Что повлияло на разработку парового двигателя. История паровых машин

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.

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И.И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году в Барнауле. Джеймс Ватт, который был членом комиссии по приему изобретения Ползунова, в апреле 1784 года в Лондоне получает патент на паровую машину и считается ее изобретателем!

Ползунов, Иван Иванович

— механик, устроивший первую в России паровую машину; сын солдата Екатеринбургских горных рот, он десяти лет от роду поступил в Екатеринбургскую арифметическую школу, где кончил курс со званием механического ученика. В числе нескольких молодых людей, Ползунова отправили в Барнаул на казенные горные заводы, где в 1763 году он состоял шихтмейстером. Занимаясь постройкой употребляемых при плавильных заводах и рудниках машин с водяными двигателями, Ползунов обратил внимание на затруднительность устройства таких машин в местностях, удаленных от рек, и остановился на мысли применить, в качестве двигателя, пар. Есть некоторые данные, заставляющие предполагать, что мысль эта появилась у него не самостоятельно, а под влиянием книги Шлаттера: "Обстоятельное наставление рудному делу" (СПб. 1760), в десятой главе коей напечатано первое на русском языке описание паровой машины, а именно машины Ньюкомена. Ползунов энергично взялся за осуществление своей идеи, стал изучать силу и свойства водяного пара, составлял чертежи, делал модели. Убедившись, после продолжительных изысканий и опытов, в возможности заменить движущую силу воды силой пара и доказать это на моделях, Ползунов в апреле 1763 г. обратился к начальнику Колывано-Воскресенских заводов, генерал-майору А. И. Порошину, с письмом, в котором, изложив мотивы, побудившие его к отысканию новой силы, испрашивал средства на постройку изобретенной им "огненной машины". О проекте Ползунова донесено было Кабинету Ее Величества с ходатайством об отпуске нужной на постройку машины суммы. По докладу Кабинета, последовал указ Екатерины II, коим она, "для вящего поощрения", пожаловала Ползунова в механикусы с жалованьем и чином инженерного капитан-поручика, повелела выдать в вознаграждение 400 р. и указала, "буде он при заводах не надобен, прислать его в Петербург, при серебре" года на два — на три в Академию Наук, для пополнения образования. Но начальство не отпустило Ползунова и просило посылку его в Академию Наук на некоторое время отменить, "ибо в нем здесь, для приведения той, парами действуемой машины практикой состоять крайняя надобность". Ввиду этого Ползунову приходилось остаться в Сибири до окончания дела. До тех же пор была отложена и выдача вышеупомянутых 400 рублей. Ему были отпущены, по представленной им смете, необходимые суммы и материалы, и он получил возможность приступить к постройке. 20-го мая 1765 г. Ползунов уже доносил, что подготовительные работы окончены, и что машина будет приведена в действие в октябре того же года. Но к этому сроку машина не была готова. Масса непредвиденных затруднений и неопытность рабочих замедлили ход работы. К тому же многих материалов, необходимых для постройки машины, нельзя было достать в Сибири. Приходилось выписывать их из Екатеринбурга и ожидать присылки в течение нескольких месяцев. В декабре 1765 г. Ползунов окончил машину, израсходовав на нее 7435 р. 51 коп. Однако, ему не удалось увидеть свое изобретение в деле. Проба машины была назначена в Барнауле на 20-ое мая 1766 г., а 16-го мая того же года Ползунов уже скончался "от жестокого гортанного кровотечения". Машина Ползунова, под руководством его учеников Левзина и Черницина, в течение двух месяцев расплавила в Барнауле 9335 п. змеиногорских руд, но вскоре действие ее в Барнауле было прекращено "за ненадобностью", и нет сведений, была ли она применена на не обладавших вододействующими двигателями Змеиногорском заводе и Семеновском руднике, куда она первоначально предназначалась самим изобретателем и его начальством, В 1780 г. "построенная Ползуновым, действуемая парами машина и строение разломаны". В Барнаульском горном музее имеется модель машины Ползунова. За Ползуновым нельзя признать, как то делают некоторые, чести изобретения первой паровой машины. Тем не менее машина Ползунова, действительно, была первая, построенная в России, а не выписанная из-за границы, паровая машина; применение же в 1765 г. паровой машины не для подъема воды, а для другой промышленной цели, следует считать самостоятельным изобретением, так как и в Англии первое применение паровой машины для нагнетания воздуха сделано лишь в 1765 г.

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.

"Паровая телега" Кюньо.

Парова́я маши́на - тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина - любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг

Значение паровых машин

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.

Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

Принцип действия

Для привода паровой машины необходим паровой котёл . Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины , движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива - от кизяка до урана.

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диноме. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 г. создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии. Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7-8 миль в час. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.

Вакуумные машины

Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель [хой]Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в Уоркшире.

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными» или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помп (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить.

версия паровой машины, созданная Уаттом

В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить её к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.

Паровые машины высокого давления

В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.

Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275-345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое - давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.

Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.

Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнем:

Паровые машины двойного действия

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.

В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.

Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.

Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более легким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.

Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.

Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулся чуть ли не на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен. Впрочем, никем не отрицается, что прорыв, приведший к технологической революции, был осуществлен шотландцем Джеймсом Уаттом.

Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности. Однако лишь на рубеже XVII–XVIII вв. удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 г.: машина изобретателя Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Правда, изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода – например, со дна шахты – засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу.

Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 г. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.

Более совершенную машину в 1712 г. построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. 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 широко использовалась в Европе более 50 лет. В 1740‑х годах машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла за неделю. И все‑таки ее КПД был чрезвычайно низок.

Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие предложения тканей и стремительно возрастающего спроса привлекло лучшие конструкторские умы к разработке прядильных и ткацких машин. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса. Но созданные ими прядильные и ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (именно этого не могло обеспечить водяное колесо) приводил станки в однонаправленное вращательное движение. Вот здесь‑то во всем своем блеске предстал талант знаменитого инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Уатта.

Уатт родился в шотландском городке Гринок в семье кораблестроителя. Работая учеником в мастерских в Глазго, за первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравировщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов. По совету дяди‑профессора Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь Уатт начал работать над паровыми машинами.

Джеймс Уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем‑то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. В 1765 г. Уатт пришел к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших паро‑атмосферную машину в паровую. Например, он изобрел шарнирный механизм – «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев – рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно‑поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.

В 1776 г. машина Уатта прошла испытания. Ее КПД оказался вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. В 1782 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно‑поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась на прядильных и ткацких фабриках, а позже и на других промышленных предприятиях. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.

Паровая машина Уатта поистине стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не ограничился. Соседи не раз с удивлением наблюдали за тем, как Уатт гоняет по лугу лошадей, тянущих специально подобранные тяжести. Так появилась единица мощности – лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.

К сожалению, финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически кабальный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, потерпевшим вскоре полный финансовый крах.