Видный естествоиспытатель XVIII века, член-корреспондент, а потом ординарный член Петербургской Академии наук, Эрик Лаксман писал 11 февраля 1765 года с :
«…Другой, с чем наибольше имею знакомство, есть горный … Он строит теперь огневую машину, совсем отличную от венгерской и английской. Машина сия будет приводить в действие мехи или цилиндры в плавильнях посредством огня; какая же от того последует выгода! Со временем в России, если потребует надобность, можно будет строить заводы на высоких горах и в самих даже шахтах».К середине XVIII века на отечественных рудниках работы велись почти исключительно вручную, а если и применялись механизмы (вороты и т.д.), то с мускульными приводами. Примером может служить .
Змеиногорский рудник считался тогда основным местом добычи серебряных руд. В основном на руднике применялись ручные вороты для подъема добытой руды на поверхность. Применение первых вододействующих механизмов на Змеиногорском руднике (вернее на заводах, связанных с этим рудником) относится к концу 40-х годов XVIII века. А в 1752 году на одной из шахт начал строиться конный ворот; на остальных шахтах еще долгое время применяли ручные вороты.
На Колыванском заводе в конце 30-х годов XVIII века имелось только шесть водяных колес. Они обслуживали семь пар воздуходувных мехов, три толчеи и одну лесопильную раму.
На Барнаульском заводе также значительная часть операций производилась вручную. Примером может служить кузнечный цех, в котором совсем отсутствовали вододействующие механизмы. Но в других цехах было немало водяных двигателей. В 1751 году там действовало 14 водяных колес. Они обслуживали восемь пар воздуходувных мехов, два молота, два мельничных постава для размола зерна, одну «мусорную толчею» и одну «пильную мельницу», т.е. всего 20 рабочих машин. На Барнаульском заводе лишь одни воздуходувные мехи были сгруппированы по две пары на водяное колесо, остальные рабочие машины имели каждая свой двигатель.
Объем рудничных работ, проводимых на Алтайских горных заводах, и их сложность возрастали, что требовало применения более совершенных технических средств.
Вентиляция подземных выработок осуществлялась через стволы шахт или через специальные вертикальные смотровые и вентиляционные ходы. Насыщенный пороховыми газами, сырой, спертый воздух близ забоя содержал, помимо того, много рудной пыли, в состав которой входила вредная медная зелень и другие еще более ядовитые частицы. Чем глубже опускались подземные выработки, тем труднее было сдержать напор грунтовых вод, борьбу с которыми на всех этажах вели при помощи ручных насосов.
Тяжело было работать в забое, но еще быстрее изматывала людей работа у рукояток водяных насосов. Ее нельзя было прекращать, нельзя было делать даже кратковременных передышек. Лишь с напряжением всех сил удавалось работным людям держать на одной отметке уровень воды, стекающей со всех сторон в особые углубления, из которых воду поднимали с яруса на ярус.
Чем дальше углублялись выработки, тем все большее число работников требовалось для обслуживания ручных насосов. При помощи таких примитивных технических средств становилось все труднее предотвращать скопление воды в местах производства работ. В нижних горизонтах работа приостанавливалась в летнее время, так как их затопляла грунтовая вода.
Рудники представляли собой лабиринт шахт и галерей, идущих под разными уклонами. Там легко можно было заблудиться. Скудное освещение и крутые повороты подземных ходов сильно снижали производительность труда, приводили к частым увечьям. Выработанные пространства заваливались «пустой» породой, к которой относили руды, содержащие менее 0,08% серебра на пуд руды.
Иногда горняки попадали в слои раздробленного камня и глины, и их засыпало породой. В большинстве случаев приходилось применять крепление, а крепежный лес спускать при помощи тех же ручных воротов, которыми поднимали руду на поверхность земли.
Узенькие лестницы без перил почти вертикально опускались в те самые шахтные стволы, по которым поднималась в бадьях руда ручными воротами. Между лестницами и той частью стволов, где двигались бадьи, не было даже ограждения. Каждый пролет заканчивался небольшой площадкой. Спуск по многочисленным вертикальным лестницам, облепленным грязью, а зимой покрытым ледяной коркой, был очень изнурителен и опасен. Все это мало беспокоило администрацию рудника. Лишь после нескольких несчастных случаев производили технический осмотр, но и тогда ограничивались заменой лишь отдельных ступеней.
На многочисленных алтайских «приисках», как называли места закладок пробных шахт для разведки найденного месторождения, часто отсутствовали и ручные вороты, а руда поднималась попросту верёвкой, к концу которой привешивалась бадья. Столь же примитивным способом удалялась и грунтовая вода. Спуск в подобные шурфы напоминал лазание по вертикальным скалам. Он осуществлялся при помощи шестов, и лишь с глубины 5-6 метров ставились лестницы.
В 1760 году в России было опубликовано руководство для металлургов и горняков под названием «Обстоятельное наставление рудному делу». Автор – руководитель канцелярии монетного департамента Иван Андреевич Шлаттер (до переезда в Россию — Иоганн-Вильгельм Шлаттер, 1708-1768) — видный специалист в области горного дела, металлургии, пробирного и монетного дела. Поскольку написанное задолго до этого, но оставшееся в рукописи, аналогичное руководство М.В. Ломоносова было издано лишь три года спустя, книга Шлаттера явилась первым пособием такого рода. В этой книге было впервые дано изображение и подробное описание на русском языке паровой машины для откачки воды из шахт.
В 1761 году руководство Колывано-Воскресенских рудников обязало своих горных офицеров (которых в то время называли на немецкий манер «шихтмейстерами») изучать эту работу Шлаттера.
Одним из таких горных инженеров был . После огромной подготовительной исследовательской работы, которой Ползунов мог заниматься лишь урывками в немногие свободные часы, он подал в апреле 1763 года начальнику Колывано-Воскресенских заводов А.И. Порошину докладную записку, предлагающую начать широкое применение паровых («огнедействующих») машин, а также чертеж и описание такой машины, предназначенной для заводских целей.
Первые проекты использования силы пара для приведения в действие различных механизмов встречаются в работах многих изобретателей XVII века. Одни, как например С. де Ко во Франции или Э. Сомерсет, известный также под именем маркиза Ворчестера (по английскому произношению Вустера) в Англии, проектировали сосуды, вода из которых должна была бить фонтаном под действием пара, давящего на поверхность воды. Другие предлагали использовать струю пара для вращения своеобразной турбины (итальянец Дж. Бранка).
Как говорил Ф. Энгельс: «Паровая машина была первым действительно интернациональным изобретением, и этот факт в свою очередь свидетельствует об огромном историческом прогрессе».
В создании первых паровых машин к концу XVII века видную роль сыграли проекты и опыты талантливого изобретателя Дени Папена, француза по происхождению, долго жившего в Англии и Германии и сотрудничавшего там с выдающимися учеными.
Решающие опыты Папена были произведены в Германии и связаны с теоретическими трудами знаменитого Лейбница, с которым Папен поддерживал переписку на протяжении ряда лет. Папен первый предложил паровую поршневую машину (в 1690 г.), где, однако, паровой котел, цилиндр и конденсатор не были отделены один от другого (вода и кипятилась и охлаждалась в рабочем цилиндре). Кстати, Папен предполагал, что новый двигатель может быть применен не только «к подъему воды или руды из шахт», но и «для продвижения судов против ветра» и «для множества других подобных вещей». Но ни этот, ни последующие (например, предложенные в 1705-1706 годах) проекты и модели Папена практического применения не получили.
В 1698 году английский инженер Томас Севери построил первую практически применимую паровую машину («огневой насос ») своеобразной конструкции. Изобретатель назвал ее «друг горняка». Машины Севери имели очень узкое назначение — откачку воды из подземных выработок, хотя теоретически Севери допускал возможность применения «огнедействующей» машины и для других нужд.
В машине Севери котел был отделен от рабочего сосуда, но работа пара, перегонявшего воду из сосуда вверх по трубе непосредственным давлением на ее поверхность, и его конденсация происходили в одном и том же сосуде. Ни цилиндра, ни поршня в машине не было. Машина такого типа и была первой паровой машиной, появившейся в России. В 1717- 1718 годах Петр I выписал из Англии машину системы Севери, усовершенствованную физиком Жаном-Теофилем Дезагюлье . Этот «огневой насос», сферический котел которого вмещал 5-6 бочек воды, употреблялся для пуска фонтанов в Летнем саду.
В 1711-1712 годах английский изобретатель, кузнечный мастер Томас Ньюкомен построил совместно с Джоном Колли (или Коули) первую паровую (точнее пароатмосферную) поршневую машину.
Двигатель Ньюкомена предназначался вначале также лишь для откачки воды. Посредством балансира он соединен был с насосной установкой. Двигатель представлял собой пароатмосферную машину. В открытом сверху вертикальном цилиндре двигался поршень. Движение поршня вверх (холостой ход) совершалось под действием пара, поступающего под поршень из котла, расположенного под цилиндром. Подъему поршня содействовал также вес насосной штанги и добавочного груза, подвешенного на противоположном конце балансира. Движение поршня вниз (рабочий ход) совершалось силой атмосферного давления после того, как пар под поршнем охлаждался путем вбрызгивания в цилиндр (под поршень) холодной воды.
Даже после усовершенствований, внесенных в конструкцию машины Ньюкомена Г. Бейтоном, Дж. Смитоном и, наконец, знаменитым английским изобретателем Джемсом Уаттом в 1769-1774 годах, паровая машина Ньюкомена сохраняла это узкое назначение.
«…Паровая машина в том виде, как она была изобретена в конце XVII века, в мануфактурный период, и просуществовала до начала 80-х годов XVIII века, не вызывала никакой промышленной революции », — подчеркивал К. Маркс.
И на Урале еще в 50-х годах XVIII века ставился вопрос о применении паровой машины (по-видимому, системы Ньюкомена) для откачки воды из шахт. Так, например, канцелярия Гумешевского медного рудника весной 1752 года обратилась в Берг-коллегию с просьбой затребовать из Академии наук модель машины, которая «чрез огонь из глубоких ям воду вытягивает», а также «аккуратное об ней описание». Впрочем, это начинание осталось неосуществленным.
До весны 1763 года нигде в мировой практике паровые («огнедействую щие») машины не применялись для непосредственного приведения в движение каких-либо заводских или транспортных механизмов , хотя теоретически такая возможность допускалась, как мы видели, Д. Папеном и Т. Севери, а также и некоторыми позднейшими конструкторами, например Дж. Хэллзом (Гулльзом) в Англии или И.-Э. Фишером в Германии в 30-х годах XVIII века.
В тех случаях, когда (к середине XVIII века) делались отдельные попытки использовать силу «огня» (пара) для приведения в действие заводских механизмов (сверлильных станков, воздуходувок и т.д.), паровую машину (системы Севери или Ньюкомена) заставляли поднимать воду в резервуар, а затем пускали эту воду на колесо, которое приводило в движение данный механизм.
В докладной записке к своему первому проекту 1763 году Ползунов выдвинул поразительное по смелости предложение - заменить всю систему водяных двигателей на заводах «огненными», т.е. паровыми двигателями, тем самым «облегчая труд по нас грядущим».
Проектируя свою паровую машину для различных заводских целей, Ползунов стремился прежде всего разрешить конкретные запросы алтайского и вообще русского горнометаллургического производства. В связи с необходимостью постройки алтайских заводов непременно на реках, часто вдали от рудников и лесов, увеличивались трудности перевозки руды и угля. Именно в период 1762-1763 годов Колывано-Воскресенское горное начальство получило задание построить ряд новых заводов. Между тем было трудно найти места, где бы имелись и рудные месторождения, и леса (древесное топливо), и которые были бы вместе с тем удобны для создания крупных водохранилищ.
Ползунов настойчиво стремился найти способ строить заводы в любом безводном месте. Начиная свою докладную записку с анализа основных недостатков горного дела в России, он подчеркивал, что необходимость строить заводы на реках ограничивает возможность строительства новых заводов и вызывает огромные дополнительные расходы государственных средств.
Ползунов подчеркивал, что он замыслил «сложением огненной машины водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничтожить, а вместо плотин за движимое основание завода ее (паровую машину) учредить так, чтобы она была в состоянии все наложенные на себя тягости, каковы к раздуванию огня обычно в заводах бывают потребны, носить и по воле нашей, что будет потребно, исправлять (здесь в смысле исполнять)… Дабы сей славы (если силы допустят) Отечеству достигнуть и чтоб во всенародную пользу… в обычай, ввести».
Докладная записка 1763 года показывает также, что скромный алтайский шихтмейстер, непрестанно отвлекаемый текущими поручениями, ничего общего не имеющими с изобретательством и с науками, успел приобрести солидные практические и теоретические знания. Он трезво оценивал, например, состояние литературы о паровых машинах, говоря, что «действие огненных машин должно более примечаниями (наблюдениями) и опытами, нежели в тягостях (в расчетах нагрузок) — механическими, а в фигурах — геометрическими доводами, утверждать и теоретически доказывать».
Он правильно отмечал отставание современной ему теории от практики «особливо в воздушных и огненных делах», т. е. в области учений о газах и о теплоте. Теоретические замечания Ползунова показывают, что он был в курсе борьбы научных мнений о природе тепловых явлений. Ему было знакомо как старое учение о теплороде, так и новая молекулярно-кинетическая теория теплоты, главным представителем которой в России был М.В. Ломоносов.
Круг литературных источников, использованных Ползуновым, нам мало известен (на русском языке в то время имелась лишь одна книга, содержавшая беглое упоминание об использовании паровых двигателей для откачки воды из шахт: Г. Крафт «Краткое руководство и познания простых и сложных машин, сочинённое для употребления российского юношества», СПб, 1738). Несомненно лишь, что изобретатель изучал вышедшую в 1760 году книгу И.А. Шлаттера «Обстоятельное наставление рудному делу», где на страницах 150-169 давалось описание паровой (точнее - пароатмосферной) машины Ньюкомена с соответствующими рисунками. Шлаттер в свою очередь позаимствовал это описание из книги французского инженера Б.-Ф. Белидора «Гидравлические сооружения» (1739). О знакомстве Ползунова с некоторыми трудами Ломоносова можно лишь высказывать предположения.
В своем проекте Ползунов, и в этом его огромная историческая заслуга, впервые дал подробное описание оригинальной паровой (точнее — пароатмосферной) машины, позволявшей осуществлять непрерывность отдачи работы, а потому пригодной для применения в различных заводских операциях. Описание сопровождалось тщательными расчетами и чертежами машины во всех ее деталях.
Канцелярия Колывано-Воскресенского горного начальства во главе с Порошиным, рассмотрев 25 апреля 1763 года представленные Ползуновым документы, одобрила проект, хотя с оговорками и сомнениями («сумнительствами»), особо подчеркнув, что осуществление замысла изобретателя позволит «избегнуть против нынешнего знатных расходов, а именно строения чрез великую сумму на реках плотин», и что если «сверх сомнения» Ползунов построит машину, то она «не столько при одних здешних, но и при многих в России заводах, фабриках и мануфактурах руководить может с немалою пользою».
Затем проект Ползунова с заключением Канцелярии послан был на заключение Шлаттеру. Последний также выдвинул против предложений изобретателя ряд оговорок, возражений и «сумнительств». В целом же Шлаттер приходил к положительному выводу и рекомендовал «велеть такую машину, какую он (Ползунов) проектировал, построить и в действие производить, дабы практикою теорию свою подтверждала». Он одобрил намерение Канцелярии поощрить изобретателя производством в чин горного механика («берг-механикуса») и денежной наградой.
Екатерина II утвердила это решение и «великодушно» пожаловала Ползунову 400 р., которые, однако, были доставлены изобретателю, когда он лежал уже на смертном одре.
К марту 1764 года Ползунов разработал подробный второй проект парового двигателя несколько иной конструкции, позволившего непосредственно приводить в действие воздуходувные мехи при сереброплавильных печах.
В январе 1764 года заводское начальство вынесло решение о применении машин системы Ползунова — как при Барнаульском заводе, так и на Новолазурском и Семеновском рудниках. Возможно, что на эти рудники предполагалось перенести барнаульскую машину.
Для производства деталей паровой машины Ползунов сконструировал ряд станков — токарных и др. — с водяным приводом.
К числу серьезных ошибок, нередко повторявшихся в литературе о Ползунове, принадлежит утверждение, будто изобретатель был одиночкой и создавал все свои гидротехнические и теплотехнические установки единолично.
Верно, конечно, что круг помощников Ползунова был еще узок. Но такие помощники были. Да было бы и физически невозможно одному человеку сооружать огромную по тем временам паровую машину.
К «механикусу» Ползунову было прикомандировано четыре ученика - Дмитрий Левзин, Федор Овчинников, Иван Черницын и Петр Вятченин, мастер по расковке меди Филат Медведев и отставной мастеровой Спиридон Бобровников.
19 марта 1764 года Ползунов просил также прикомандировать еще следующих мастеров по литейному делу: плавильщиков («шмельцеров») Ивана Шевангина, Сергея Трусова, Федора Кирсанова и Ивана Колмина, кузнеца Ефима Материна, обжигальщика Михайлу Густокашина и отставного мастерового Григория Бобровникова; по расковке меди - мастеров Семена Коренева и Козьму Девкина, по меднокотельному, паяльному, кузнечному и слесарному делу - Ивана Клюева, Андрея Зуева, Сафона Васильева и Григория Харитонова; столяров для изготовления моделей и образцов - Игнатия Речкунова и Степана Худякова, а к ним работников из бочкарей - Ивана Сафонова и Петра Кунгурова. Кроме того, Ползунов просил дать ему чернорабочих из заводских крестьян по 40 человек на июль и август и с ними по 10 человек плотников.
Хотя в помощь изобретателю давали меньше людей, чем он просил, но все же частично его ходатайство удовлетворили. Помощники из числа мастеров и чернорабочих у изобретателя были. Особенно значительную роль в постройке машин играли механические ученики Иван Черницын и Дмитрий Левзин,
К декабрю 1765 года «огненная машина» была в основном закончена. Ползунов опробовал ее в действии, заменив для этого случая отсутствовавшие мехи бревнами. Затем приступили к постройке мехов.
Алтайскому механику было несравненно труднее строить паровую машину, чем мастерам Англии, единственной страны, где вообще в то время производились такого рода двигатели.
Еще в первой четверти XVIII века там был создан около Лондона специальный завод для выделки паровых цилиндров и других деталей «огнедействующих» машин. С этого завода посылались и мастера для сборки паровых машин (как правило, одноцилиндровых, системы Ньюкомена). И все же английским теплотехникам второй половины XVIII века (в том числе и Уатту) пришлось сталкиваться с огромными трудностями в деле производства деталей паровых машин, которые зачастую оказывались непригодными.
На Алтае не было машиностроительных заводов. Примитивные, почти полностью деревянные машины и механизмы мануфактурных предприятий строились и собирались обычными заводскими плотниками столярами, кузнецами и слесарями.
Ползунов должен был создавать не только детали машин (медные, железные, свинцовые, стальные), но и орудия для производства этих деталей.
И он действительно изготовил множество специальных инструментов, сконструировал ряд станков - токарных и других, частично приводимых в движение силой воды.
Что же представляла собой ползуновская машина - первая паровая машина, для заводских целей построенная в России?
Недалеко от заводского пруда было построено высокое деревянное здание около 19 м высотой, где размещалась огнедействующая машина с котельной установкой, парораспределительным, водораспределительным и передаточным механизмами. Часть здания была низкой и вытянутой в длину. Там должны были находиться воздуходувные мехи, обслуживаемые паровой машиной.
Котельная установка занимала нижний ярус основной (высокой) части здания и выступала над полом второго яруса. Медный котел имел внизу вид усеченного конуса, а вверху - полушаровидную форму. Он имел прибор для автоматического питания котла водой и еще несколько остроумных приспособлений, введенных Ползуновым для обеспечения бесперебойной работы котла.
Над котлом, занимая все верхние ярусы здания, размещались цилиндры паровой машины с водо- и парораспределительными устройствами, а также механизм для передачи движения воздуходувным мехам.
«Огнедействующая машина», построенная в 1764-1765 годах, относилась в основном к той же системе, которая предусматривалась проектом 1763 года но имела значительно большую мощность — 32 л.с. вместо 1.8 л.с.
Взяв в качестве исходной конструкцию ньюкоменовской пароатмосферной машины, Ползунов запроектировал машину не с одним, а с двумя такими цилиндрами. Каждый из этих медных цилиндров имел огромные по тем временам размеры - около 3 м в высоту и 0.8 м в диаметре (по проекту 1763 года цилиндры должны были иметь в четыре раза меньший диаметр). В цилиндрах двигались железные поршни (как тогда говорили «эмволы»), обтянутые кожей. Техника того времени была еще столь несовершенной, что плотно подогнать поршни к внутренней поверхности цилиндров не удавалось. Зазоры достигали 15 мм. С подобной же трудностью сталкивались и западные теплотехники. В цилиндрах их паровых машин зазоры были тоже очень велики, и пар то здесь, то там вырывался из них.
Поршни в двухцилиндровой машине Ползунова двигались в противоположных направлениях - когда один поднимался, другой опускался. Движение поршней передавалось двум балансирам, которые качались вверх и вниз также в противоположных направлениях (в проекте 1763 года Ползунов предусматривал не балансиры, а шкивно-цепную передачу, но впоследствии отказался от такого устройства). Вторые плечи балансиров должны были соединяться посредством тяг с рукоятками двух воздуходувных мехов.
Только что описанное устройство двухцилиндровой машины с двумя балансирами обеспечивало непрерывное дутье для плавильных печей. Воздухораспределительная и парораспределительная системы машины были устроены в высшей степени остроумно. Хотя, как уже отмечалось, Ползунов был знаком с книгой Шлаттера, а может быть, и с некоторыми другими чертежами созданных к этому времени паровых машин, но его изобретение было новым вкладом в мировую теплотехнику. Это признал и Шлаттер, отметивший в своем заключении: «…Он, шихтмейстер, так похвалы достойною хитростию оную машину умел переделать (по сравнению с машиной Ньюкомена) и изобразить, что сей его вымысел за новое изобретение почесть должно», потому что Ползунов «вместо того что все в свете находящиеся такие машины одинаки и из одного цилиндра состоят, то он оную на две разделил…»
Итак, замечательное творение первого русского теплотехника было в основном завершено. Оставались лишь некоторые доделки - и машина могла войти в строй. Однако судьба самого Ползунова складывалась трагически. За несколько лет до этого у него началось легочное заболевание. Постоянная нужда, тяжелая и нервная работа, нередко сопряженная с большой опасностью, способствовали усилению болезни.
Материальные условия жизни Ползунова почти не улучшились и после того, как он стал «механикусом».
Он вынужден был, отказывая себе в самом необходимом, строить за свой счет модель «огнедействующей» машины, которую намеревался послать в Петербург. Впрочем, собрать изготовленные им детали этой модели механик уже не успел.
Болезнь его становилась все более тяжелой. Непомерное физическое и нервное напряжение зимой 1765-1766 годов во время сооружения огромной машины усугубило ход болезни. Тридцатисемилетний изобретатель в расцвете творческих способностей, накануне завершения своей замечательной машины почувствовал приближение смерти. И только тогда — 21 апреля 1766 года — продиктовал он своему ученику Ивану Черницыну «челобитную» на имя Екатерины II — потрясающий документ, в котором особенно ярко отразился духовный облик выдающегося русского изобретателя — скромного, настойчивого, полного «благородной упрямки» (говоря словами Ломоносова) в достижении основной цели жизни — развития отечественного производства. Механик напоминал там о состоявшемся в свое время одобрении его проекта «с планом и описанием новой машины», отметив, между прочим, и произвол горного начальства, не выдавшего ему обещанной награды. Он предвидел возможность смерти, «о его больше всего беспокоила судьба машины. Вынужденный просить об увольнении по болезни «от всего того машинного производства», изобретатель подчеркивал, что его ученики Левзин и Черницын при поддержке Порошина и других горных офицеров смогут довести его дело до конца, что Левзин и Черницын поняли устройство машины во всех деталях «и производство знают».
Видимо, заводские чиновники испугались нагоняя из Петербурга за то, что задержали наградные. В тот же день 21 апреля 1766 года они отослали прикованному к постели Ползунову, изнемогавшему от жестокого горлового кровотечения, жара и невыносимых болей, 400 рублей серебром. Лекарь Яков Кизинг стал более внимательно, чем прежде, «пользовать» больного. Но было уже поздно. 16 мая 1766 года первый русский теплотехник скончался.
Паровая машина была введена в строй его учениками и соратниками, среди которых был другой .
Так оборвалась короткая, но славная жизнь «механикуса» Ползунова, сделавшего первый шаг не только в России, но и во всем мире к созданию такой паровой машины, которая была бы способна «по воле нашей, что будет потребно, исправлять», иначе говоря, к созданию универсального парового двигателя. Это дело завершено было в Англии Уаттом пятнадцать лет спустя.
Результаты работы первой русской паровой машины оказались вполне удовлетворительными. Как сообщал Порошин Кабинету рапортом от 29 января 1767 года, с помощью этой машины было проплавлено значительное количество руды, перевозимой со Змеиногорского рудника, причем чистая прибыль от работы парового двигателя составила 11 тыс. рублей. Однако из-за аварии котла (который признавался ненадежным самим Ползуновым) машина в ноябре 1766 года была остановлена и больше не применялась.
Весной следующего 1767 году Д. Левзин и И. Черницын со всеми документами об окончании ползуновской машины и с моделью ее были отправлены Порошиным в Петербург. Порошин пытался заинтересовать изобретением покойного механика кабинетное начальство и Академию наук. М.В. Ломоносова уже не было в живых, но в академии работали его ученики. Один из них, математик С.К. Котельников, вскоре возглавивший академический музей (кунсткамеру), должен был обучить Д. Левзина математике и механике (для чего решено было приобрести два экземпляра книги Г.В. Крафта «Краткое руководство к познанию простых и сложных машин»). Черницын был сразу же возвращен на Алтай. Машину Ползунова признали полезной. Ее модель поместили в кунсткамере, причем намечено было провести сопоставление работы ползуновской машины (на примере этой модели) с предыдущими конструкциями паровых двигателей.
Однако эта инициатива передовых ученых ломоносовской школы, натолкнулась на бездушное, а иногда и просто недоброжелательное отношение горных чиновников.
Они не были заинтересованы в распространении паровых двигателей. По их твердому убеждению, на и в других промышленных районах достаточно было дешевого крепостного труда. А если уж приходилось применять какие-то двигатели, кроме ручных, то следовало ограничиться более привычными, простыми и недорогими конными и водяными двигателями.
В 1768 году А.И. Порошин ушел в отставку. Во главе заводов был поставлен горный чиновник Андрей Ирман, сторонник традиционной, старой техники. Д. Левзин был скоро возвращен на Алтай.
Свое мнение о паровых машинах новый начальник Колывано-Воскресенских заводов вполне отчетливо выразил в рапорте от 1 февраля 1768 года: «Вышеписанная машина до сего уже давно оставлена, да и пущать в действо, по изобилию при здешнем заводе воды, за ненужно (за ненужностью) не признавается».
Что касается переноса машины Ползунова на один из двух ранее намеченных рудников, или на какой-либо другой завод (Черницин предлагал это в 1769 году) то и это предложение было отвергнуто Канцелярией «по неимению здесь искусных ремесленников». Нечего говорить, что на Колывано-Воскресенских заводах было множество «искусных ремесленников». Мы увидим, что не раз в последующие десятилетия барнаульские механики выступали с замечательными проектами паровых машин разных конструкций и систем, но им не удалось воплотить в жизнь свои замыслы. Горное начальство ничего не сделало, чтобы на родине первого русского парового двигателя, на Колывано-Воскресенских заводах, вместо водяных двигателей были введены паровые машины той или иной конструкции.
В 1778 году Ирман обратился в Кабинет с официальной просьбой разобрать ползуновскую машину. Ирман вновь подчеркивал, что в такой машине впредь никогда надобности не будет, «потому что при здешних заводах расплавка руд и получение серебра производится по довольству воды, чрез вододействуемые машины».
В 1780 году при преемнике Ирмана Меллере огромная машина и здание, где она стояла, были разобраны. Медные цилиндры и другие части машины долгое время валялись без всякого присмотра под открытым небом на берегу заводского пруда. Еще в начале XIX века дети, играя у пруда, прятались в эти цилиндры.
Дело смелого новатора не замерло. На Алтае остались его ученики и последователи. Они стремились искать новые решения, соответствующие быстро растущему уровню мировой техники.
Попытки обеспечить непрерывность работы двигателя путем сочетания двух пароатмосферных цилиндров, делавшиеся в последующие годы и в других странах (например, Н.-Ж. Кюньо во Франции, Фальком в Англии), характерны для первого этапа разработки проектов универсальной паровой машины.
Второй и решающий этап борьбы за создание универсальной паровой машины относится уже к началу 80-х годов. Он связан прежде всего с деятельностью знаменитого английского механика Джемса Уатта.
Передовые русские теплотехники конца XVIII и начала XIX веков исходили уже в своем творчестве из достижений Уатта. Однако при всех преимуществах второй паровой машины Уатта по сравнению с «огнедействующей машиной» Ползунова необходимо еще раз подчеркнуть, что Ползунов задолго до Уатта в тяжелых условиях крепостного Алтая выступил как пионер в деле создания универсального парового двигателя для заводских целей .
А потому совершенно прав был Эрик Лаксман, давший оценку деятельности Ползунова в словах: « ».
Литература:
Поставить пар на службу человечеству люди смогли лишь в самом конце XVII века. Но еще в начале нашей эры древнегреческий математик и механик Герон Александрийский наглядно показал, что с паром можно и нужно дружить. Наглядным подтверждением тому стал Героновский эолипил, фактически, первая паровая турбина - шар, который вращался силой струй водяного пара. К великому сожалению, многие удивительные изобретения древних греков на долгие столетия были прочно забыты. Лишь к XVII столетию относится описание чего-то, похожего на паровую машину. Француз Соломон де Ко (Salomon de Caus), бывший одно время строителем и инженером у Фридриха V Пфальцского, в своем сочинении от 1615 года описал полый железный шар с двумя трубками: принимающей и выводящей жидкость. Если наполнить шар водой и подогреть, то по второй трубке вода начнет подниматься наверх, повинуясь воздействию паров. В 1663 году уже англичанин Эдвард Сомерсет (Edward Somerset), маркиз Уорчестерский, написал брошюру, в которой рассказал о машине, могущей поднимать воду наверх. Тогда же Сомерсет получил патент ("привилегию") на описанную машину. Как видим, все мысли изобретателей Нового времени вращались вокруг выкачивания воды из шахт и копей, что, надо отметить, проистекало из насущной задачи. Поэтому неудивительно, что следующие три изобретателя, о которых пойдет речь ниже, также были в первую очередь озабочены созданием паровой машины для откачки воды. Ближе к самому завершению XVII века два человека в Европе результативнее других работали над укрощением пара - Дени Папен (Denis Papin) и Томас Сэйвери (Thomas Savery).
"Огненная" машина Сэйвери.
Англичанин Сэйвери 2 июля 1698 года получил патент на машину для откачки воды из шахт. В патенте говорилось: "Жалуется привилегия Томасу Сэйвери за проведенное им одним испытания нового изобретения для подъема воды, вращения любых видов мельниц путем сил огня, что будет очень важно для осушения шахт, снабжения городов водой и вращения всех видов мельниц". Опытный образец под названием "Огненный мотор" (Fire engine) в 1699 году был выставлен напоказ в Королевском Научном обществе в Лондоне. Машина Сэйвери функционировала таким образом: герметичный резервуар наполнялся паром, а после внешнюю поверхность резервуара охлаждали холодной водой, из-за чего пар конденсировался, создавая в резервуаре частичный вакуум. Затем вода со дна со дна шахты через заборную трубу засасывалась в резервуар и, после впуска новой порции пара, выталкивалась наружу через выпускную трубу. Стоит отметить, что изобретение Сэйвери походило на машину Сомерсета, и многие полагают, что Сэйвери напрямую отталкивался от последней. К сожалению, у "огненной" машины Сэйвери нашлись недостатки. Самый главный из них - невозможность поднимать воду с глубины более 15 метров, хотя в то время уже существовали шахты, чья глубина превышала 100 метров. Кроме того, машина потребляла очень много топлива, что не было оправдано даже близостью большого количества угля на шахте. Француз Дени Папен, медик по образованию, в 1675 году переехал в Лондон. Папен сделал несколько открытий, которые навечно вписали его имя в историю. Для начала Папен изобретает скороварку - "Папенов котел". Бывший медик смог установить зависимость между давлением и температурой кипения воды. Герметичный котел с предохранительным клапаном благодаря повышенному давлению внутри доводил воду до кипения гораздо позже, поэтому температура обработки продуктов повышалась и последние готовились в разы быстрее. В 1674 году Папен создал пороховой двигатель: в цилиндре воспламенялся порох, отчего поршень внутри цилиндра перемещался. Одна "партия" газов выпускалась из цилиндра через специальный клапан, а другая - охлаждалась. В цилиндре образовывался вакуум (пусть и слабенький), и атмосферное давление опускало поршень вниз. В 1698 году Папен изобретает паровую машину с применением воды, которая нагревалась внутри вертикального цилиндра - образовавшийся пар двигал поршень вверх. Затем цилиндр охлаждали водой, пар конденсировался и возникал вакуум. Все то же атмосферное давление заставляло поршень опускаться. Несмотря на прогрессивность своей машины (наличие поршня), Папен не смог извлечь из нее каких-либо значимых дивидендов, поскольку Сэйвери запатентовал паровой насос, а других способов применения для паровых машин на тот момент не наблюдалось (хотя в патенте Сэйвери и указывалась возможность "вращения мельниц"). В 1714 году, в столице Британской империи, Папен скончался в нужде и одиночестве. Гораздо более удачливым оказался другой англичанин - Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen), родившийся в 1663 году. Ньюкомен внимательно ознакомился с работами и Сэйвери, и Папена, отчего смог понять слабые места прежних машин, одновременно взяв от них самое лучшее. В 1712 году вместе со стекольщиком и водопроводчиком Джоном Калли (John Calley) он строит свою первую паровую машину. В ней использовался вертикальный цилиндр с поршнем, как у машины Папена. Однако пар образовывался в отдельном паровом котле, что было схоже с принципом действия "огненной" машины Сэйвери. Герметичность внутри парового цилиндра была повышена за счет кожи, которая закреплялась вокруг поршня. Машина Ньюкомена тоже являлась пароатмосферной, т.е. подъем воды из шахты осуществлялся при воздействии атмосферного давления. Она была довольно громоздкой и "поедала" много угля. Тем не менее, практической пользы машина Ньюкомена приносила несравненно больше, отчего ее почти полстолетия применяли в шахтах. В Англии, например, она позволила вновь открыть заброшенные шахты, которые затопило грунтовыми водами. И еще один яркий пример эффективности машины Ньюкомена - в 1722 году в Кронштадте в сухом доке воду из корабля откачали в течение двух недель, в то время как с устаревшей системой откачки с помощью ветряных мельниц на это ушел бы год. Несмотря на все это, Томас Ньюкомен не получил патент на свою паровую машину из-за патента Сэйвери. Возможность применения паровой машины Ньюкомена с целью приведения в движение транспортного средства конструкторами рассматривалась, в частности, для привода гребного колеса на судне. Однако попытки успехом не увенчались. Изобрести компактную, но мощную паровую машину довелось Джеймсу Уатту (James Watt). В 1763 году Уатту, механику университета Глазго, дали задание починить паровую машину Ньюкомена. В процессе ремонта Уатт приходит к следующей идее - цилиндр паровой машины нужно держать постоянно нагретым, что резко сократит расход топлива. Оставалось лишь понять, как в таком случае конденсировать пар. Осенило Уатта, когда он совершал вечерний моцион возле прачечных. При виде облаков пара, стремящихся выбраться из-под крышек котлов, изобретатель вдруг осознал, что пар является газом, и он должен перемещаться в цилиндр с пониженным давлением. Уатт решительно берется за дело. Он применяет водяной насос и металлические трубки, из которых насос станет откачивать воду и пар, создавая в последних пониженное давление, а оно, из трубок, начнет передаваться в рабочий цилиндр паровой машины. Для рабочего хода Уатт применяет давление пара, отказываясь тем самым от атмосферного давления, что стало большим шагом вперед. Для этой цели, чтобы пар не проходил между цилиндром и поршнем, пеньковой веревкой, пропитанной маслом, обматывали поршень вдоль специальных бороздок. Такой способ позволял добиться достаточно высокой герметичности внутри парового цилиндра. В 1769 году Уатт получил патент на "создание парового двигателя, в котором температура двигателя всегда будет равна температуре пара, несмотря на то, что пар будет охлаждаться до температуры ниже ста градусов". В 1772 году Джеймс Уатт свел знакомство с промышленником Мэтью Болтоном (Mathew Bolton). Этот богатый господин выкупил и возвратил Уатту все его патенты, которые незадачливый изобретатель вынужден был заложить за долги. При поддержке Болтона работа Уатта ускорилась. Уже в 1773-м Уатт испытывает свою паровую машину; она выполняла все ту же функцию парового насоса, но угля требовала гораздо меньше. Видя очевидные преимущества машины Уатта, Болтон открывает совместную с изобретателем компанию по производству паровых машин, и в 1774 году в Англии начинается их выпуск. Реализация паровых машин шла настолько хорошо, что Болтон захотел построить новый прокатный цех, для чего попросил Уатта создать специальную паровую машину - для привода прокатных станков. Уатт блестяще справился с задачей, и в 1781 году запатентовал паровую машину "для осуществления движения вокруг оси с целью приведения в действие других машин". Таким образом, на свет появилась первая паровая машина не для поднятия воды со дна шахт, а для приведения в движение машин. Новая машина Уатта обладала рядом усовершенствований. Например, регулятором для равномерного вращения главного вала паровой машины, а также планетарным механизмом для создания кругового движения. Последний Уатт изобретает потому, что применить кривошипно-шатунный механизм ему не позволяет действующий патент. Но в 1784 году Уатту все же удалось добиться разрешения на использование в паровой машине кривошипно-шатунного механизма. Таким образом, созданная Уаттом первая в мире универсальная паровая машина стала приводить в движение промышленные станки, возвещая о приходе эры паровых машин. Очень скоро пар станет двигать пароходы и поезда, благодаря чему жизнь человека в корне изменится. Огромные заслуги Джеймса Уатта не прошли незамеченными для потомков - в 1819 году приказом английского парламента в Вестминстерском аббатстве великому изобретателю поставили мраморный памятник. Считается, что первый пароход построил американец Роберт Фултон (Robert Fulton) в 1807 году - его корабль с гребным колесом назывался "Клермонт". Поначалу Фултон пытался с помощью пара приводить в движение весла, но затем обратился к более удачной идее колеса. Первое плавание на "Клермонте" Фултон совершил один, поскольку жители окрестностей наотрез отказались сесть в "дьявольски" дымящую посудину. Зато на обратном пути к Фултону все-таки подсел один смелый человек, за что и получил от изобретателя право на пожизненный бесплатный проезд на "Клермонте". Затем рейсы судна Фултона стали обыденностью - "Клермонт" перевозил людей по реке Гудзон от Нью-Йорка до Олбани, развивая скоростью около 5 узлов (9 км/ч). Первый винтовой пароход построил в 1838 году англичанин Френсис Смит (Francis Smith). Использование гребных винтов вместо гребных колес позволило значительно улучшить ходовые качества пароходов. На пароходах постепенно исчезают вспомогательные паруса (вспомним, что в 1819 году американский пароход "Саванна" пересек Атлантический океан по большей части с помощью парусов), а к началу ХХ века в историю уходят и сами парусные корабли. Первый паровоз построил британец Ричард Тревитик (Richard Trevithick). Это была повозка с паровым двигателем, двигающаяся по рельсам со скоростью 7 км/ч и перевозившая состав весом 7 тонн. В 1804 году для испытания паровоза Тревитика в Лондоне построили небольшую рельсовую дорогу. В наше время и пароходы, и паровозы уже давно стали исторической диковинкой, которую, правда, можно встретить в самых разных странах. Так, в Норвегии на озере Мьёс до сих пор функционирует самый старый колесный пароход в мире - "Скибладнер", построенный еще в 1856 году. В свою очередь, паровозы активно эксплуатируются в странах третьего мира, а это значит, что пар по-прежнему верой и правдой служит человечеству."Паровая телега" Кюньо.
Отдельная веха в истории пара - паровые автомобили. Первую действовавшую паровую автомашину ("паровую телегу") построил француз Никола-Жозеф Кюньо (Cugot) в 1769 году. Это была очень тяжелая, весившая более тонны повозка, с управлением которой едва могли справиться два человека. Эстетически машина выглядела не слишком красиво - котел, словно горшок на ухвате, размещался впереди транспорта. "Телега" Кюньо развивала скорость около 2-4 км/ч и могла перевозить до 3 тонн груза. Эксплуатировать ее было сложно - для поддержки давления пара, которое быстро падало, приходилось каждые четверть часа останавливаться и зажигать топку. В конце концов, в очередной испытательной поездке Кюньо и кочегар (между прочим, кочегар по-французски звучит как "шоффер", откуда и произошло затем слово "шофер") потерпели аварию на крутом повороте, отчего котел взорвался, наведя шуму на весь Париж. Кюньо построил новую "телегу", но в массы она не пошла. В 1794 году ее сдали в музей. Значительный вклад в развитие паровых автомашин внес еще один француз - Леон Эммануэль Серполле (Leon Serpollet). В 1875 году он создал небольшую, но мощную автомашину на пару. Леон решил, что воде лучше нагреваться не в котле, а в разогретых трубках, где она превращается в пар очень быстро. Первой работающей машиной Серполле стал двухместный трехколесный экипаж из дерева. Поначалу полиция запрещала французу ездить даже по ночам, но в 1888 году все же сдалась и выдала официальную бумагу с разрешением на поездки. На этом Серполле не остановился. Вместо угля он начинает использовать жидкое топливо, которое подавалось на две горелки. В 1900 году он открывает фирму совместно с американцем Фрэнком Гарднером (Frank Gardner) - Gardner- Serpollet. В 1902 году Серполле создал гоночный паровой автомобиль и установил на нем в Ницце мировой рекорд скорости на суше - 120,77 км/ч. Неудивительно, что на тот момент паровые автомобили вполне удачно конкурировали с бензиновыми и электрическими собратьями. Особенно процветали первые в США, где, например, в 1900 году выпустили 1690 паровых, 1585 электрических и всего 936 бензиновых автомобилей. Паровые авто использовались в США вплоть до 30-х годов ХХ века. В первой половине XIX века также строились паровые тракторы, в частности, с гусеничным ходом. Однако коэффициент полезного действия паровых двигателей равнялся лишь 5%. По этой причине в начале ХХ века паровые двигатели на автомашинах были заменены двигателями внутреннего сгорания. С их помощью автомобили стали более экономичными, легкими и скоростными. Нельзя не упомянуть и о других, менее удачных применениях пара в конце ХIХ - начале ХХ веков. Широкое распространение пароходов, паровозов и паровых автомашин подтолкнуло изобретателей к мысли, что пар можно использовать в авиации и в армии. Увы, пар в этих областях пригодится не смог. Хотя уже к середине ХIХ века насчитывалось несколько попыток создания аэропланов с паровым двигателем. Англичанин Уильям Хенсон (William Henson) построил аппарат "Эриел Стим Кэрридж", обладавший паровым двигателем мощностью 25-30 л.с., который приводил в действие воздушные винты диаметром 3,05 м. Чтобы уменьшить вес машины, обычный котел был заменен системой сосудов конической формы с использованием воздушного конденсатора. В 1844-1847 годах Хенсон безуспешно испытывал свои аэропланы. Все они закончились неудачно. Но уже в 1848 году Джон Стрингфеллоу (John Stringfellow) все-таки построил аэроплан, который оторвался от земли, хотя и не надолго. Апофеозом "паромании" в авиастроении стал аэроплан Хайрема Стивенса Максима (Hayrem Stivens Maxim), который обладал паровой машиной мощностью в 360 л.с., а размерами мог сравниться с двухэтажным домом. Неудивительно, что аэроплан Максима рухнул в одночасье, как и все мечты человека покорить воздух с помощью пара. Хотя, отметим, что в 1896 году американец Сэмюэл Пирпонт Ленгли (Samuel Pierpont Langley) все-таки построил аэроплан с паровым двигателем, который без пилота пролетел примерно километр, пока не израсходовал топливо. Свое творение Ленгли назвал "аэродромом" (в переводе с древнегреческого - "бегущий в воздухе"). Однако к началу ХХ века всем было понятно, что громоздкие паровые двигатели не годятся для воздухоплавания, тем более, что к этому времени на аэропланах отлично себя зарекомендовали бензиновые двигатели - 17 декабря 1903 года в небе появился знаменитый самолет братьев Райт, снабженный бензиновым двигателем. Не лучше обстояли дела с паром в армии. А ведь еще сам Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci) описал пушку, выстреливающую снарядами силой только огня и воды. Великий флорентиец предположил, что длинный медный ствол с ядром, положенный в печь одним концом, сможет выбросить снаряд, если в отсек за ядром впрыснуть немного воды, когда труба сильно разогреется. Леонардо полагал, что вода при такой высокой температуре испарится очень быстро и, став аналогом пороха, вытолкнет ядро на огромной скорости. Стоит отметить, что идея паровой пушки приписывается Архимеду. В рукописях древних упоминается о том, что во время осады Сиракуз в 212 году до нашей эры римские корабли обстреляли из пушек. Но ведь пороха тогда в Европе не было! И Леонардо да Винчи предположил наличие у Архимеда, чьи устройства обороняли Сиракузы, паровых пушек. Проверить эту идею да Винчи решил греческий инженер Иоанис Саккас (Ionis Sakkas). Он построил деревянную пушку, к тыльной части которой закреплялся котел, нагреваемый до 400°С. Как и предлагал Леонардо да Винчи, в специальный клапан подавалась вода, которая, испаряясь мгновенно, врывалась паром в дуло, отчего бетонное ядро в опытах Саккаса улетало на расстояние 30-40 м. Проверить "быль" о пушках Архимеда брались также студенты университета MIT и участники телесериала "Разрушители легенд", правда, без успеха, подобного достижению Саккаса. В XIX веке к пару вновь вернулись, но создать реально боеспособное оружие (пушку либо пулемет) не удалось. В 1826-1829 годах российский инженер-полковник корпуса путей сообщения А. Карелин изготовил медную 7-линейную (17,5 мм) опытную паровую пушку. Стрельба велась шаровыми пулями при помощи водяного пара, скорострельность достигала 50 выстрелов в минуту. Но испытания, проведенные в 1829-м, не впечатлили "приемную комиссию", которая сочла пушку излишне сложной для использования в полевых условиях. В завершение данной статьи нельзя не упомянуть о стимпанке (англ. "steampunk", от "steam" - "пар" и "punk" - "протест"). Это направление научной фантастики описывает эпоху пара времен Викторианской Англии (вторая половина XIX века) и раннего капитализма (начало ХХ века). Соответственно описываются городские пейзажи, персонажи, общественные настроения и т.д. Сам термин появился в 1987 году. Популярность жанр стимпанк приобрел после появления романа "Разностная машина" Уильяма Гибсона и Брюса Стерлинга (1990). Предтечами стимпанка можно назвать Жюля Верна и Григория Адамова. В последние годы появилось много кинофильмов в стиле стимпанк, самые известные из них - "Дикий, Дикий Запад" (1999), "Машина времени" (2002), "Лига выдающихся джентльменов" (2003) и "Ван Хельсинг" (2004). К стимпанку хронологически примыкает дизельпанк - жанр, описывающий технологический мир 20-50-х годов XX века, весьма близкий, надо отметить, к техномиру начала ХХ века.Интерес к водяному пару, как доступному источнику энергии, появился вместе с первыми научными познаниями древних. Приручить эту энергию люди пытались на протяжении трёх тысячелетий. Каковы основные этапы этого пути? Чьи размышления и проекты научили человечество извлекать из него максимальную пользу?
Потребность в механизмах, способных облегчить трудоёмкие процессы, существовала всегда. Примерно до середины XVIII века для этой цели использовались ветряные мельницы и водяные колеса. Возможность использования энергии ветра напрямую зависит от капризов погоды. А для использования водяных колёс фабрики приходилось строить по берегам рек, что не всегда удобно и целесообразно. Да и эффективность тех и других была чрезвычайно мала. Нужен был принципиально новый двигатель, легко управляемый и лишённый этих недостатков.
Создание парового двигателя - результат долгих размышлений, удач и крушений надежд множества учёных.
Первые, единичные проекты были лишь интересными диковинками. Например, Архимед сконструировал паровую пушку, Герон Александрийский использовал энергию пара для открывания дверей античных храмов. А заметки о практическом применении энергии пара для приведения в действие иных механизмов исследователи находят в трудах Леонардо да Винчи.
Рассмотрим наиболее значительные проекты по этой тематике.
В XVI веке арабский инженер Таги аль Дин разработал проект примитивной паровой турбины. Однако практического применения она не получила из-за сильного рассеяния струи пара, подаваемой на лопасти колеса турбины.
Перенесемся в средневековую Францию. Физик и талантливый изобретатель Дени Папен после многих неудачных проектов останавливается на следующей конструкции: вертикальный цилиндр заполняли водой, над которой устанавливали поршень.
Цилиндр нагревали, вода закипала и испарялась. Расширяющийся пар приподнимал поршень. Его закрепляли в верхней точке подъёма и ожидали остывания цилиндра и конденсации пара. После конденсации пара в цилиндре образовывался вакуум. Освобожденный от крепления поршень под действием атмосферного давления устремлялся в вакуум. Именно это падение поршня предполагалось использовать как рабочий ход.
Итак, полезный ход поршня был вызван образованием вакуума из-за конденсации пара и внешним (атмосферным) давлением.
Потому паровой двигатель Папена как и большинство последующих проектов получили название пароатмосферных машин.
Эта конструкция обладала весьма существенным недостатком - не была предусмотрена повторяемость цикла. Дени приходит к идее получать пар не в цилиндре, а отдельно в паровом котле.
В историю создания паровых двигателей Дени Папен вошел как изобретатель весьма важной детали - парового котла.
А поскольку пар стали получать вне цилиндра, сам двигатель перешел в разряд двигателей внешнего сгорания. Но из-за отсутствия распределительного механизма, обеспечивающего бесперебойную работу, эти проекты почти не нашли практического применения.
Около 50 лет для откачки воды в угольных шахтах использовался паровой насос Томаса Ньюкомена. Он во многом повторял предыдущие конструкции, но содержал весьма важные новинки - трубу для вывода сконденсированного пара и предохранительный клапан для выпуска излишнего пара.
Его существенным минусом было то, что цилиндр приходилось то нагревать перед впрыскиванием пара, то охлаждать перед его конденсацией. Но потребность в таких двигателях была столь высока, что, несмотря на их очевидную неэкономичность, последние экземпляры этих машин прослужили вплоть до 1930 года.
В 1765 году английский механик Джеймс Уатт, занявшись усовершенствованием машины Ньюкомена, отделил конденсатор от парового цилиндра.
Появилась возможность цилиндр держать постоянно нагретым. КПД машины сразу вырос. В последующие годы Уатт значительно усовершенствует свою модель, оснастив её устройством для подачи пара то с одной, то с другой стороны.
Стало возможным использовать эту машину не только как насос, но и для приведения в действие различных станков. Уатт получил патент на свое изобретение - паровой двигатель непрерывного действия. Начинается массовый выпуск этих машин.
К началу XIX века в Англии работало более 320 паровых машин Уатта. Их стали закупать и другие европейские страны. Это способствовало значительному росту промышленного производства во многих отраслях как самой Англии, так соседних государств.
Двадцатью годами ранее Уатта, в России над проектом паровой машины работал алтайский механик Иван Иванович Ползунов.
Заводское начальство предложило ему построить агрегат, который приводил бы в действие воздуходувку плавильной печи.
Построенная им машина была двухцилиндровой и обеспечивала непрерывное действие подсоединённого к ней устройства.
Успешно проработав более полутора месяцев, котёл дал течь. Самого Ползунова к этому времени уже не было в живых. Ремонтировать машину не стали. И замечательное творение русского изобретателя-одиночки было забыто.
В силу отсталости России того времени мир узнал об изобретении И. И. Ползунова с большим опозданием….
Итак, для приведения в действие паровой машины необходимо, чтобы пар, вырабатываемый паровым котлом, расширяясь, давил на поршень или на лопасти турбины. А затем их движение передавалось другим механическим частям.
Несмотря на то, что КПД паровых двигателей того времени не превышал 5%, к концу XVIII века их стали активно использовать в сельском хозяйстве и на транспорте:
Уже к концу XIX столетия паровые двигатели, сыграв свою роль в техническом прогрессе общества, уступают место и электродвигателям.
С появлением новых источников энергии в XX и XXI веке снова появляется потребность в использовании энергии пара. Паровые турбины становятся неотъемлемой частью АЭС. Пар, приводящий их в действие, получают за счёт ядерного топлива.
Широко используются эти турбины и на конденсационных тепловых электростанциях.
В ряде стран проводятся эксперименты по получению пара за счёт солнечной энергии.
Не забыты и поршневые паровые двигатели. В горных местностях в качестве локомотива до сих пор используют паровозы.
Эти надёжные труженики и безопаснее, и дешевле. Линии электропередач им не нужны, а топливо - древесина и дешёвые сорта угля всегда под рукой.
Современные технологии позволяют улавливать до 95% выбросов в атмосферу и повысить КПД до 21%, так, что люди решили пока с ними не расставаться и работают над паровыми локомотивами нового поколения.
Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя
УАТТ, ДЖЕЙМС (Watt, James, 1736-1819), шотландский инженер и изобретатель. Родился 19 января 1736 г. в Гриноке, близ Глазго (Шотландия), в семье купца. Из-за слабого здоровья Уатт формально мало учился, но очень многое изучил самостоятельно. Уже подростком он увлекался астрономией, химическими опытами, научился всё делать своими руками, и даже заслужил от окружающих звание «мастера на все руки».
Большинство людей считают его изобретателем паровой машины, но это не совсем так.
Паровые машины, построенные Д.Папеном, Т.Севери, И.Ползуновым, Т.Ньюкоменом начали работать на шахтах ещё задолго до Д.Уатта. Они различались конструктивно, но главное в них было то, что движение поршня вызывалось попеременным нагреванием и охлаждением рабочего цилиндра. Из-за этого они были медленными и потребляли очень много топлива.
19 января 1736 г родился Джеймс Уатт (James Watt, 1736-1819), выдающийся шотландский инженер и изобретатель, прославившийся прежде всего как создатель усовершенствованной паровой машины. Но и в истории медицины критических состояний он оставил яркий след своим сотрудничеством с «Пневматическим медицинским институтом» Томаса Беддо (Beddoes, Thomas, 1760-1808). Джеймс Уатт снабжал лаборатории института необходимым оборудованием. Благодаря его участию, в «Пневматическом институте» создавались и испытывались первые ингаляторы, спирометры, газомеры и т.д.
Сам Джеймс Уатт, а также его жена и один из сыновей, неоднократно участвовали в научных экспериментах. «Пневматический институт» стал настоящим научным центром, в котором изучались свойства различных газов и их влияние на организм человека. Можно сказать, что Томас Беддо и его сотрудники были пионерами и предшественниками современной респираторной терапии. К сожалению, Томас Беддо ошибочно полагал, что туберкулёз вызывается избытком кислорода.
Поэтому сын Джеймса Уатта, Грегори, прошёл в «Пневматическом институте» совершенно бесполезный курс лечения ингаляциями углекислого газа. Однако именно в «Пневматическом институте» впервые был применён с лечебной целью кислород; были разработаны основы аэрозольной терапии; впервые была измерена общая ёмкость лёгких методом разведения водорода (Г.Дэви), и т.д. Венцом сотрудничества Уатта и Беддо по лечебному применению различных газов стала их совместная книга «Материалы по медицинскому применению искусственных сортов воздуха», вышедшая двумя изданиями (1794, 1795 гг.), и ставшая первым специальным пособием по оксигенотерапии.
В 1755 г. Уатт уехал в Лондон учиться на механика и мастера по изготовлению математических и астрономических инструментов. Освоив за год семилетнюю программу обучения, Уатт возвратился в Шотландию и получил место механика в университете Глазго. Заодно он открыл и свою собственную ремонтную мастерскую.
В университете Уатт познакомился с великим шотландским химиком Джозефом Блэком (Joseph Black, 1728-1799), открывшим углекислый газ в 1754 г. Эта встреча способствовала разработке ряда новых химических приборов, необходимых в дальнейших исследованиях Блэка, например, ледяного калориметра. В это время Джозеф Блэк занимался проблемой определения теплоты парообразования, а Уатт принимал участие в обеспечении технической стороны экспериментов.
В 1763 г. к нему, как к механику университета, обратились с просьбой отремонтировать университетскую модель паровой машины Т.Ньюкомена.
Здесь следует сделать небольшое отступление в историю создания паровых машин. Когда-то нас учили в школе, воспитывая «великодержавный шовинизм», что паровую машину изобрел русский крепостной механик Иван Ползунов, а не какой-то там Джеймс Уатт, о роли которого в создании паровых машин иногда можно было прочитать в «неправильных» с патриотической точки зрения книжках. Но на самом деле изобретателем паровой машины является не Иван Ползунов, и не Джеймс Уатт, а английский инженер Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen, 1663-1729).
Более того, первая попытка поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии ещё в 1698 г. военным инженером Томасом Сэйвери (Thomas Savery, 1650?-1715). Он создал паровой водоподъёмник, предназначавшийся для осушения шахт и перекачивания воды, и ставший прототипом паровой машины.
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 трубу. Затем цикл повторялся, но воду можно было поднимать только с глубины менее 10,36 м, поскольку в действительности её выталкивало атмосферное давление.
Эта машина была не очень удачной, но она навела Папена на яркую мысль заменить порох водой. И в 1698 г. 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 машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например, насосы.
С паровыми машинами Сэйвери и Папена был знаком английский изобретатель Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen,1663 - 1729), который часто бывал на шахтах в Вест Кантри, где он работал кузнецом, и поэтому хорошо понимал, как нужны надёжные насосы для предотвращения затопления шахт. Он объединил свои 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 г.
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. 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 для того времени и использовалась по всей Европе более 50 лет. Её использовали для откачки воды из многочисленных шахт в Великобритании. Это было первое крупносерийное изделие в истории техники (выпущено несколько тысяч штук).
В 1740 г. 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 г. ещё более большая машина, построенная Джоном Смитоном (создателем Эддистоунского маяка), за две недели осушила 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.
Про изобретение Ньюкомена можно сказать, что это была действительно паровая машина, вернее, пароатмосферная машина. От предыдущих прототипов паровых машин её отличало следующее:
* движущей силой в ней было атмосферное давление, а разрежение достигалось при конденсации пара;
* в цилиндре находился поршень, который совершал рабочий ход под действием пара;
* вакуум достигался в результате конденсации пара при впрыскивании внутрь цилиндра холодной воды.
Поэтому на самом деле изобретателем паровой машины по праву является англичанин Томас Ньюкомен, который разработал свою пароатмосферную машину в 1712 г. (за полстолетия до Уатта).
Совершая краткий экскурс в историю создания паровых машин, нельзя пройти мимо личности нашего выдающегося соотечественника Ивана Ивановича Ползунова (1729-1766), построившего пароатмосферную машину раньше, чем это сделал Джеймс Уатт. Будучи механиком Колывано-Воскресенских горнорудных заводов на Алтае, он предложил 25 апреля 1763 г. проект и описание «огнедействующей машины». 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».
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. В апреле 1764 г. Ползунов приступил к строительству машины, в 15 раз более мощной по сравнению с проектом 1763 г.
Идею пароатмосферного двигателя он взял из книги И. Шлаттера «Обстоятельное наставление рудному делу…» (Санкт-Петербург, 1760 г.).
Но двигатель Ползунова коренным образом отличался от английских машин Сэйвери и Ньюкомена. Те были одноцилиндровые и пригодны лишь для откачки воды из шахт. Двухцилиндровый двигатель непрерывного действия Ползунова мог подавать дутье в печи и откачивать воду. В дальнейшем изобретатель рассчитывал приспособить его и для других нужд.
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 16 (28) мая 1766 г., за несколько дней до завершающих испытаний, умер.
23 мая 1766 г. 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 г. вся установка, паровая машина и мощная воздуходувка, была сдана в эксплуатацию. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на её постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль в 12640 рублей 28 копеек. Однако, 10 ноября 1766 г. после того, как у машины перегорел котел, она простояла без действия 15 лет 5 месяцев и 10 дней. В 1782 г. машина была разобрана. (Энциклопедия Алтайского края. Барнаул. 1996. Т. 2. С. 281-282; Барнаул. Летопись города. Барнаул. 1994. ч. 1.с.30).
В это же время в Англии над созданием паровой машины работал и Джеймс Уатт. В 1763 г. к нему, как к механику университета, обратились с просьбой отремонтировать университетскую модель паровой машины Т.Ньюкомена.
Отлаживая университетскую модель пароатмосферной машины Т.Ньюкомена, Уатт убедился в низкой эффективности подобных машин. Он загорелся идеей улучшить параметры паровой машины. 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 г. Он понял, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. При этом перенос процесса конденсации пара за пределы цилиндра должен способствовать снижению расхода пара. Более того, цилиндр может оставаться горячим, а конденсор холодным, если снаружи их покрыть теплоизоляционным материалом.
Усовершенствования, которые внес Уатт в паровую машину (центробежный регулятор, отдельный конденсатор пара, уплотнители и др.), не только подняли коэффициент полезного действия машины, но и окончательно превратили пароатмосферную машину в паровую, а главное - машина стала легко управляемой.
В 1768 г. он подал прошение о патенте на свое изобретение. Патент он в 1769 г. получил, но построить паровую машину ему долго не удавалось. И только в 1776 г. при материальной поддержке доктора Ребека, основателя первого металлургического завода в Шотландии, паровая машина Уатта была, наконец, построена и успешно прошла испытание.
Первая машина Уатта оказалась вдвое эффективнее машины Ньюкомена. Интересно, что в основе разработок, следовавших за исходным изобретением Ньюкомена, лежало понятие “производительности” двигателя, что означало число футофунтов воды, которое закачивалось на бушель угля. Кому принадлежала идея этой единицы, теперь не известно. Этот человек не вошёл в историю науки, но, наверное, это был какой-нибудь прижимистый владелец шахты, который замечал, что некоторые двигатели работали более эффективно, чем другие, и не мог допустить того, чтобы на соседней шахте была большая норма выработки.
И хотя испытания машины прошли успешно, в ходе её дальнейшей эксплуатации стало ясно, что первая модель Уатта оказалась не совсем удачной, и сотрудничество с Ребеком прервалось. Несмотря на нехватку средств, Уатт продолжал работать над усовершенствованием паровой машины. Его работы заинтересовали Мэтью Боултона (Matthew Boulton), инженера и богатого фабриканта, владельца металлообрабатывающего завода в местечке Сохо под Бирмингемом. В 1775 г. Уатт и Боултон заключили соглашение о партнерстве.
В 1781 г. Джеймс Уатт получил патент на изобретение второй модели своей машины. Среди новшеств, внесённых в неё и в последующие модели, были:
* цилиндр двойного действия, в котором пар подавался попеременно по разные стороны от поршня, при этом отработанный пар поступал в конденсатор;
* жаровая рубашка, окружавшая рабочий цилиндр для снижения тепловых потерь, и золотник;
* преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала сначала посредством шатунно-кривошипного механизма, а затем с помощью шестеренчатой передачи, явившейся прообразом планетарного редуктора;
* центробежный регулятор для поддержания постоянства числа оборотов вала и маховик для уменьшения неравномерности вращения.
В 1782 г. эта замечательная машина, первая универсальная паровая машина «двойного действия», была построена. Крышку цилиндра Уатт 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, создавая вакуум с противоположной стороны цилиндра. Поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах.
Кроме того, в 1782 г. Джеймс Уатт ввел принцип расширительного действия, разделяя поток пара в цилиндре в начале его течения так, что он начинал расширяться остальную часть цикла под своим собственным давлением. Расширительное действие означает некоторую потерю в мощности, но выигрыш в «производительности». Из всех этих идей Уатта самой полезной была идея расширительного действия. В дальнейшем её практическом внедрении очень помогла индикаторная диаграмма, созданная около 1790 г. помощником Уатта Джеймсом Саузерном.
Индикатор был самопишущим устройством, который можно было присоединять к двигателю для того, чтобы отмечать давление в цилиндре в зависимости от объема пара, поступающего за данный такт. Площадь под такой кривой была мерой работы, проделанной за данный такт. Индикатор использовали для того, чтобы максимально эффективно настроить двигатель. Эта самая диаграмма впоследствии стала частью знаменитого цикла Карно (Сади Карно, 1796-1832) в теоретической термодинамике.
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.
Универсальный паровой двигатель двойного действия с непрерывным вращением (паровая машина Уатта) получил широкое распространение и сыграл значительную роль в переходе к машинному производству.
Запатентованная Джеймсом Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась для приведения в действие машин и станков прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Это привело к резкому повышению производительности труда. Именно с этого момента англичане отсчитывают начало большой промышленной революции, которая вывела Англию на лидирующее положение в мире.
Двигатель Джеймса Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов. Так паровая машина пришла на транспорт (пароход Фултона, 1807 г.; паровоз Стефенсона, 1815 г.). Благодаря преимуществу в средствах передвижения Англия стала ведущей державой мира.
В 1785 г. Уатт запатентовал изобретение новой топки котла, и в этом же году одна из 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».
Компания «Боултон и Уатт», созданная в 1775 г., испытала на себе все превратности судьбы, от падения спроса на её продукцию до защиты своих изобретательских прав в судах. Однако с 1783 дела этой компании, монополизировавшей производство паровых машин, пошли в гору. Так Джеймс Уатт стал очень обеспеченным человеком, и помощь «Пневматическому медицинскому институту» Томаса Беддо (Beddoes, Thomas, 1760-1808), с которым он начал сотрудничество в это время, Уатт оказывал весьма и весьма существенную.
Не смотря на бурную деятельность по созданию паровых двигателей, Уатт вышел в отставку с занимаемой им должности в университете Глазго только в 1800 г. Через 8 лет после своей отставки он учредил «Приз Уатта» для лучших студентов и преподавателей университета. Университетская техническая лаборатория, в которой он начинал свою деятельность, стала носить его имя. Имя Джеймса Уатта носит и колледж в Гриноке (Шотландия), родном городе изобретателя.
Эволюция паровой машины Дж.Уатта
1774 г. Паровой
водоотливной насос 1781 г. Паровой двигатель
с вращающим моментом на валу 1784 г. Паровой двигатель
двойного дествия с КШМ
Интересно, что в свое время в качестве единицы мощности Уатт предложил такую единицу, как «лошадиная сила». Эта единица измерения дожила и до наших дней. Но в Англии, где Уатта почитают как пионера промышленной революции, решили иначе. В 1882 г. Британская ассоциация инженеров решила присвоить его имя единице мощности. Теперь имя Джеймса Уатта можно прочесть на любой электрической лампочке. Это был первый в истории техники случай присвоения собственного имени единице измерения. С этого случая и началась традиция присвоения собственных имен единицам измерения.
Уатт прожил долгую жизнь и умер 19 августа 1819 года в Хитфилде близ Бирмингема. На памятнике Джеймсу Уатту написано: “Увеличил власть человека над природой”. Так оценили современники деятельность знаменитого английского изобретателя.
Накопление новых практических знаний в XVI–XVII веках привело к неслыханным взлетам человеческой мысли. Водяные и ветряные колеса вращают станки, приводят в движение кузнечные меха, помогают металлургам поднимать руду из шахт, т. е. там, где руки человека не могут справиться с тяжелой работой, на помощь им приходит энергия воды и ветра. Основные достижения техники того времени обязаны не столько ученым и науке, сколько кропотливому труду искусных изобретателей. Достижения в технике горного дела, в добыче разнообразных руд и полезных ископаемых были особенно велики. Нужно было поднять добытую руду или уголь из шахты, все время откачивать заливавшие разработку грунтовые воды, постоянно подавать в шахту воздух и ещё множество самых разнообразных трудоемких работ требовалось для того, чтобы не остановилась добыча. Таким образом, развивающаяся промышленность властно требовала все больше и больше энергии, а её могли предоставить в те времена в основном водяные колеса. Их уже научились строить достаточно мощными. В связи с ростом мощности колес все шире стал применяться металл для валов и некоторых других деталей. Во Франции па реке Сене в 1682 г. мастером Р. Салемом под руководством А. де Виля была сооружена крупнейшая для того времени установка, состоящая из 13 колес диаметром по 8 м, служившая для привода более 200 насосов, подававших воду на высоту свыше 160 м, и обеспечивавшая водой фонтаны в Версале и Марли. На первых хлопчатобумажных фабриках применялся гидравлический двигатель. Машины прядильни Аркрайта с самого начала приводились в движение водой. Однако водяные колеса возможно было устанавливать лишь на реке, желательно полноводной и быстрой. И если текстильную или металлообрабатывающую фабрику ещё можно было построить на берегу реки, то залежи руды или угольные пласты нужно было разрабатывать только в местах залегания. А для откачки заливавших шахту подземных вод и подъема добытой руды или угля на поверхность тоже необходима была энергия. Поэтому на шахтах, удаленных от рек, приходилось использовать только силу животных.
Владелец одной английской шахты в 1702 году для приведения в действие насосов, откачивающих воду из шахты, вынужден был держать 500 лошадей, что было очень невыгодно.
Развивающейся промышленности требовались мощные двигатели нового типа, которые позволяли бы создавать производство в любом месте. Первым толчком к созданию новых двигателей, способных работать в любом месте независимо от того, есть рядом река или нет, послужила именно нужда в насосах и подъемниках в металлургии и горном деле.
Способность пара производить механическую работу давно была известна человеку. Первые следы действительного разумного применения пара в механике упоминаются в 1545 г. в Испании, когда флотский капитан
Бласко де Гарай сконструировал машину, с помощью которой приводил в движение боковые гребные колеса корабля и которая по приказу Карла V впервые была испытана в барселонской гавани при перевозке 4000 центнеров груза кораблем на три морских мили за два часа. Изобретатель был вознагражден, но сама машина осталась без применения и была предана забвению.
В конце XVII века в странах с наиболее развитым мануфактурным производством зарождаются элементы новой машинной техники с использованием свойств и силы водяного пара.
Ранние попытки создания теплового двигателя были связаны с необходимостью откачивания воды из шахт, где добывалось топливо. В 1698 году англичанин Томас Севери, бывший рудокоп, а затем капитан торгового флота, впервые предложил откачивать воду с помощью парового водоподъемника. Патент, полученный Севери, гласил:«Это новое изобретение по подъему воды и получению движения для всех видов производства при помощи движущей силы огня имеет большое значение для осушки рудников, водоснабжения городов и производства движущей силы для фабрик всех видов, которые не могут использовать водяную силу или постоянную работу ветра». Водоподъемник Севери работал по принципу засасывания воды за счет атмосферного давления в камеру, где создавалось разрежение при конденсации пара холодной водой. Паровые машины Севери были крайне неэкономичны и неудобны в эксплуатации, их нельзя было приспособить для приведения в действие станков, они потребляли огромное количество томлива, коэффициент полезного действия их был не выше 0,3%. Однако потребность в откачке воды из шахт была настолько велика, что даже эти громоздкие паровые машины типа насоса получили некоторое распространение.
Томас Ньюкомен (1663–1729) – английский изобретатель, кузнец по профессии. Совместно с лудильщиком Дж. Коули построил паровой насос, опыты по совершенствованию которого продолжались около 10 лет, пока он не начал исправно работать. Паровая машина Ньюкомена не была универсальным двигателем. Заслуга Ньюкомена в том, что он одним из первых реализовал идею использования пара для получения механической работы. Его имя носит Общество историков техники Великобритании. В 1711 году Ньюкомен, Коули и Севери создали «Компанию обладателей правами на изобретение установки для подъема воды посредством огня». Пока эти изобретатели являлись обладателями патента на «использование силы огня», вся их работа по изготовлению паровых машин проводилась в строжайшем секрете. Швед Тривальд, занимавшийся наладкой машин Ньюкомена, писал: «…изобретатели Ньюкомен и Коули были весьма подозрительны и осторожны в том, чтобы сохранить за собой и своими детьми тайну постройки и применения своего изобретения. Испанский посланник при английском дворе, который приехал из Лондона с большой свитой иностранцев посмотреть на новое изобретение, не был даже допущен в помещение, в котором находились машины». Но в 20-е годы XVIII века действие патента окончилось и изготовлением водоподъемных установок занялись многие инженеры. Появилась литература, в которой описывались эти установки.
Процесс распространения универсальных паровых машин в Англии к началу XIX в. подтверждает громадное значение нового изобретения. Если за десятилетие с 1775 по 1785 гг. было построено 66 машин двойного действия общей мощностью в 1288 л.с., то с 1785 по 1795 гг. было создано уже 144 машины двойного действия общей мощностью в 2009 л.с., а в следующее пятилетие – с 1795 по 1800 гг. – 79 машин общей мощностью в 1296 л.с.
Фактически применение в промышленности паровой машины началось с 1710 года, когда английские рабочие Ньюкомен и Коули впервые построили паровую машину, которая приводила в действие насос, установленный в шахте для выкачивания из нее воды.
Однако машина Ньюкомена не являлась паровой машиной в современном понимании этого слова, так как движущей силой в ней попрежнему был не водяной пар, а атмосферное давление воздуха. Поэтому эту машину называли «атмосферной». Хотя в машине водяной пар служил, как и в машине Севери, в основном для создания разрежения в цилиндре, здесь уже был предложен подвижный поршень – главная деталь современной паровой машины.
На рис. 4.1 показан паровой водоподъемник Ньюкомена– Коули. При опускании насосной штанги 1 и груза 2 поршень 4 поднимался и в цилиндр 5 через открытый кран 7 из котла 8 поступал пар, давление которого слегка превышало атмосферное. Пар служил для частичного подъема поршня в цилиндре, открытом сверху, но главная его роль заключалась в создании в нём разрежения. Для этой цели, когда поршень машины достигал своего верхнего положения, кран 7 закрывался, и из емкости 3 через кран6в цилиндр впрыскивалась холодная вода. Водяной пар быстро конденсировался, и атмосферное давление возвращало поршень в низ цилиндра, производя подъем насосной штанги. Из цилиндра выпускался конденсат трубкой9, поршень снова поднимался за счёт подачи пара, и описанный выше процесс повторялся. Машина Ньюкомена – это двигатель периодического действия.
Паровая машина Ньюкомена была совершенней машины Севери, более простой в эксплуатации, более экономичной и производительной. Однако машины первых выпусков работали очень неэкономично, для создания мощности в одну лошадиную силу в час сжигалось до 25 кг каменного угля, то есть коэффициент полезного действия составлял около 0,5%. Введение автоматического распределения потоков пара и воды упростило обслуживание машины, время хода поршня снизилось до 12–16 минут, что уменьшило габариты машины и удешевило конструкцию. Несмотря на высокий расход топлива, такого вида машины быстро получили широкое распространение. Уже в двадцатые годы XVIII века эти машины работали не только в Англии, но и во многих странах Европы – в Австрии, Бельгии, Франции, Венгрии, Швеции, применялись почти столетие в каменноугольной промышленности и для подачи воды в города. В России первая пароатмосферная машина Ньюкомена была установлена в 1772 г. в Кронштадте для откачки воды из дока. О распространенности машин Ньюкомена свидетельствует тот факт, что последняя в Англии машина такого типа была демонтирована только в 1934 году.
Иван Иванович Ползунов (1728–1766) – талантливый русский изобретатель, родившийся в семье солдата. В 1742 г. механику Екатеринбургского завода Никите Бахареву потребовались сметливые ученики. Выбор пал на четырнадцатилетних И. Ползунова и С. Черемисинова, ещё учившихся в Арифметической школе. Теоретическое обучение в школе уступило место практическому ознакомлению с работой самых современных тогда в России машин и установок Екатеринбургского завода. В 1748 г. Ползунов был переведен в Барнаул для работы на Колывано-Воскресенских заводах. После самостоятельного изучения книг по металлургии и минералогии в апреле 1763 года Ползуновым был предложен проект совершенно оригинальной паровой машины, которая отличалась от всех известных в то время машин тем, что была предназначена для приведения в действие воздуходувных мехов и являлась агрегатом непрерывного действия. В своей докладной записке об «огнедействующей машине» от 26 апреля 1763 г. Ползунов, по собственным его словам, хотел «...сложением огненной машины
водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничтожить, а вместо плотин за движимое основание завода ее учредить так, чтобы она была в состоянии все наложенные на себя тягости, каковы к раздуванию огня обычно к заводам бывают потребны, носить и, по воле нашей, что будет потребно, исправлять». И далее он писал: «Дабы сей славы (если силы допустят) Отечеству достигнуть и чтоб то во всенародную пользу, по причине большого познания о употреблении вещей, поныне не весьма знакомых (по примеру наук прочих), в обычай ввести». В дальнейшем изобретатель мечтал приспособить машину и для других нужд. Проект И.И. Ползунова был представлен в царскую канцелярию в Петербург. Решение Екатерины II было следующим: «Её Императорское Величество не токмо им, Ползуновым, всемилостивейше довольна быть, но для вящего поощрения повелеть соизволила: пожаловать ево, Ползунова, в механикусы с чином и жалованьем капитана-поручика, и выдать ему в награждение 400 руб».
Машины Ньюкомена, прекрасно работавшие в качестве водоподъемных устройств, никак не могли удовлетворить возникшую настоятельную потребность в универсальном двигателе. Они только подготовили почву для создания универсальных паровых двигателей непрерывного действия.
На начальном этапе развития паровых машин необходимо выделить «огненную машину» русского горного мастера Ползунова. Двигатель предназначался для приведения в действие механизмов одной из плавильных печей Барнаульского завода.
По проекту Ползунова (рис. 4.2) пар из котла (1) подавался в один, скажем, левый цилиндр (2), где поднимал поршень (3) до крайнего верхнего положения. Затем из резервуара в цилиндр впрыскивалась струя холодной воды (4), что приводило к конденсации пара. В результате давления атмосферы на поршень он опускался, в то время как в правом цилиндре в результате давления пара поршень поднимался. Водопарораспределение в машине Ползунова осуществлялось специальным автоматическим устройством (5). Непрерывное рабочее усилие от поршней машины передавалось на шкив (6), насаженный на вал, с которого движение передавалось водопарораспределительному устройству, питательному насосу, а также рабочему валу, от которого приводились в движение воздуходувные меха.
Двигатель Ползунова относился к типу «атмосферных», но в нем изобретатель впервые ввел суммирование работы двух цилиндров с поршнями на один общий вал, чем обеспечил более равномерный ход двигателя. Когда один из цилиндров находился на холостом ходу, у другого был ход рабочий. Двигатель имел автоматическое парораспределение и впервые не был непосредственно связан с рабочей машиной. И.И. Ползунов создавал свою машину в чрезвычайно трудных условиях, своими руками, не имея необходимых средств и специальных станков. В его распоряжении не было искусных мастеров: руководство завода прикомандировало к Ползунову четырех учеников и выделило двух отставных рабочих. Топор и другие нехитрые инструменты, применявшиеся при изготовлении обычных тогда машин, здесь были мало пригодны. Ползунову пришлось самостоятельно конструировать и сооружать новое оборудование для своего изобретения. Строительство большой машины, высотой около 11 метров, сразу с листа, не опробованной даже на модели, без специалистов, потребовало огромного напряжения сил. Машина была построена, но 27 мая 1766 года И.И. Ползунов умер от скоротечной чахотки, не дожив неделю до испытаний «большой машины». Сама же машина, испытанная учениками Ползунова, не только окупившая себя, но и принесшая прибыль, проработала 2 месяца, дальнейшего усовершенствования не получила и после поломки была заброшена и забыта. После двигателя Ползунова прошло полстолетия, прежде чем в России стали применять паровые машины.
Джеймс Уатт – английский изобретатель, создатель универсальной паровой машины, член Лондонского королевского общества – родился в городе Гринок в Шотландии. С 1757 года работал механиком в университете в Глазго, где познакомился со свойствами водяного пара и провёл исследования зависимости температуры насыщенного пара от давления. В 1763–1764 гг., налаживая модель паровой машины Ньюкомена, предложил сократить расход пара отделением конденсатора пара от цилиндра. С этого времени начинаются его работы по усовершенствованию паровых машин, исследованию свойств пара, постройке новых машин и т.д., которые продолжались всю его жизнь. На памятнике Уатту в Вестминстерском аббатстве высечена надпись: «… применив к усовершенствованию паровой машины силу творческого гения, расширил производительность своей страны, увеличил власть человека над природой и занял выдающееся место среди наиболее прославившихся людей науки и истинных благодетелей человечества». В поисках средств для сооружения своего двигателя Уатт стал мечтать о выгодной работе за пределами Англии. В начале 70-х годов он заявил друзьям, что «ему надоело отечество», и серьезно повел разговоры о переезде в Россию. Русское правительство предложило английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» и с ежегодным жалованьем в 1000 фунтов стерлингов. Отъезду Уатта в Россию помешал контракт, который он заключил в 1772 г. с капиталистом Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема. Болтон давно знал об изобретении новой, «огненной», машины, но колебался субсидировать ее постройку, сомневаясь в практической ценности машины. Заключить договор с Уаттом он поторопился лишь тогда, когда возникла реальная угроза отъезда изобретателя в Россию. Договор, связавший Уатта с Болтоном, оказался весьма действенным. Болтон показал себя умным и дальновидным человеком. Он не поскупился на расходы по сооружению машины. Болтон понял, что гений Уатта, освобожденный от мелочной, изнурительной заботы о куске хлеба, развернется в полную мощь и обогатит предприимчивого капиталиста. Кроме того, сам Болтон был крупным инженером-механиком. Технические идеи Уатта увлекли и его. Завод в Сохо славился первоклассным по тем временам оборудованием, имел квалифицированные рабочие кадры. Поэтому Уатт с восторгом принял предложение Болтона наладить на заводе производство паровых машин новой конструкции. С начала 70-х годов и до конца своей жизни Уатт оставался главным механиком завода. На заводе в Сохо в конце 1774 г. была построена первая машина двойного действия.
Машина Ньюкомена была сильно усовершенствована за столетие своего существования, но оставалась «атмосферной» и не отвечала нуждам быстрорастущей техники мануфактурного производства, которая требовала организации вращательного движения с большой скоростью.
Поиски многих изобретателей были направлены на достижение поставленной цели. Только в одной Англии за последнюю четверть ХVIII века было выдано свыше десятка патентов на универсальные двигатели самых разных систем. Однако только Джеймсу Уатту удалось предложить промышленности универсальную паровую машину.
Уатт начал свою работу над паровой машиной почти одновременно с Ползуновым, но в разных условиях. В Англии в это время бурно развивалась промышленность. Уатт активно был поддержан Болтоном, хозяином нескольких заводов в Англии, ставшим впоследствии его компаньоном, парламентом, имел возможность использовать высококвалифицированные инженерные кадры. В 1769 году Уатт запатентовал паровой двигатель с отдельным конденсатором, а затем – применение в двигателе избыточного давления пара, что значительно снижало расход топлива. Уатт стал по справедливости творцом паровой поршневой машины.
На рис. 4.3, приведена схема одной из первых паровых машин Уатта. Паровой котел1 с поршневым цилиндром3 связан паропроводом2 , по которому пар периодически впускается в верхнюю над поршнем4 и в нижнюю под поршнем полости цилиндра. Эти полости соединены с конденсатором трубой5 , где отработанный пар конденсируется холодной водой и создается разряжение. Машина имеет балансир6 , связывающий при помощи шатуна7 поршень с мотылем вала, на конце которого насажен маховик8 .
В машине впервые применен принцип двойного действия пара, который заключается в том, что свежий пар впускается в цилиндр машины поочередно в камеры по обеим сторонам поршня. Введение Уаттом принципа расширения пара состояло в том, что свежий пар впускался в цилиндр только на части хода поршня, затем пар отсекался, а дальнейшее движение поршня осуществлялось за счет расширения пара и падения его давления.
Таким образом, в машине Уатта решающей движущей силой стало не атмосферное давление, а упругость пара повышенного давления, приводящего в движение поршень. Новый принцип работы пара потребовал полного изменения в устройстве машины, особенно цилиндра и парораспределения. Для устранения конденсации пара в цилиндре Уатт впервые ввел паровую рубашку цилиндра, при помощи которой он стал обогревать его рабочие стенки паром, а наружную сторону паровой рубашки заизолировал. Поскольку Уатт для создания равномерного вращательного движения не мог в своей машине применить шатунно-кривошипный механизм (на такую передачу был взят охранный патент французским изобретателем Пикаром), то в 1781 г. он взял патент на пять способов преобразования качательного движения в непрерывно-вращательное. Вначале для этой цели он применял планетарное, или солнечное, колесо. Наконец, Уатт ввел центробежный регулятор скорости для изменения количества подачи пара в цилиндр машины при изменении числа оборотов. Таким образом, Уатт в своей паровой машине заложил основные принципы устройства и работы современной паровой машины.
Паровые машины Уатта работали на насыщенном паре низкого давления 0,2– 0,3 МПа, при небольшом числе оборотов в минуту. Паровые машины, измененные таким образом, дали прекрасные результаты, понизив в несколько раз расход угля на л.с./ч (лошадиную силу в час) по сравнению с машинами Ньюкомена, и вытеснили водяное колесо из горнорудной промышленности. В середине 80-х годов XVIII в. конструкция паровой машины была окончательно разработана, и паровая машина двойного действия стала универсальным тепловым двигателем, нашедшим широкое применение почти во всех отраслях хозяйства многих стран. В XIX веке распространение получают шахтные подъемные паросиловые установки, паросиловые воздуходувки, прокатные паросиловые установки, паровые молоты, паровые насосы и т.д.
Дальнейшее увеличение к.п.д. паросиловой установки было достигнуто современником Уатта Артуром Вольфом в Англии путём введения многократного расширения пара последовательно в 2, 3 и даже в 4 приема, при этом пар переходил из одного цилиндра машины в другой.
Отказ от балансера и использование многократного расширения пара привели к созданию новых конструктивных форм машин. Двигатели двукратного расширения стали оформляться в виде двух цилиндров– цилиндра высокого давления (ЦВД) и цилиндра низкого давления (ЦНД), куда поступал отработанный пар после ЦВД. Цилиндры располагались либо горизонтально (компаундмашина, рис. 4.4,а ), либо последовательно, когда оба поршня посажены на общий шток (тандем-машина, рис. 4.4,б ).
Большое значение для повышения к.п.д. паровых машин стало использование в середине XIX века перегретого пара с температурой до 350°С, что позволило снизить расход топлива до 4,5 кг на л.с./ч. Применение перегретого пара было впервые предложено французским ученым Г.А. Гирном.
Джордж Стефенсон (1781–1848) родился в рабочей семье, работал на угольных копях Ньюкасла, где работали также его отец и дед. Он много занимался самообразованием, изучал физику, механику и другие науки, интересовался изобретательской деятельностью. Выдающиеся способности Стефенсона привели его на должность механика, а в 1823 г. он был назначен главным инженером компании по строительству первой железной дороги общего пользования Стоктон-Дарлингтон; это открыло ему большие возможности конструкторской, изобретательской работы.
В России первые паровозы были построены русскими механиками и изобретателями Черепановыми – Ефимом Алексеевичем (отцом, 1774–1842) и Мироном Ефимовичем (сыном, 1803–1849), работавшими на Нижнетагильских заводах и бывшими крепостными заводчиков Демидовых. Черепановы путем самообразования стали образованными людьми, они посещали заводы Петербурга и Москвы, Англии и Швеции. За изобретательскую деятельность Мирону Черепанову и его жене в 1833 г. была дана вольная. Ефиму Черепанову и его жене вольная была дана в 1836 г. Черепановы создали около 20 различных паровых машин, работавших на Нижнетагильских заводах.
Высокое давление пара для паровых машин впервые применил Оливер Эванс в Америке. Это привело к снижению расхода топлива еще до 3 кг на л.с./ч. Позднее конструкторы паровозов стали применять многоцилиндровые паровые машины, пар избыточного давления, устройство для реверсирования.
В XVIII в. возникло вполне понятное стремление использовать паровую машину на наземном и водном транспорте. В развитии паровых машин самостоятельное направление составили локомотивы – передвижные паросиловые установки. Первая установка такого типа была разработана английским строителем Джоном Смитом. Фактически развитие парового транспорта началось с установки в жаротрубных котлах дымогарных труб, что значительно повысило их паропроизводительность.
Было сделано немало попыток разработки паровых локомотивов – паровозов, были построены действующие модели (рис. 4.5, 4.6). Из них выделяется построенный талантливым английским изобретателем Джорджем Стефенсоном (1781–1848) в 1825 г. паровоз «Ракета» (см. рис. 4.6,а, б ).
«Ракета» была не первым паровозом, сконструированным и построенным Стефенсоном, но этот превосходил другие по многим показателям и был признан лучшим локомотивом на специальной выставке в Рейхилле и рекомендован для новой железной дороги Ливерпуль-Манчестер, ставшей в то время образцовой. В 1823 г. Стефенсон организовал первый паровозостроительный завод в г. Ньюкасле. В 1829 году в Англии был организован конкурс на лучший паровоз, победителем которого была признана машина Дж. Стефенсона. Его паровоз «Ракета», разработанный на основе дымогарного котла, при массе поезда 17 т развивал скорость 21 км/ч. Позже скорость «Ракеты» была увеличена до 45 км/ч.
Железные дороги начали играть в XVIII в. огромную роль. Первая пассажирская железная дорога в России протяженностью 27 км по решению царского правительства была построена иностранными предпринимателями в 1837 г. между Петербургом и Павловском. Двухколейная железная дорога Петербург- Москва начала действовать в 1851 г.
В 1834 году отец и сын Черепановы построили первый российский паровоз (см. рис.4.6,в, г ), перевозивший груз массой 3,5 т со скоростью 15 км/ч. Последующие их паровозы перевозили груз массой 17 т.
Попытки использовать паровую машину в водном транспорте предпринимались с начала XVIII в. Известно, например, что французский физик Д.Папен (1647–1714) построил лодку, приводившуюся в движение паровой машиной. Правда, успехов в этом деле Папен не добился.
Задачу решил американский изобретатель Роберт Фултон (1765–1815), родившийся в г. Литл-Бритон (теперь г. Фултон) в штате Пенсильвания. Любопытно отметить, что первые большие успехи в создании паровых машин для промышленности, железнодорожного и водного транспорта выпадали на долю талантливых людей, овладевших знаниями путем самообразования. В этом отношении не составлял исключения и Фултон. Ставший впоследствии инженером-механиком, Фултон, происходивший из небогатой семьи, вначале много занимался самообразованием. Фултон жил в Англии, где занимался строительством гидротехнических сооружений и решением ряда других технических задач. Находясь во Франции (в Париже), он построил подводную лодку «Наутилус» и паровое судно, которое было испытано на реке Сене. Но все это было только началом.
Настоящий успех пришел к Фултону в 1807 ггоду: вернувшись в Америку, он построил колесный пароход «Клермонт» грузоподъемностью 15 т, приводимый в движение с помощью паровой машины мощностью 20 л. с., который в августе 1807 г. совершил первый рейс от Нью-Йорка до Олбани протяженностью около 280 км.
Дальнейшее развитие пароходства, как речного, так и морского, пошло довольно быстро. Этому содействовал переход от деревянных на стальные конструкции судов, рост мощности и быстроходности паровых машин, введение гребного винта и ряд других факторов.
С изобретением паровой машины человек научился превращать в движение, в работу энергию, сконцентрированную в топливе.
Паровая машина – одно из очень немногих в истории изобретений, которое резко изменило картину мира, революционизировало промышленность, транспорт, дало импульс новому взлету научного знания. Она была универсальным двигателем промышленности и транспорта в течение всего XIX века, но ее возможности уже не соответствовали требованиям к двигателям, возникшим в связи со строительством электростанций и применением механизмов с высокими скоростями в конце XIX века.
На техническую арену в качестве нового теплового двигателя вместо тихоходной паровой машины выходит быстроходная турбина с более высоким к.п.д.
