История паровой машины

П.ЗАБАРИНСКИЙ

Применить силу пара для получения некоторой полезной работы — эта мысль издавна привлекала к себе внимание ученых и изобретателей. Еще около 2 тыс. лет тому назад греческий ученый Герон Александрийский описал множество в высшей степени любопытных приборов и механизмов, основанных на действии давления воздуха или пара. Но опыты эти не выходили за рамки простых игрушек, хотя идеи Герона могли, конечно, повлиять на работы позднейших изобретателей.

Весьма любопытное приспособление для получения работы при помощи упругости водяного пара мы находим в сочинениях Леонардо да-Винчи (1452—1519). Эго паровая пушка, или как ее называют, «Архитронито», т. е. сильнейший гром. Она представляла собой длинный металлический ствол, открытый с одного конца. На другом, закрытом конце, имеется небольшое отверстие, — эта часть ствола помещается в жаровню с горящими углями и сильно раскаляется. В ствол вводится каменное или свинцовое ядро, жаровня удаляется, а через отверстие в закрытой части ствола вливается некоторое количество воды. Попадая в раскаленное пространство, вода быстро обращается в пар. Создающееся при этом давление с силой выбрасывает снаряд из ствола пушки.

Значительно большую и непосредственную роль в изобретении парового двигателя сыграли приборы, предназначенные для подъема воды при помощи давления пара. Наиболее раннее описание такого прибора мы находим у итальянского инженера и ученого Де-Ля-Порта (1538—1615). В его сочинении описан следующий «замечательный и высокомощный способ поднять воду вверх огнем». Нальем воду, которую мы желаем переместить на более высокий уровень, в какой-нибудь стеклянный ящик. Через его крышку пропустим так называемую сифонную трубку, открытую с обоих концов. Сквозь дно ящика пропускаем горлышко колбы, которая помещается на очаге. В колбу вливается немного воды. При кипячении воды в колбе образующиеся пары будут проходить в верхний ящик. Они будут сильно давить на поверхность содержащейся здесь воды, заставят ее подняться по сифонной трубке верх и вытекать наружу.

Прибор Де-Ля-Порта. А — воронка; В — горлышко колбы; С —  сифонная трубка; D — нижняя часть колбы, в которой налита вода; E — очаг

Аналогичный прибор, предназначавшийся для устройства увеселительных фонтанов в королевских парках, предложил французский архитектор Саломон Де-Ко в своем сочинении «Причины движущих сил», изданном в 1615 г. Прибор Де-Ко представляет собой полый шар, в который пропущена трубка, доходящая почти до его внутренней стенки. Шар наполняется водой и ставится на огонь. Образующийся в шаре пар, не имея выхода, оказывает давление на поверхность воды, вытесняет ее по трубке, откуда она и начинает бить фонтаном.

Прибор Де-Ко. В полый шар пропущена трубка. Шар наполняется водой и ставится на огонь. Образующийся пар вытесняет по трубке воду

*

В предложении Де-Ля-Порта и Де-Ко и лежит та идея использования прямого давления пара для водоотлива, которое нашло свое техническое и практическое осуществление в паровом насосе Томаса Сэвери, запатентованном им в 1698 г.

Машина Сэвери, подробно описанная им в небольшом сочинении «Друг рудокопа», предназначалась в качестве насоса для откачивания подпочвенных вод в английских шахтах. Для этой цели до тех пор пользовались обычно насосами, приводимыми в действие силой животных или большими водяными колесами. Уже в XVII веке в таких областях Англии, как Корнвалис, где было сильно развито горное дело, ощущалась большая потребность в новом двигателе, который не был бы связан с расположением рек, как водяные колеса, и который был бы более мощным, чем упряжные животные. Именно поэтому паровой насос Сэвери получил в Англии сравнительно широкое применение, несмотря на свои недостатки.

Машина Сэвери состояла из большого котла, в котором получался пар. Котел был соединен паропроводом с так называемым рабочим сосудом. Этот сосуд имел две трубы с соответствующими клапанами: одна из них (всасывающая) опускалась в водоем, откуда предстояло удалить воду; другая (нагнетательная) служила для подачи воды наверх, в особый резервуар. Пар выпускался при помощи специального крана в рабочий сосуд и заполнял его. Затем сообщение с котлом прерывалось, и сосуд обливался снаружи холодной водой. Пар охлаждался и снова обращался в воду (т. е. конденсировался). При этом в сосуде получалось сильное разряжение, так как вода занимает объем во много раз меньший, чем пар, из которого она образовалась. Тогда в это разряженное пространство устремлялась из водоема по всасывающей трубе вода. Она поднималась вверх и заполняла сосуд. Паровой кран снова открывался, и новая порция пара из котла поступала в сосуд. При этом пар производил давление на поднявшуюся сюда из водоема воду. Уйти обратно в водоем она не могла, так как ей мешал соответствующе устроенный клапан во всасывающей трубе, — и вода поднималась по нагнетательной трубе в верхний резервуар.

Паровой насос Сэвери. А — котел, в котором получается пар: В — рабочий сосуд с двумя трубами: нижняя — всасывающая, верхняя — нагнетательная

Чередуя эти операции, можно было с успехом производить откачку воды с небольшой глубины.

Сэвери впоследствии удалось усовершенствовать свою машину. Он устроил предохранительный клапан, применил автоматическое питание котла теплой водой, ввел второй рабочий сосуд, так что отливка воды происходила почти непрерывно: пока в одном сосуде создавалось разрежение и происходило засасывание воды, из другого она нагнеталась наверх.

По сравнению с конными водоотливными воротами машина Сэвери была гораздо более удобна. Она могла применяться и там, где водяные колеса из-за местных условий устроить было невозможно. В этой машине впервые применялось давление пара для промышленных целей.

Однако машина Сэвери обладала многими недостатками. Всасывание воды с ее помощью могло происходить с глубины не более 10 метров. Крайне непрочный котел, изготовлявшийся из медных листов, часто не выдерживал получаемого давления и разрывался. В глубоких шахтах приходилось устанавливать по нескольку машин одну над другой, что, разумеется, было весьма неудобно. Машина Сэвери требовала огромного расхода пара и, следовательно, топлива.

*

Начало нового этапа в истории применения пара для получения полезной механической работы связано с именем французского ученого Папина (1647—1712). К этому времени были уже в значительной степени изучены вопросы, относящиеся к давлению, производимому атмосферным воздухом. В этой области особенно большую роль сыграли работы ученых Торичелли, Паскаля и Герике.

Значительная сила этого давления, естественно, навела ряд ученых и изобретателей на мысль использовать его как движущую силу. Еще до Папина некий Готфрейль, а в 1681 г. знаменитый голландский ученый Гюйгенс предложили использовать давление воздуха, заставляя его приводить в движение поршень, помещенный внутри цилиндра, где создавалось разрежение. На дно закрытого с нижней стороны цилиндра насыпалось немного пороха, который можно было зажечь при помощи фитиля, выпущенного наружу через особое отверстие с клапаном. В цилиндр вводился поршень и устанавливался в нижнем положении. При взрыве пороха образующиеся газы подбрасывали поршень вверх и заполняли все пространство цилиндра. Затем цилиндр охлаждался, газы сжимались, и создавалось разрежение, — тогда атмосферное давление с силой гнало поршень вниз. Движение поршня предполагалось при помощи блоков использовать для произведения некоторой работы, например для поднятия груза.

Прибор Гюйгенса, в котором использовалось давление пороховых газов. При взрыве пороха на дне цилиндра газы подбрасывали поршень вверх.

Папин, работавший вместе с Гюйгенсом и занимавшийся изучением давления воздуха и пара (им изобретен так называемый «папинов котел» для получения пара высокого давления и предохранительный клапан), предложил пользоваться для получения под поршнем разрежения не взрывом пороха, что было опасно, а кипячением воды, нагреваемой на дне цилиндра. Образующиеся при этом пары поднимут поршень. При охлаждении же пара в цилиндре получится разрежение, а поршень под давлением атмосферы опустится вниз. При этом будет подниматься некоторый груз, с которым поршень в его верхнем положении может быть соединен при помощи шнура и блоков.

Если приборы Гюйгенса и Готфрейля, действующие взрывом пороха, можно рассматривать как отдаленных предков двигателя внутреннего сгорания, то в изобретении Папина заложена идея поршневого парового двигателя, которая и получила практическое осуществление в XVII веке в виде так называемых атмосферных или «огнедействующих машин».

*

Папину не удалось осуществить своего изобретения и устроить паровую машину. Первая поршневая паровая машина с использованием атмосферного давления была построена английскими изобретателями — кузнецом Ньюкоменом и стекольщиком Коулем в 1705 г.

Машина Ньюкомена получила в XVII веке весьма большое распространение и была на протяжении почти целого столетия единственным тепловым двигателем. Главную часть ее составлял цилиндр, расположенный вертикально, непосредственно над котлом, и соединенный с последним при помощи короткого паропровода. В цилиндре помещался поршень, соединенный посредством штока и цепи с концом горизонтально расположенного коромысла или балансира. Коромысло это могло качаться на оси. Противоположный конец балансира соединялся со штангой водоотливного насоса.

Из котла в нижний конец цилиндра выпускался пар, который толкал поршень вверх. Когда поршень почти достигал верхнего конца цилиндра, сообщение с котлом прекращалось, и внутрь цилиндра впрыскивалось некоторое количество холодной воды, — пар сгущался и под поршнем получалось разрежение; тогда под давлением атмосферы поршень опускался вниз, увлекая за собой один конец балансира и поднимая, таким образом штангу насоса, откачивающего воду.

Паровая машина Ньюкомена. А — цилиндр; B — поршень; С — балансир; D — связь с насосом; Е— котел; F— кран для воды.

Чередуя эти операции впуска и последующего охлаждения пара, можно, следовательно, привести в качательное движение балансир и заставить действовать насос.

Как видим, Ньюкомен в своей машине отказался от применения прямого давления пара, а заставил поршень подыматься при помощи пара и опускаться под действием давления атмосферы, как это впервые предложил Папин.

По сравнению с паровым насосом Сэвери машина Ньюкомена, которая может считаться первым паровым двигателем в собственном смысле этого слова, обладает многими преимуществами. Она могла производить откачку воды с любой глубины, —  нужно было лишь сделать достаточно длинной штангу насоса. Машиной Ньюкомена можно было приводить в действие сразу несколько насосов, соединенных с балансиром. Она была менее опасна, чем насос Сэвери, так как здесь давление пара было очень невысокое (немного более 1 атмосферы).

На протяжении своего существования атмосферная машина подверглась значительным усовершенствованиям. Управление впуском пара и охлаждающей воды производилось уже не от руки, а автоматически во время работы машины при помощи специальных органов парораспределения. Отдельным частям машины были приданы наиболее удобные и целесообразные размеры. Выработался своеобразный нормальный тип атмосферной машины. Особенные заслуги в этой области принадлежат английским инженерам Бейтону и Смитону.

В этом, более усовершенствованном, виде атмосферная машина получила применение в английской горной промышленности, особенно в провинции Корнвалис и в Шотландии. Она применялась также в качестве водоподъемной машины в городском хозяйстве и при гидротехнических сооружениях(водопроводы, каналы, доки и т. д.).

В XVIII веке атмосферные машины появляются и в других странах, в том числе и в России. Еще при Петре Первом в Петербург была привезена водоподъемная машина Сэвери, которая была установлена в Летнем саду. Она накачивала здесь воду в различные фонтаны и водяные каскады, увеселявшие гуляющую придворную знать. Только в 1766 г. на Колывано-Вознесенских заводах возле Барнаула была построена первая паровая машина, имевшая промышленное значение. Сооружение этой машины связано с именем талантливого русского изобретателя И. И. Ползунова. Машина Ползунова принадлежала также к типу атмосферных машин, но он внес в нее много оригинального, значительно отступив от существовавших тогда в Англии образцов.

Значительно позднее Ползунова, уже в 1777 г. в Россию была доставлена заказанная в Англии большая машина Ньюкомена. И только в 1791 г. удалось построить самостоятельно на олонецких заводах паровую машину для одного из казенных рудников. Эта дата может считаться началом русского производства паровых двигателей, которое, однако, никогда в царской России не получило значительного развития.

*

Несмотря на то, что атмосферная машина Ньюкомена представляла значительный шаг вперед по сравнению с паровым насосом Сэвери, она все же имела много весьма существенных недостатков, толкавших техническую мысль искать дальнейших возможностей применения силы пара для получения полезной работы.

В машине Ньюкомена движение поршня и, следовательно, полезная работа получались за счет давления атмосферного воздуха. Чтобы получить возможно большее давление, приходилось чрезмерно увеличивать площадь поршня. В некоторых машинах его диаметр достигал двух метров.

Так как работа, развиваемая в цилиндре давлением рабочего тела (в данном случае атмосферного воздуха), зависит также и от длины хода поршня, то приходилось придавать цилиндру огромную длину, — иногда до трех метров. Соответственно этому приходилось увеличивать и прочие части машин. Благодаря таким колоссальным размерам цилиндра и поршня атмосферные машины представляли собой огромные, громоздкие сооружения, высота которых достигала 4—5-этажного здания.

Атмосферные машины поглощали невероятное количество топлива при сравнительно небольшой мощности. Если сопоставить количество энергии, которое содержалось в сжигаемом топливе, с работой, которую можно было получить oт этого топлива в атмосферных машинах, то мы получим величину, равную приблизительно одному проценту (так называемый общий коэффициент полезного действия). Насколько эта величина мала, видно из того, что современные двигатели дают коэффициент полезного действия в 8—12 процентов.

Наконец, машина Ньюкомена была пригодна исключительно для приведения в движение таких приборов, как насосы, воздуходувные меха и т. п., где требовалось прямолинейное возвратно-поступательное движение. Кроме того, ход их был неравномерный и очень медленный (10—12 ходов в минуту). Поэтому машины Ньюкомена нельзя было использовать для движения различного рода станков, где необходимо непрерывное, равномерное и притом вращательное движение. Для получения вращательного движения машину Ньюкомена пытались-было применить следующим образом: она должна была накачивать на некоторую высоту воду, которая затем направлялась на лопасти водяного колеса, вращающего рабочий вал станка. Но этот сложный способ был крайне невыгоден и неудобен.

Все эти недостатки атмосферной машины особенно остро дали себя знать во второй половине XVIII века, когда английская промышленность переживает подлинную революцию, выразившуюся в появлении целого ряда механических станков в прядильном, ткацком металлообрабатывающем производствах. Новые, механические орудия труда, пришедшие на смену ручным, ремесленным орудиям, применявшимся в мануфактуре, требуют нового более мощного и более удобного двигателя.

Конные приводы, ветряные двигатели, водяные колеса не удовлетворяют более требованиям нарождающейся капиталистической фабрики, где нужен был экономически выгодный, достаточно мощный, легко управляемый двигатель, который мог бы приводить в действие самые разнообразные станки и механизмы. Таким универсальным двигателем крупной промышленности и явилась усовершенствованная паровая машина Джемса Уатта.

*

Уатт родился 19 января 1736 г. в городе Гриньоке в Шотландии, в семье корабельного мастера и механика. В мастерской отца Уатт впервые познакомился с механическим искусством. После окончания школы 18-летний Уатт отправился в город Глазго и здесь устроился механиком при мастерской университета. Пребывание в Глазго оказалось чрезвычайно плодотворным для Уатта. Он приобрел довольно обширные знания в области физики, общаясь с рядом ученых. Эти научные сведения, настойчиво пополнявшиеся самообразованием, принесли Уатту огромную пользу при разработке его изобретения.

Поводом к занятиям Уатта паровым двигателем послужила небольшая модель атмосферной машины Ньюкомена, которую ему в 1763/64 г. пришлось починять. Приводя в действие модель, Уатт был поражен огромным расходом пара при работе модели. Этот недостаток, делавший крайне невыгодным применение атмосферных машин, Уатт правильно объяснил охлаждением стенок цилиндра при впрыскивании внутрь его воды, необходимой для конденсации пара и создания разрежения под поршнем.

Путем многочисленных и настойчивых опытов Уатт установил, что при впуске пара стенки цилиндра сильно нагреваются, затем при впуске воды они снова охлаждаются, и при новом впуске свежего пара тепло его расходуется сначала на нагревание стенок, что вызывает энергичную конденсацию вновь поступающего пара до тех пор, пока стенки цилиндра не приобретут температуры, равной температуре пари. Таким образом вследствие сочетания в одном сосуде рабочего цилиндра и конденсатора машина Ньюкомена давала огромные тепловые потери. Устранение этого недостатка и составляет одну из важнейших заслуг Уатта.

Он пришел к мысли поддерживать температуру цилиндра постоянной, а охлаждение пара производить не в самом цилиндре, а в отдельном сосуде, которому он впервые дал название конденсатора. Вместе с тем Уатт отказался от использования атмосферного давления, заменив его давлением самого пара, подаваемого после поднятия поршня в верхний конец цилиндра. Эти идеи были изложены Уаттом в его знаменитом патенте, взятом в 1769 г.

Уатту понадобилось несколько лет упорного труда, надежд и разочарований, прежде чем ему удалось в 1774 г. построить свою первую машину. Только благодаря материальной поддержке двух компаньонов-предпринимателей (Ребука, а затем Болтона), с которыми Уатт вступил в компанию, он добился окончательного успеха.

Первый двигатель Уатта, построенный на основании проекта 1769 г., представлял собой гак называемую машину простого действия. Она работала следующим образом. В закрытый сверху вертикальный цилиндр впускается поверх поршня пар. В это время нижняя сторона цилиндра соединяется при помощи специального клапана и трубы с холодильником-конденсатором, где особым насосом поддерживается все время разрежение. Пар своим давлением заставляет опускаться вниз поршень, соединенный с балансиром машины. Когда поршень займет нижнее положение, сообщение с конденсатором и котлом прекращается, при помощи специального приспособления устанавливается сообщение между обоими концами цилиндра. Благодаря этому давление на обе стороны поршня уравновешивается, и под действием специальных грузов балансир приходит в прежнее положение, поднимая поршень. Затем сообщение между верхней и нижней частью цилиндра прекращается, в верхнюю часть его снова пускается свежий пар, а нижняя часть снова соединяется с конденсатором. В конденсаторе опять создается разрежение, и под давлением пара поршень движется вниз. Как видим, в этой машине Уатта действие атмосферы вовсе устранено, но пар производит работу лишь по одну сторону поршня, почему она и называется машиной простого действия.

Паровая машина Уатта 1769 г. А — цилиндр; В — поршень; С — балансир: D — связь с насосом; Е — котел; F — кран, соединяющий цилиндр с конденсатором; G —  конденсатор

Новый двигатель Уатта дал большую экономию в расходе топлива по сравнению с атмосферной машиной, уменьшив почти вдвое количество потребляемого угля. Благодаря этому Уатт и его компаньон Болтон сразу же получили крупные заказы от ряда владельцев копей и рудников.

Однако при всем этом машина Уатта, подобно атмосферной машине, могла применяться по-прежнему только для приведения в действие различного рода насосов и воздуходувных мехов, так как она давала только возвратно-поступательное движение. Между тем развивающаяся крупная фабричная промышленность нуждалась в двигателе, который давал бы непрерывное вращательное движение, необходимое для работы станков.

Добившись успеха с применением конденсатора и устранением атмосферного давления, Уатт занялся вопросом о сооружении машины, дающей непрерывное вращательное движение. Таким двигателем, завершившим в известной степени не только работы самого Уатта, но и весь предыдущий этап развития паровой машины, и явилась так называемая машина двойного действия, патент на которую был взят в 1784 г.

В машине двойного действия пар впускается и работает поочередно по обе стороны поршня, как это делается во всех современных поршневых паровых машинах. В то время как в одну половину цилиндра впускается свежий пар, другая присоединяется к конденсатору, в котором создается разрежение.

Одновременно с применением принципа двойного действия, Уатт разрешил и задачу непрерывного вращательного движения.

Общий вид паровой машины Уатта

Сначала Уатт придумал так называемый планетарный механизм. Он взял два зубчатых колеса. Одно из них он насадил на вал маховика, а другое прочно приладил к концу шатуна, идущего от поршня паровой машины. При одном обороте зубчатого колеса на конце шатуна колесо на валу маховика тоже делало определенное число оборотов, а вместе с ним приходил во вращательное движение и маховик, вращающий вал станка. Механизм очень остроумный, но на практике он удержался недолго. Уатту пришлось обратиться к другому, механизму — кривошипу, который уже издавна применялся в токарных станках для передачи качательного движения ножной -педали во вращательное движение махового колеса. Теперь кривошип — самая обычная вещь в технике, когда нужно превратить поступательное движение поршня во вращательное движение вала, или наоборот. Но в восьмидесятых годах XVIII столетия это было приспособлением еще не нашедшим себе широкого и универсального применения.

Весьма важным является изобретенный Уаттом механизм для соединения штока поршня с концом балансира. В атмосферной машине и в машине простого действия рабочий ход поршня совершался лишь при его движении вниз, поэтому и соединение поршня с балансиром могло не быть жестким, — для этого применялась цепь. Но в машине двойного действия оба хода поршня являются рабочими. Здесь надо было передать усилие балансиру и тогда, когда поршень шел вверх, — для этого уже необходимо жесткое соединение. Это представляло большую трудность, так как конец качающегося коромысла описывает дугу, а шток поршня движется по прямой линии. Гениальным решением этой труднейшей кинематической задачи явился так называемый параллелограмм Уатта, при помощи которого удалось жестко соединить движущийся по дуге конец балансира с прямолинейно движущимся концом поршневого штока.

Для регулирования хода машины Уатт ввел маховое колесо и специальный регулятор, при помощи которого автоматически изменялось поступление пара в цилиндр в зависимости от ускорения или замедления хода машины.

Уаттом был введен также метод измерения мощности паровой машины в лошадиных силах и изобретен специальный прибор, —  так называемый индикатор, при помощи которого можно получать на бумаге графическое изображение связи между давлением пара в цилиндре и положением поршня. Этот прибор в несколько усовершенствованном виде до сих пор остался необходимым средством для рационального ухода и для изучения работы всех поршневых машин (двигателей, насосов, компрессоров и т. д.).

Изобретения Уатта не только сделали паровую машину более экономичной (ее коэффициент полезного действия достигал 3 процентов), но и открыл ей в качестве двигателя доступ во все области производства.

Джемс Уатт

Разумеется двигатель Уатта был далек от совершенства. Низкое давление пара, тяжелый балансир, крайне громоздкое устройство котла — вот его основные недостатки.

Но это нисколько не уменьшает главнейшей заслуги Уатта, «Уатт, — писал Энгельс в «Диалектике природы», — придал паровой машине в принципе ее современный вид. Круговорот, открытый в этой области, закончился, удалось достигнуть превращения теплоты в механическое движение. Все дальнейшее было только улучшением деталей».