усовершенствовать свою машину. Он устроил предохранительный клапан, применил автоматическое питание котла теплой водой, ввел второй рабочий сосуд, так что отливка воды происходила почти непрерывно: пока в одном сосуде создавалось разрежение и происходило засасывание воды, из другого она нагнеталась наверх.
По сравнению с конными водоотливными воротами машина Сэвери была гораздо более удобна. Она могла применяться и там, где водяные колеса из-за местных условий устроить было невозможно. В этой машине впервые применялось давление пара для промышленных целей.
Однако машина Сэвери обладала многими недостатками. Всасывание воды с ее помощью могло происходить с глубины не более 10 метров. Крайне непрочный котел, изготовлявшийся из медных листов, часто не выдерживал получаемого давления и разрывался. В глубоких шахтах приходилось устанавливать по нескольку машин одну над другой, что, разумеется, было весьма неудобно. Машина Сэвери требовала огромного расхода пара и, следовательно, топлива.
Начало нового этапа в истории применения пара для получения полезной механической работы связано с именем французского ученого Папина (1647—1712). К этому времени были уже в значительной степени изучены вопросы, относящиеся к давлению, производимому атмосферным воздухом. В этой области особенно большую роль сыграли работы ученых Торичелли, Паскаля и Герике.
Значительная сила этого давления, естественно, навела ряд ученых и изобретателей на мысль использовать его как движущую силу. Еще до Папина некий Готфрейль, а в 1681 г. знаменитый голландский ученый Гюйгенс предложили использовать давление воздуха, заставляя его приводить в движение поршень, помещенный внутри цилиндра, где создавалось разрежение. На дно закрытого с нижней стороны цилиндра насыпалось немного пороха, который можно было зажечь при помощи фитиля, выпущенного наружу через особое отверстие с клапаном. В цилиндр вводился поршень и устанавливался в нижнем положении. При взрыве пороха образующиеся газы подбрасывали поршень вверх и заполняли все пространство цилиндра. Затем цилиндр охлаждался, газы сжимались, и создавалось разрежение, — тогда атмосферное давление с силой гнало поршень вниз. Движение поршня предполагалось при помощи блоков использовать для произведения некоторой работы, например для поднятия груза.
Папин, работавший вместе с Гюйгенсом и занимавшийся изучением давления воздуха и пара (им изобретен так называемый «папинов котел» для получения пара высокого давления и предохранительный клапан), предложил пользоваться для получения под поршнем разрежения не взрывом пороха, что было опасно, а кипячением воды, нагреваемой на дне цилиндра. Образующиеся при этом пары поднимут поршень. При охлаждении же пара в цилиндре получится разрежение, а поршень под давлением атмосферы опустится вниз. При этом будет подниматься некоторый груз, с которым поршень в его верхнем положении может быть соединен при помощи шнура и блоков.
Если приборы Гюйгенса и Готфрейля, действующие взрывом пороха, можно рассматривать как отдаленных предков двигателя внутреннего сгорания, то в изобретении Папина заложена идея поршневого парового двигателя, которая и получила практическое осуществление в XVII веке в виде так называемых атмосферных или «огнедействующих машин».
Папину не удалось осуществить своего изобретения и устроить паровую машину. Первая поршневая паровая машина с использованием атмосферного давления была построена английскими изобретателями—кузнецом Ньюкоменом и стекольщиком Коулем в 1705 г.
Машина Ньюкомена получила в XVII веке весьма большое распространение и была на протяжении почти целого столетия единственным тепловым двигателем. Главную часть ее составлял цилиндр, расположенный вертикально, непосредственно над котлом, и соединенный с последним при помощи короткого паропровода. В цилиндре помещался поршень, соединенный посредством штока и цепи с концом горизонтально расположенного коромысла или балансира. Коромысло это могло качаться на оси. Противоположный конец балансира соединялся со штангой водоотливного насоса.
Из котла в нижний конец цилиндра выпускался пар, который толкал поршень вверх. Когда поршень почти достигал верхнего конца цилиндра, сообщение с котлом прекращалось, и внутрь цилиндра впрыскивалось некоторое количество холодной воды, — пар сгущался и под поршнем получалось разрежение; тогда под давлением атмосферы поршень опускался вниз, увлекая за собой один конец балансира и поднимая, таким образом штангу насоса, откачивающего воду.
Чередуя эти операции впуска и последующего охлаждения пара, можно, следовательно, привести в качательное движение балансир и заставить действовать насос.
Как видим, Ньюкомен в своей машине отказался от применения прямого давления пара, а заставил поршень подыматься при помощи пара и опускаться под действием давления атмосферы, как это впервые предложил Папин.
По сравнению с паровым насосом Сэвери машина Ньюкомена, которая может считаться первым паровым двигателем в собственном смысле этого слова, обладает многими преимуществами. Она могла производить откачку воды с любой глубины, — нужно было лишь сделать достаточно длинной штангу насоса. Машиной Ньюкомена можно было приводить в действие сразу несколько насосов, соединенных с балансиром. Она была менее опасна, чем насос Сэвери, так как здесь давление пара было очень невысокое (немного более 1 атмосферы).
На протяжении своего существования атмосферная машина подверглась значительным усовершенствованиям. Управление впуском пара и охлаждающей воды производилось уже не от руки, а автоматически во время работы машины при помощи специальных органов парораспределения. Отдельным частям машины были приданы наиболее удобные и целесообразные размеры. Выработался своеобразный нормальный тип атмосферной машины. Особенные заслуги в этой области принадлежат английским инженерам Бейтону и Смитону.
В этом, более усовершенствованном, виде атмосферная машина получила применение в английской горной промышленности, особенно в провинции Корнвалис и в Шотландии. Она применялась также в качестве водоподъемной машины в городском хозяйстве и при гидротехнических сооружениях (водопроводы, каналы, доки и т. д.).
В XVIII веке атмосферные машины появляются и в других странах, в том числе и в России. Еще при Петре Первом в Петербург была привезена водоподъемная машина Сэвери, которая была установлена в Летнем саду. Она накачивала здесь воду в различные фонтаны и водяные каскады, увеселявшие гуляющую придворную знать. Только в 1766 г. на Колывано-Вознесенеких заводах возле Барнаула была построена первая паровая, машина, имевшая промышленное значение. Сооружение этой машины связано с именем талантливого русского изобретателя И. И. Ползунова. Машина Ползунова принадлежала также к типу атмосферных машин, но он внес в нее много оригинального, значительно отступив от существовавших тогда в Англии образцов.
Значительно позднее Ползунова, уже в 1777 г. в Россию была доставлена заказанная в Англии большая машина Ньюкомена. И только в 1791 г. удалось построить самостоятельно на олонецких заводах паровую машину для одного из казенных рудников. Эта дата может считаться началом русского производства паровых двигателей, которое, однако, никогда в царской России не получило значительного развития.
Несмотря на то, что атмосферная машина Ньюкомена представляла значительный шаг вперед по сравнению с паровым насосом Сэвери, она все же имела много весьма существенных недостатков, толкавших техническую мысль искать дальнейших возможностей применения силы пара для получения полезной работы.
В машине Ньюкомена движение поршня и, следовательно, полезная работа получались за счет давления атмосферного воздуха. Чтобы получить возможно большее давление, приходилось чрезмерно увеличивать площадь поршня. В некоторых машинах его диаметр достигал двух метров.
Так как работа, развиваемая в цилиндре давлением рабочего тела (в данном случае атмосферного воздуха), зависит также и от длины хода поршня, то приходилось придавать цилиндру огромную длину, — иногда до трех метров. Соответственно этому приходилось увеличивать и прочие части машин. Благодаря таким колоссальным размерам цилиндра и поршня атмосферные машины представляли собой огромные, громоздкие сооружения, высота которых достигала 4—5-этажного здания.
Атмосферные машины поглощали невероятное количество топлива при сравнительно небольшой мощности. Если сопоставить количество энергии, которое содержалось в сжигаемом топливе, с работой, которую можно было получить oт этого топлива в атмосферных машинах, то мы получим величину, равную приблизительно одному проценту (так называемый общий коэфициент полезного действия). Насколько эта величина мала, видно из того, что современные двигатели дают коэфициент полезного действия в 8—12 процентов.
Наконец, машина Ньюкомена была пригодна исключительно для приведения в движение таких приборов, как насосы, воздуходувные меха и т. п., где требовалось прямолинейное возвратно-поступательное движение. Кроме того, ход их был неравномерный и очень медленный (10—12 ходов в минуту). Поэтому машины Ньюкомена нельзя было использовать для движения различного рода станков, где необходимо непрерывное, равномерное и притом вращательное движение. Для получения вращательного движения машину Ньюкомена пытались-было применить следующим образом: она должна была накачивать на некоторую высоту воду, которая затем направлялась на лопасти водяного колеса, вращающего рабочий вал станка. Но этот сложный способ был крайне невыгоден и неудобен.
Все эти недостатки атмосферной машины особенно остро дали себя знать во второй половине XVIII века, когда английская промышленность переживает подлинную революцию, выразившуюся в появлении целого ряда механических станков в прядильном, ткацком металлообрабатывающем производствах. Новые, механические орудия труда, пришедшие на смену ручным, ремесленным орудиям, применявшимся в мануфактуре, требуют нового более мощного и более удобного двигателя.
Конные приводы, ветряные двигатели, водяные колеса не удовлетворяют более требованиям нарождающейся капиталистической фабрики, где нужен был экономически выгодный, достаточно мощный, легко управляемый двигатель, который мог бы приводить в действие самые разнообразные станки и механизмы. Таким универсальным двигателем крупной промышленности и явилась усовершенствованная паровая машина Джемса Уатта.
Уатт родился 19 января 1736 г. в городе Гриньоке в Шотландии, в семье корабельного мастера и механика. В мастерской отца Уатт впервые познакомился с механическим искусством. После окончания школы 18-летний Уатт отправился в город Глазго и здесь устроился механиком при мастерской университета. Пребывание в Глазго оказалось чрезвычайно плодотворным для Уатта. Он приобрел довольно обширные знания в области физики, общаясь с рядом ученых. Эти научные сведения, настойчиво пополнявшиеся самообразованием, принесли Уатту огромную пользу при разработке его изобретения.
Поводом к занятиям Уатта паровым двигателем послужила небольшая модель атмосферной машины Ньюкомена, которую ему в 1763/64 г. пришлось починять. Приводя в действие модель, Уатт был поражен огромным расходом пара при работе модели. Этот недостаток, делавший крайне невыгодным применение атмосферных машин, Уатт правильно объяснил охлаждением стенок цилиндра при впрыскивании внутрь его воды, необходимой для конденсации пара и создания разрежения под поршнем.
Путем многочисленных и настойчивых опытов Уатт установил, что при впуске пара стенки цилиндра сильно нагреваются, затем при впуске воды они снова охлаждаются, и при новом впуске свежего пара тепло его расходуется сначала на нагревание стенок, что вызывает энергичную конденсацию вновь поступающего пара до тех пор, пока стенки цилиндра не приобретут температуры, равной температуре пара. Таким образом вследствие сочетания в одном сосуде рабочего цилиндра и конденсатора машина Ньюкомена давала огромные тепловые потери. Устранение этого недостатка и составляет одну из важнейших заслуг Уатта.
Он пришел к мысли поддерживать температуру цилиндра постоянной, а охлаждение пара производить не в самом цилиндре, а в отдельном сосуде, которому он впервые дал название конденсатора. Вместе с тем Уатт отказался от использования атмосферного давления, заменив его давлением самого пара, подаваемого после поднятия поршня в верхний конец цилиндра. Эти идеи были изложены Уаттом в его знаменитом патенте, взятом в 1769 г.
Уатту понадобилось несколько лет упорного труда, надежд и разочарований, прежде чем ему удалось в 1774 г. построить свою первую машину. Только благодаря материальной поддержке двух компаньонов-предпринимателей (Ребука, а затем Болтона), с которыми Уатт вступил в компанию, он добился окончательного успеха.
Первый двигатель Уатта, построенный на основании проекта 1769 г., представлял собой так называемую машину простого действия. Она работала следующим образом. В закрытый сверху вертикальный цилиндр впускается поверх поршня пар. В это время нижняя сторона цилиндра соединяется при помощи специального клапана и трубы с холодильником-конденсатором, где особым насосом поддерживается все время разрежение. Пар своим давлением заставляет опускаться вниз поршень, соединенный с балансиром машины. Когда поршень займет нижнее положение, сообщение с конденсатором и котлом прекращается, при помощи специального приспособления устанавливается сообщение между обоими концами цилиндра. Благодаря этому давление на обе стороны поршня уравновешивается, и под действием специальных грузов балансир приходит в прежнее положение, поднимая поршень. Затем сообщение между верхней и нижней частью цилиндра прекращается, в верхнюю часть его снова пускается свежий пар, а нижняя часть снова соединяется с конденсатором. В конденсаторе опять создается разрежение, и под давлением пара поршень движется вниз. Как видим, в этой машине Уатта действие атмосферы вовсе устранено, но пар производит работу лишь по одну сторону поршня, почему она и называется машиной простого действия.
Новый двигатель Уатта дал большую экономию в расходе топлива по сравнению с атмосферной машиной, уменьшив почти вдвое количество потребляемого угля. Благодаря этому Уатт и его компаньон Болтон сразу же получили крупные заказы от ряда владельцев коней и рудников.
Однако при всем этом машина Уатта, подобно атмосферной машине, могла применяться по прежнему только для приведения в действие различного рода насосов и воздуходувных мехов, так как она давала только возвратно-поступательное движение. Между тем развивающаяся крупная фабричная промышленность нуждалась в двигателе, который давал бы непрерывное вращательное движение, необходимое для работы станков.
Добившись успеха с применением конденсатора и устранением атмосферного давления, Уатт занялся вопросом о сооружении машины, дающей непрерывное вращательное движение. Таким двигателем, завершившим в известной степени не только работы самого Уатта, но и весь предыдущий этап развития паровой машины, и явилась так называемая машина двойного действия, патент на которую был взят в 1784 г.
В машине двойного действия пар впускается и работает поочередно по обе стороны поршня, как это делается во всех современных поршневых паровых машинах. В то время как в одну половину цилиндра впускается свежий пар, другая присоединяется к конденсатору, в котором создается разрежение.
Одновременно с применением принципа двойного действия, Уатт разрешил и задачу непрерывного вращательного движения.
Сначала Уатт придумал так называемый планетарный механизм. Он взял два зубчатых колеса. Одно из них он насадил на вал маховика, а другое прочно приладил к концу шатуна, идущего от поршня паровой машины. При одном обороте зубчатого колеса на конце шатуна колесо на валу маховика тоже делало определенное число оборотов, а вместе с ним приходил во вращательное движение и маховик, вращающий вал станка. Механизм очень остроумный, но на практике он удержался недолго. Уатту пришлось обратиться к другому, механизму — кривошипу, который уже издавна применялся в токарных станках для передачи качательного движения ножной педали во вращательное движение махового колеса. Теперь кривошип — самая обычная вещь в технике, когда нужно превратить поступательное движение поршня во вращательное движение вала, или наоборот. Но в восьмидесятых годах XVIII столетия это было приспособлением еще не нашедшим себе широкого и универсального применения.
Весьма важным является изобретенный Уаттом механизм для соединения штока поршня с концом балансира. В атмосферной машине и в машине простого действия рабочий ход поршня совершался лишь при его движении вниз, поэтому и соединение поршня с балансиром могло не быть жестким, — для этого применялась цепь. Но в машине двойного действия оба хода поршня являются рабочими. Здесь надо было передать усилие балансиру и тогда, когда поршень шел вверх, — для этого уже необходимо жесткое соединение. Это представляло большую трудность, так как конец качающегося коромысла описывает дугу, а шток поршня движется по прямой линии. Гениальным решением этой труднейшей кинематической задачи явился так называемый параллелограм Уатта, при помощи которого удалось жестко соединить движущийся по дуге конец балансира с прямолинейно движущимся концом поршневого штока.
Для регулирования хода машины Уатт ввел маховое колесо и специальный регулятор, при помощи которого автоматически изменялось поступление пара в цилиндр в зависимости от ускорения или замедления хода машины.
Уаттом был введен также метод измерения мощности паровой машины в лошадиных силах и изобретен специальный прибор, — так называемый индикатор, при помощи которого можно получать на бумаге графическое изображение связи между давлением пара в цилиндре и положением поршня. Этот прибор в несколько усовершенствованном виде до сих пор остался необходимым средством для рационального ухода и для изучения работы всех поршневых машин (двигателей, насосов, компрессоров и т. д.).
Изобретения Уатта не только сделали паровую машину более экономичной (ее коэфициент полезного действия достигал 3 процентов), но и открыл ей в качестве двигателя доступ во все области производства.
Разумеется двигатель Уатта был далек от совершенства. Низкое давление пара, тяжелый балансир, крайне громоздкое устройство котла — вот его основные недостатки.
Но это нисколько не уменьшает главнейшей заслуги Уатта. «Уатт, — писал Энгельс в «Диалектике природы», — придал паровой машине в принципе ее современный вид. Круговорот, открытый в этой области, закончился, удалось достигнуть превращения теплоты в механическое движение. Все дальнейшее было только улучшением деталей».