Первая попытка поставить
пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 году: машина
Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Сам
изобретатель назвал ее "огневой машиной" и широко разрекламировал как
"друга шахтеров". Для получения пара, приводившего машину в действие,
требовался огонь, но изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном
смысле этого слова, поскольку кроме нескольких клапанов, открывавшихся и
закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. Машина Сэйвери
работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся
паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой,
отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум.
После этого вода - например со дна шахты - засасывалась в резервуар
через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась
наружу через выпускную. Затем цикл повторялся, но воду можно было
поднимать только с глубины менее 10.36 м, поскольку в действительности
ее выталкивало атмосферное давление.
Первая удачная паровая машина с поршнем была построена французом Дени
Папеном, чье имя чаще ассоциируется с изобретением автоклава, который
имеется сегодня практически в каждом доме в виде кастрюли-скороварки. В
1674 году Папен построил пороховой двигатель, принцип действия которого
основывался на воспламенении в цилиндре пороха и перемещении поршня
внутри цилиндра под воздействием пороховых газов. Когда избыток газов
выходил из цилиндра через специальный клапан, а оставшийся газ
охлаждался, в цилиндре создавался частичный вакуум, и поршень
возвращался в исходное положение под действием атмосферного давления.
Машина была не очень удачной, но она навела Папена на мысль заменить
порох водой. И в 1698 году он построил паровую машину (в том же году
свою "огненную машину" построил и англичанин Сэйвери). Вода нагревалась
внутри вертикального цилиндра с поршнем внутри, и образовавшийся пар
толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень
опускался вниз под действием атмосферного давления. Таким образом,
посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в
действие различные механизмы, например насосы.
Услышав о паровой машине Папена, Томас Ньюкомен, который часто бывал на
шахтах в Вест Кантри, где он работал кузнецом, и лучше чем кто-нибудь
другой понимал, как нужны хорошие насосы для предотвращения затопления
шахт, объединил усилия с водопроводчиком и стекольщиком Джоном Калли в
попытке построить более совершенную модель. Их первая паровая машина
была установлена на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 году. Как и в
машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре, но в целом
машина Ньюкомена была значительно более совершенной. Чтобы ликвидировать
зазор между цилиндром и поршнем, Ньюкомен закрепил на торце последнего
гибкий кожаный диск и налил на него немного воды. Пар из котла поступал
в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. Но при впрыскивании в
цилиндр холодной воды, пар конденсировался, в цилиндре образовывался
вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз.
Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи,
соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх
шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в
цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на
штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение.
После этого цикл повторялся. Машина Ньюкомена оказалась на редкость
удачной и использовалась по всей Европе более 50 лет. 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 уходил 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 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. В "Дневной записке" от 4 июля было
отмечено "исправное машинное действие", а 7 августа 1766 года вся
установка - паровая машина и мощная воздуходувка - была сдана в
эксплуатацию. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только
оправдала все затраты на ее постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но
и дала чистую прибыль в 12640 рублей 28 копеек. 10 ноября 1766 года
котел дал течь, и машина остановилась. Несмотря на то, что эту
неисправность можно было легко устранить, заводское начальство, не
заинтересованное в механизации, забросило творение Ползунова. В течение
последующих тридцати лет машина бездействовала, а в 1779 году тогдашние
управители алтайских заводов отдали распоряжение машину разобрать,
"находящуюся при оной фабрику разломать и лес употребить, на что годен
будет".
Примерно в это же время в Англии над созданием паровой машины работал
шотландец Джеймс Уатт. Начиная с 1763 года он занимался
усовершенствованием малоэффективной пароатмосферной машины Ньюкомена,
которая, в общем-то, годилась только для перекачивания воды. Ему было
ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном
нагревании и охлаждении цилиндра. Каким же образом избежать этого? Ответ
пришел к Уатту воскресным весенним днем 1765 года. Он понял, что цилиндр
может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в
отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Более того, цилиндр
может оставаться горячим, а конденсор холодным, если снаружи их покрыть
теплоизоляционным материалом. Кроме того Уатт сделал еще несколько
усовершенствований, окончательно превративших пароатмосферную машину в
паровую. В 1768 году он подал прошение о патенте на свое изобретение.
Патент он получил, но построить паровую машину ему долго не удавалось. И
только в 1776 году паровая машина Уатта была, наконец, построена и
успешно прошла испытание. Она оказалась вдвое эффективнее машины
Ньюкомена. В 1782 году Уатт создал новую замечательную машину - 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". Двигатель Уатта годился для любой
машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся
механизмов. |