Водооткачивающая машина превращается в тепловой двигатель

Водооткачивающая машина превращается в тепловой двигатель

А. Моравский, М. Файн

Первый универсальный тепловой двигатель был создан в России выдающимся изобретателем, механиком Воскресенских заводов на Алтае И. И. Ползуновым.

И. И. Ползунов родился в 1728 г. на Урале в семье солдата. В 1742 г. окончил арифметическую школу и начал служить на Екатеринбургском заводе. Когда ему исполнилось 19 лет, был переведен на Алтай на Колывано-Воскресенские заводы, принадлежавшие царской семье, где занимал низшие технические должности. 

Но затем его назначили в Барнаульское комиссарское управление, где в 1754 г. он получил чин шихтмейстера, уравнивавший его в правах с первым обер-офицерским чином.

Ни в Екатеринбурге, ни на Алтае машин, действующих «при помощи движущей силы огня», не было. Но известно, что в 1762 г. Ползунов и другие специалисты обязаны были изучить «Наставление рудному делу», написанное президентом берг-коллегии и главным судьей монетной канцелярии И. А. Шлаттером, в котором описывались паровые водооткачивающие машины. 

Есть основания считать, что Ползунов изучил также книги Леупольда и Белидора, в которых также содержалось описание паровых водооткачивающих машин. Обе эти книги перевел на русский язык тот же Шлаттер. Но описанные в них установки не годились ни для чего, кроме откачки воды.

Изобретательность Ползунова не может не вызвать восхищения. Он первым понял, что можно заставить паровую машину приводить в движение не только насос, но и кузнечные мехи. Рабочие органы его машины передавали движение валу отбора мощности. Это качество придавало машине Ползунова свойство универсальности.

Проект своей машины Ползунов изложил в 1763 г. в записке, адресованной начальнику Колывано-Воскресенского горного округа А. И. Порошину.

Не имея опыта работы с огнедействующими машинами, Ползунов тем не менее не просто копирует машины, описанные в книгах, а вносит в проект своей машины существенные отличия от атмосферных машин того времени. Схема его машины представлена на рис. 1. 

Два поршня связаны с главным валом при помощи цепей. Ко второму (свободному) концу каждой цепи прикреплен балансир. Водораспределительный кран поочередно подает охлаждающую воду в подпоршневые полости. Парораспределительный кран служит для соединения этих полостей с котлом.

Машина была атмосферной. Когда одна из подпоршневых полостей соединялась с котлом, поршень под действием давления пара поднимался вверх, после чего парораспределительный кран поворачивался и отсекал подпоршневую полость от котла. Через трубку впрыскивалась вода, пар конденсировался и под поршнем создавался ваккум. Под действием атмосферного давления поршень опускался и совершал полезную работу. В этом машина Ползунова напоминала машину Ньюкомена. 

Но на этом сходство кончалось. В ней впервые передача от двух попеременно действующих поршней осуществлена не к балансиру, а к шкивам при помощи цепей, а передача от шкивов осуществлена не только к насосу, но и к кузнечным мехам, т. е. впервые рабочие органы двигателя и потребитель его мощности не связаны друг с другом.

Кроме того, Ползунов внес серьезные усовершенствования в конструкцию рабочих органов двигателя, применил оригинальную систему паро и водораспределения, и в отличие от машин Ньюкомена ось вала его машины была параллельна плоскости цилиндров.

Свою машину И. И. Ползунов начал строить в 1764 г. К нему прикомандировали четырех учеников, которых он должен был обучить не только теории, но и ремеслам.

Но Барнаульский завод был металлургическим и не располагал нужным металлообрабатывающим оборудованием, и следует полагать, что Ползунову приходилось изобретать способы обработки деталей своей машины. Машина была изготовлена в декабре 1765 г. А в мае 1766 г. ее создатель умер от чахотки. Машина была испытана уже после его смерти в октябре 1766 г. и работала, в общем, удовлетворительно.

Как всякий первый образец, она нуждалась в доработке, к тому же в ноябре обнаружилась течь котла. Но изобретателя не было в живых, а без него устранением недостатков никто не занимался. Машина бездействовала до 1779 г., а затем была разобрана.

История с машиной Ползунова в первую очередь свидетельствует об одаренности изобретателя. Расчеты выполнены очень точно с указанием на необходимость опытного определения некоторых сопротивлений. Но главное, при помощи цепной передачи и двух цилиндров впервые был осуществлен переход к непрерывному вращению, т. е. был создан первый универсальный двигатель.

К сожалению, из-за неосведомленности широких кругов об этом изобретении и ранней смерти изобретателя его создание не оказало заметного влияния на процесс развития тепловых двигателей.

Патента на свое изобретение в царской России И. И. Ползунов не испрашивал, и первый патент на универсальный тепловой двигатель был выдан в Англии Джеймсу Уатту 5 января 1769 г, на шесть лет позднее, чем датирована записка И. И. Ползунова.

Д. Уатт родился в 1736 г. в Шотландии. В 1754 г. он был отправлен в Глазго для обучения профессии механика, но перебрался в Лондон, а затем вновь вернулся в Глазго и работал там в качестве университетского механика. Там он поддерживал отношения со многими учеными и основательно изучал литературу по паротехнике. 

Уже около 1760 г. Уатт начинает заниматься самостоятельными разработками в области паротехники. Известно, что он прочел книги Дезагюлье и Белидора о паровых машинах, принимал участие в опытах Кевендиша и Пристли по анализу воды, измерял теплоту испарения воды и составил таблицу упругости водяного пара.

Вклад Уатта в создание паровых машин очень велик. Благодаря успешной работе машин Севери и Ньюкомена опыт Папена по вынесению процесса конденсации за пределы машины был забыт. Но в 1765 г. Уатт, изготовив макет машины Ньюкомена в Глазго по заказу местного университета и проводя на нем опыты, понял, что основной причиной ее низкой экономичности является охлаждение расширяющегося пара стенками цилиндра. 

И Уатт решает вынести процесс конденсации за пределы цилиндра. Это был шаг, завершивший формирование рабочего цикла паровой машины.

Считается, что идея вынесения конденсации за пределы цилиндра осенила Уатта внезапно. Но деятельность Уатта не подтверждает этого. Если бы Уатт не изучил глубоко свойства воды и пара, то вряд ли он понял бы причину низкой экономичности макета машины Ньюкомена и стал искать пути устранения этой причины. 

Все его помыслы были нацелены на поиски решения конкретной задачи. Вот как писал об этом впоследствии сам Уатт: «Однако все же эта задача настолько овладела моим умом, а мои обстоятельства настолько требовали вернуть потраченное время и деньги, что я не мог бросить этого дела. 

После того как я всячески обдумал вопрос, я пришел к твердому заключению, что, для того чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда горяч, как и входящий в него пар; но с другой стороны, конденсация пара для образования вакуума должна была происходить при температуре не выше 30|».

Поняв, что процесс охлаждения пара следует вынести за пределы цилиндра, Уатт берет свой первый патент на паровую машину.

Перед подачей заявки на патент Уатт провел большую экспериментальную работу. Он начал с создания модели, руководствуясь тем, что именно на модели машины Ньюкомена наиболее ярко проявились ее недостатки. Он окружил цилиндр модели деревянной теплоизоляционной оболочкой и присоединил к нему при помощи трубы отдельный сосуд - конденсатор (рис. 2). 

Одновременно Уатт внес еще одно важное усовершенствование. В машинах Ньюкомена на поршень действовал всегда один и тот же перепад давлений' разница между атмосферным давлением и давлением конденсации при температуре около 30|. 

Уатт пришел к выводу, который теперь кажется совершенно очевидным, мощность машины можно увеличить, если использовать не атмосферное давление, а давление пара. Это открывало более широкие возможности: давление пара можно увеличить выше атмосферного; изменяя давление, можно регулировать мощность машины. 

Кроме того, Уатт сразу решил строить свою машину как универсальный тепловой двигатель и не связывал ее воедино ни с каким потребителем мощности.

Затратив на изготовление машины все имеющиеся у него средства, Уатт смог уже в конце 1765 г. продемонстрировать ее работу.

Но для изготовления машин на продажу требовались не только деньги, но и производство с очень высокой по тем временам культурой, и по совету своих друзей Уатт обращается к владельцу знаменитых Карронских заводов доктору медицины Ребеку. 

Карронские заводы нуждались в угле, и Ребек к тому времени приобрел каменноугольные копи, на которых сразу столкнулся с необходимостью откачки воды. При таких обстоятельствах он был очень заинтересован в сделке с Уаттом. По договору он принимал на себя все расходы с условием, что ему будут принадлежать две трети прибылей.

Уатт получил средства и мог заняться подготовкой производства. Но финансовые дела Ребека очень быстро пришли в упадок, и он прекратил финансирование работ над машиной. В это время Уатт получил предложение продолжить работу над машиной от Мэтью Болтона, богатого фабриканта, владельца металлообрабатывающего завода в Сохо. Стоящий на грани разорения Ребек легко уступил свои права Болтону, и в 1773 г. Уатт вплотную приступил к реализации своих идей.

Дело оказалось не таким простым, и к испытаниям машины Уатт смог приступить лишь в конце 1774 г., а первые результаты получил в 1775 г. Его машина, второй образец которой он назвал «Вельзевул», по экономичности превосходила атмосферные машины Ньюкомена в 2 раза.

Можно было заняться ее производством и начать получать прибыль. Но нужно было заинтересовать потребителей, привыкших к хорошо зарекомендовавшим себя машинам Ньюкомена. И Уатт с Болтоном предлагают приобретать у них машины на очень заманчивых условиях. Они дают свои машины бесплатно. 

Более того, они берут на себя расходы по монтажу новой машины и демонтажу машины Ньюкомена. А вместо платы каждый владелец новой машины в течение 25 лет будет отчислять им одну треть стоимости угля, сэкономленного по сравнению с атмосферной машиной. Не сразу после приобретения машины покупатели начинали понимать, как они прогадали.

Но, для того чтобы не потерять прибыль, Уатту и Болтону приходилось содержать штат высококвалифицированных инженеров, следивших за исправностью и правильной эксплуатацией. Кроме того, нужно было позаботиться о сроке действия патента, так как он был выдан на 14 лет, из которых уже прошло 6, и Уатт занялся хлопотами о его продлении. После долгих хлопот 22 мая 1775 г. его патент был продлен еще на 25 лет.

Уатт вообще был хорошо знаком с особенностями патентного права. Об этом прежде всего свидетельствует формулировка его первого патента № 013 от 5 января 1769 г, приведенная в книге члена-корреспондента АН СССР А. А. Радцига, по праву считающегося создателем отечественной школы паротурбостроения Патентная формула, как мы сказали бы сейчас, состоит из шести пунктов:

Цилиндр или сосуд с паром сохраняется во все время работы столь же нагретым, как и входящий в него пар, и именно вследствие того, что цилиндр, во-первых, окружают оболочкой из дерева или из другого материала, плохо проводящего теплоту, во-вторых, вследствие того, что его окружают паром или другими нагретыми телами, и, в-третих, вследствие того, что ни вода, ни другое какое-либо тело, более холодное, чем пар, не приходит в соприкосновение с цилиндром во время его работы. 

В машинах, которые должны полностью или частью работать посредством конденсации пара, обращение пара в воду должно происходить в сосудах, отделенных от цилиндра, но могущих приходить с ним иногда в соприкосновение Эти сосуды я называю конденсаторами, и их нужно во время работы машины посредством воды или другого холодного тела сохранять холодными с температурой не ниже температуры окружающего воздуха. 

Воздух и другие газообразные упругие тела, не сгущенные вследствие низкой температуры конденсатора и мешающие работе машины, должны удаляться из конденсатора посредством насосов, приводимых в действие самой машиной или другим каким-либо образом. 

Во многих случаях я расчитываю применить упругую силу (давления) пара на поршень или другие части, заменяющие его, таким же образом, как применяется атмосферное давление в теперешних обыкновенных огненных машинах. В тех случаях когда не хватает холодной воды, машины могут работать исключительно силой пара, причем последний по совершении работы выпускается прямо в атмосферу». 

В пятом пункте формулы говорится о ротационных паровых машинах, в которых поршень вращается Такая конструкция имеет ряд преимуществ, в частности отпадает надобность в преобразователе поступательного движения поршня во вращательное.

В шестом пункте идет речь о неполной конденсации (ухудшенном вакууме), об уплотнениях и о других частях машины.

Конечно, приведенная выше формула изобретения не соответствует современным требованиям к ее изложению, но она прекрасно выполняет свои функции: дает полное представление о сути изобретения и надежно защищает права изобретателя.

Защите своих изобретательских прав Уатт уделяет много внимания В 1781 г. он берет патент на связь поршня с валом при помощи шестеренчатой передачи, явившейся прообразом планетарного редуктора. Появление этого патента, так же, как и более позднего патента на широко известный «параллелограмм Уатта», связано с тем, что патент на применение шатунио-кривошипного механизма в паровых машинах уже был выдан ранее в 1779 г. изобретателям Вайсброу и Пикару. 

Выдачу патента на применение известного в то время механизма Уатт считал совершенно неправомерной. Он писал: «Истинный изобретатель кривошипного механизма был человек, создавший обыкновенный токарный станок. Применить его в паровой технике было так же легко, как воспользоваться ножом, предназначенным для резки хлеба, для разрезания сыра».

В 1782 г. он патентует расширение пара в цилиндре. К 1784 г. относятся последние крупные изобретения Уатта, описанные в знаменитом патенте № 1432: подача пара с обеих сторон поршня - двойное действие пара; двухцилиндровая машина; центробежный регулятор и параллелограммный механизм для передачи движения оси поршня к балансиру. 

К этому времени было окончательно отлажено производство на заводе Болтона, разработаны инструкции по сборке, монтажу и эксплуатации паровых машин. 

Дальнейшая деятельность великого изобретателя свелась к незначительным усовершенствованиям конструкции и технологии машин, решению текущих вопросов, связанных с финансами и конкуренцией. В 1785 г. Уатт склоняется к тому, чтобы «прекратить опыты новых изобретений». 

Он пишет Болтону: «... в особенности не следует ничего пробовать, что сопряжено с какой-либо опасностью неудачи или может причинить нам затруднения при испытании. Будем в дальнейшем изготавливать те вещи, которые мы умеем делать, и предоставим остальное молодым людям, которым не грозит потеря ни денег, ни имени».

Надо сказать, однако, что патенты Уатта сдерживали деятельность этих «молодых людей». Здесь уместно вспомнить историю с Джонатаном Горнблоуэром, который в 1781 г. получил патент на машину высокого давления с двойным расширением. Однако, после того как Горнблоуэр начал в 1793 г. постройку своей машины, Уатт и Болтон возбудили против него процесс о нарушении прав, вытекающих из патента № 1432. 

Этот процесс закончился в 1799 г. в пользу истцов, несмотря на то что патент № 1432 был выдан на три года позже, чем патент Горнблоуэра. Чтобы не нарушать права Уатта, Горнблоуэр не мог после решения суда применять конденсатор и использовать пар высокого давления. Его машины не могли в связи с этим конкурировать с машинами Уатта.

Уатт и Болтон вообще очень внимательно следили за тем, чтобы конкуренты не нарушали их патентных прав. Так происходило и в тех случаях, когда они сами не собирались использовать запатентованные технические решения, например, машину высокого давления, описанную в первом патенте 1769 г., но не воплощенную Уаттом. 

Его машины, как известно, работали при низком давлении (1,2-1,5 ат), но первый патент Уатта, по существу, блокировал развитие машин высокого давления на весь период действия патента.

Любопытно, что Уатт и Болтон пытались провести через парламент закон о запрещении использования пара высокого давления, мотивируя это соображениями общественной безопасности. Скептически относился Уатт к идее локомотива, хотя она и была запатентована им в 1784 г.

Около 1800 г. Уатт удаляется от дел. Вскоре истекает Срок действия его первого патента, и паровые машины начинают выпускать многие заводы. Их совершенствование ускоряется. 

Изобретатель парового молота Нэс-мит писал: "Люди, обладающие достаточными средствами и предприимчивостью, стали применять систему повышенного давления пара во всей ее полноте и ввели в употребление соответственно построенные паровые котлы, развивающие давление в 30, 40, 60 и 70 фунтов на 1 кв. дюйм - давление, которое заставило бы инженеров старой школы упасть в обморок от страху". 

Но так как экономический результат этого повышенного давления пара с очевидностью обернулся в совершенно недвусмысленной форме фунтов, шиллингов, пенсов, паровые котлы высокого давления при конденсационных машинах получили почти всеобщее распространение». 

Среди таких людей прежде всего следует упомянуть инженеров Тревитика и Вульфа, которые в свое время, будучи на службе у Уатта и Болтона, следили за надлежащей эксплуатацией водоподъемных машин. В частности, когда окончился срок действия контрактов в Корнуэлле, по которым изобретатель получил часть сэкономленного в процессе эксплуатации угля, инженерный контроль был прекращен и паровое хозяйство рудников быстро пришло в упадок. 

Восстановление и модернизацию этого хозяйства поручили Тревитику и Вульфу. Систематически усовершенствуя паровые машины главным образом путем увеличения давления пара и степени расширения в цилиндрах, они в 1874 г. довели производительность лучших корнуэлльских машин (считавшихся в то время наиболее экономичными) до 141 000 кгм на 1 кг угля, что соответствует эффективному кпд 4,1%.

Паровая машина - предок всех современных двигателей. В течение многих лет, несмотря на большой вес и невысокий кпд, она являлась единственным устройством для преобразования теплоты в работу. 

Создание паровых машин привело к возникновению новой производственной базы, а опыт и знания, накопленные в процессе их разработки и эксплуатации, позволили впоследствии получить более совершенные двигатели. Именно в процессе разработки паровых машин были познаны и изучены основные законы преобразования тепла в работу и многие другие законы природы. 

Однако с развитием капитализма все более возрастала потребность в других приводных двигателях. Паровой двигатель удовлетворял предприятия с непрерывным производственным процессом (текстильная, горная промышленность и др.). 

На тех же предприятиях, где паровая машина использовалась нерегулярно, она была просто нерентабельна, а поэтому необходим был двигатель принципиально нового типа: без котла, с малым временем запуска и со сравнительно невысокой мощностью единичной силовой установки. Рабочим телом такого двигателя не мог быть пар. Начались попытки создания двигателей, работающих на иных рабочих телах.