История паровых машин

     Введение

     Первым  механическим двигателем, нашедшим практическое применение, была паровая машина. Вначале  она предназначалась для использования  в заводском производстве, но позднее  паровой двигатель стали устанавливать  на самодвижущихся машинах - паровозах, пароходах, автомобилях и тракторах.

     Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности, однако лишь на рубеже 17 - 18 веков удалось найти способ производить  полезную работу с помощью пара. Пар приводил в действие насос, качавший воду в резервуар. Вытекая из резервуара и падая на водяное колесо, вода заставляла его вращаться. Водяное колесо, в свою очередь, приводило в движение заводские механизмы и машины. Таким образом, и после изобретения парового насоса непосредственным двигателем рабочих машин оставалось водяное колесо. Прошло еще немало времени, прежде чем пытливый человеческий ум создал надежный двигатель, способный непосредственно приводить в действие разнообразные машины и механизмы. Прошло более чем два столетия, прежде чем появился двигатель, ставший одной из предпосылок появления нового вида боевых машин - танков.

       Создание двигателя

     Первая  попытка поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 году: машина Сэйвери предназначалась  для осушения шахт и перекачивания воды. Сам изобретатель назвал ее "огневой машиной" и широко разрекламировал как "друга шахтеров". Для получения пара, приводившего машину в действие, требовался огонь, но изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей.

     Машина  Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар  наполнялся паром, затем внешняя  поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода - например со дна шахты - засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу через выпускную. Затем цикл повторялся, но воду можно было поднимать только с глубины менее 10,36 м, поскольку в действительности ее выталкивало атмосферное давление.

     Первая  удачная паровая машина с поршнем  была построена французом Дени Папеном, чье имя чаще ассоциируется с изобретением автоклава, который имеется сегодня практически в каждом доме в виде кастрюли-скороварки.

     В 1674 году Папен построил пороховой  двигатель, принцип действия которого основывался на воспламенении в  цилиндре пороха и перемещении поршня внутри цилиндра под воздействием пороховых газов. Когда избыток газов выходил из цилиндра через специальный клапан, а оставшийся газ охлаждался, в цилиндре создавался частичный вакуум, и поршень возвращался в исходное положение под действием атмосферного давления.

     Машина  была не очень удачной, но она навела Папена на мысль заменить порох водой. И в 1698 году он построил паровую машину (в том же году свою "огненную машину" построил и англичанин Сэйвери). Вода нагревалась внутри вертикального  цилиндра с поршнем внутри, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Таким образом, посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.

     Услышав о паровой машине Папена, Томас  Ньюкомен, который часто бывал  на шахтах в Вест Кантри, где он работал  кузнецом, и лучше чем кто-нибудь другой понимал, как нужны хорошие  насосы для предотвращения затопления шахт, объединил усилия с водопроводчиком и стекольщиком Джоном Калли в попытке построить более совершенную модель. Их первая паровая машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 году. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре, но в целом машина Ньюкомена была значительно более совершенной. Чтобы ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем, Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий кожаный диск и налил на него немного воды.

     Пар из котла поступал в основание  цилиндра и поднимал поршень вверх. Но при впрыскивании в цилиндр холодной воды, пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.

     Машина  Ньюкомена оказалась на редкость удачной и использовалась по всей Европе более 50 лет. В 1740 году машина с  цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригады из 25 человек  и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю. В 1775 году еще большая машина, построенная Джоном Смитоном (создателем Эддистоунского маяка), за две недели осушила сухой док в Кронштадте (Россия). Ранее с использованием высоких ветряков на это уходил целый год.

     И тем не менее, машина Ньюкомена была далека до совершенства. Она преобразовывала  в механическую энергию всего  лишь около 1 % тепловой энергии и, как  следствие, пожирала огромное количество топлива, что, впрочем, не имело особого  значения, когда машина работала на угольных шахтах.

     В целом машины Ньюкомена сыграли  огромную роль в сохранении угольной промышленности: с их помощью удалось  возобновить добычу угля во многих затопленных шахтах.

     Проект  первой в мире паровой машины, способной  непосредственно приводить в действие любые рабочие механизмы, предложил 25 апреля 1763 года русский изобретатель И. И, Ползунов, механик на Колывано-Воскресенских горнорудных заводах Алтая.(рис см в Приложении). Проект попал на стол к начальнику заводов, который одобрил его и отослал в Петербург, откуда вскоре пришел ответ: "...Сей его вымысл за новое изобретение почесть должно". Паровая машина Ползунова получила признание.

     Ползунов  предлагал построить вначале  небольшую машину, на которой можно  было бы выявить и устранить все  недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную машину для мощной воздуходувки. Постройку машины поручили Ползунову, в помощь которому были выделены "не знающие, но только одну склонность к тому имеющие из здешних мастеровых двое" да еще несколько подсобных рабочих.

     С этим "штатом" Ползунов приступил  к постройке своей машины. Строилась  она год и девять месяцев. Когда  машина уже прошла первое испытание, изобретатель заболел скоротечной  чахоткой и за несколько дней до завершающих испытаний умер.

     23 мая 1766 года ученики Ползунова  Левзин и Черницын одни приступили  к последним испытаниям паровой  машины. В "Дневной записке"  от 4 июля было отмечено "исправное  машинное действие", а 7 августа  1766 года вся установка - паровая машина и мощная воздуходувка - была сдана в эксплуатацию.

     Всего за три месяца работы машина Ползунова  не только оправдала все затраты  на ее постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль  в 12640 рублей 28 копеек.

     10 ноября 1766 года котел дал течь, и машина остановилась. Несмотря  на то, что эту неисправность  можно было легко устранить,  заводское начальство, не заинтересованное  в механизации, забросило творение  Ползунова.

     В течение последующих тридцати лет  машина бездействовала, а в 1779 году тогдашние управители алтайских заводов отдали распоряжение машину разобрать, "находящуюся при оной фабрику разломать и лес употребить на что годен будет".

     Примерно  в это же время в Англии над  созданием паровой машины работал шотландец Джеймс Уатт.

     Начиная с 1763 года он занимался усовершенствованием  малоэффективной пароатмосферной  машины Ньюкомена, которая, в общем-то, годилась только для перекачивания  воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял  в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. Каким же образом избежать этого? Ответ пришел к Уатту воскресным весенним днем 1765 года. Он понял, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Более того, цилиндр может оставаться горячим, а конденсор холодным, если снаружи их покрыть теплоизоляционным материалом. Кроме того Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших пароатмосферную машину в паровую. В 1768 году он подал прошение о патенте на свое изобретение. Патент он получил, но построить паровую машину ему долго не удавалось. И только в 1776 году паровая машина Уатта была, наконец, построена и успешно прошла испытание. Она оказалась вдвое эффективнее машины Ньюкомена.

     В 1782 году Уатт создал новую замечательную  машину - первую универсальную паровую  машину двойного действия. Крышку цилиндра он оснастил изобретенным незадолго  до того сальником, который обеспечивал  свободное движение штока поршня, но предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах.

     Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара.

     Запатентованная Уаттом "ротативная паровая машина" сначала широко применялась для приведения в действие машин и станков прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Таким образом, паровая машина Уатта стала изобретением века, положившим начало промышленной революции.(рис см. в Приложении).

     В 1785 году одна из первых машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу вместо 24 лошадей. Диаметр ее цилиндра равнялся 63 см, рабочий ход поршня составлял 1,83 м, а диаметр маховика достигал 4,27 м. Машина сохранилась до наших дней, и сегодня ее можно увидеть в действии в сиднейском музее "Пауэрхауз".

     Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться  изобретатели самодвижущихся механизмов.