Первые тепловые машины

Рис.

Первый, кто в своих работах начал размышлять о глобальных источниках энергии в Природе, был Христиан Гюйгенс. В ту пору начало получать распространение огнестрельное оружие. Порох из Китая был ввезён в европейские государства.

У Гюйгенса возникла идея использовать энергию окисления этого химического вещества для дальнейшего преобразования в механическое движение.

Несмотря на значительные энергетические возможности пороха использование его энергии оказалось затруднительным. Слишком скоротечной была реакция.

Рис. 3.19. Дени Папен

Построенный Гюйгенсом двигатель практического применения так и не нашёл. Перемещать поршень продуктами сгорания пороха оказалось заманчиво, но малоэффективно. Более привлекательной оказалась идея организации движения энергией пара.

Первым, кто реализовал плодотворную идею был француз Дени Папен (1647 - 1712 гг.), намеревавшийся в юности стать врачом. В университете Анже он даже начал медицинский курс, но встреча с Христианом Гюйгенсом изменила намерения Дени, и он по настоятельному совету Гюйгенса стал серьёзно заниматься физикой и математикой.

До 1675 г. Папен проживал в Париже и занимался, в основном разработкой воздушных насосов. Переместившись в Лондон, Папен познакомился с ведущими английскими учёными и быстро вник в насущные задачи, стоявшие перед естествознанием того времени.

А основная задача была очевидна. Быстро развивающееся промышленное производство требовало новых источников энергии.

Спустя пять лет после переезда в Лондон Папен продемонстрировал учёному и прочему заинтересованному люду своё изобретение, которое в последствии назвали «Папенов котёл», представлявший собой герметичный сосуд с предохранительным клапаном. Чтоб не бабахнуло.

По сути котёл представлял по современным понятиям обыкновенную скороварку. Используя это устройство, Папен развенчал идею признания физической константой температуру кипения воды, т.е. температуру 100 0С.

Опыты Папена демонстрировали зависимость температуры кипения от давления. Достоинством скороварки является повышенная по сравнению с обычными условиями температура приготовления продуктов. Повышенная температура, как известно, сокращает время приготовления.

Кулинарное применение котла было не основным для Папена, проведя серию экспериментов учёный пришёл к выводу об энергетических возможностях пара. В 1674 г. Папен построил свой первый паровой двигатель.

В цилиндре под поршнем, по методике Гюйгенса, Папен воспламенял порох, при сгорании которого возникало избыточное давление и поршень поднимался вверх, затем стенки сосуда охлаждали водой и избыток продуктов сгорания сбрасывали через специальный клапан, давление падало, поршень под действием атмосферного давления и силы тяжести опускался вниз.

Пороховая машина Папена обладала принципиальным недостатком. При охлаждении продуктов сгорания возникал слабый вакуум, что обеспечивало только очень медленное перемещение поршня вниз.

Далее Папен заменяет порох водой и внешним нагревателем. Схема парового двигателя приведена на рис. 3.20.

Устройство состояло из цилиндра 1, с помещённым в него поршнем 2.

Перемещающийся вверх и вниз шток, будучи соединённым с системой рычагов мог производить механическую работу. Конечно, с позиций современного уровня развития техники и технологии двигатель Папена трудно назвать совершенным, но не стоит забывать, что это была первая удачная попытка использования энергии пара. С двигателя Папе- Рис. 3.20. Двигатель на всё началось.              Папена

Опыты с паром, находящимся под высоким давлением, позволили исследователям прийти к некоторым важным теоретическим выводам. Так, например, Гийом Амонтом в 1697 г. проверяя зависимость величины давления пара от температуры, пришел к заключению, что отрицательные температуры не имеют физического смысла, потому, что отсутствуют отрицательные давления.

Это был очень важный этап в исследовании физического смысла температуры. В те поры велись оживлённые дискуссии среди учёных о таких фундаментальных понятиях как тело и температура.

Научно обоснованные представления отсутствовали, поэтому предлагались различные вероятные, мало вероятные и совсем невероятны варианты. Один, из, как тогда казалось, разумных вариантов был предложен Джороджем Эрнстом Сталом, который ввёл понятие особого «тела горения» и «тела ржавления» - флогистона (от греч. фАоуюгос; - горючий, воспламеняемый).

Ещё флогистон называли «огненная субстанция» и считали, что эта сверхтонкая субстанция наполняет все горючие вещества и высвобождается в процессе протекания процессов горения. В 1703 г. Иоганн Бехер и Георг Шталь в 1703 г. разработали теорию горения в основу, которой положено понятие флогистона.

Согласно этой теории, например, дерево, предполагалось состоящим из золы и флогистона. А как же иначе? Сгоревшее полено, выделяя огонь, превращается в золу, которая по массе гораздо как меньше.

Куда исчезает масса? Выделяется при горении в виде флогистона (рис. 3.21)? Флогистон или теплород стал своеобразной палочкой выручалочкой, посредством которой можно было, как говориться, наводить тень на плетень.

СУЩНОСТЬ ТЕОРИИ ФЛОГИСТОНА

Же лезо состоит из окалины и флогистона окалина4- флогистон = железо; железо — флогистон = окалина.

Дерево состоит из золы и флогистона зола+ флогистон = дерево; дерево — флогистон=зола.

Рис. 3.21. Теория флогистона и веществ

Вместе с тем, теплород оказался субстанцией весьма полезной для грубой прорисовки многих термодинамических процессов.

Идея теплорода, как и многое прочее, появилось в Европе во второй раз. Дело в том, что ещё Древние Греки активно эксплуатировали идею флогистона, как особой невидимой жидко-

сти, содержащейся в телах и ответственной за термодинамическое состояние.

Следует отметить, что идею теплорода поддерживали не все учёные. Противником этой теории как говорилось уже, был наш великий соотечественник Михайло Васильевич Ломоносов.

Рис. 3.22. Ньюкомен

Изобретение Папена (рис. 3.20) было усовершенствовано, кузнецом по профессии, Томасом Ньюкоменом (1663 - 1729 гг.). В 1705 г. совместно с лудильщиком Дж. Коули они построили паровой насос, который в последующие десять лет усовершенствовали.

Начиная с 1712 г. насос полноценно эксплуатировался при откачке воды из шахт. Ньюкомен и Коули были знакомы с устройством Папена и модернизировали его с целью улучшения эксплуатационных параметров.

Рис. 3.23.Насос Нькомена

Ньюклмен не смог запатентовать своё работающее творение, потому что ещё в 1698 г.

Несмотря на это обстоятельство, насос Ньюкомена открыл эру использования энергии пара в универсальных двигателях.

Паровой насос Ньюкомена (рис. 3.23) состоял из источника тепла 1, которым подогревалась в котле 2 вода 3. Образовавшийся пар под избыточным давлением поступал в цилиндр 4, перекрытый поршнем 5.

Уплотнительные кольца к тому времени ещё не были изобретены, поэтому герметизация осуществлялась по- средствам кожаного гибкого диска, расположенного на верхней поверхности поршня и покрытого слоем воды.

Поршень соединялся со штоком 6, который совершал возвратно поступательное движение. При достижении поршнем верхнего положения в рабочее пространство под поршнем подавалась охлаждающая вода из специального резервуара 7.

Процесс управления подачей пара и воды осуществлялся двумя клапанами 8,9, которые посредствам механических приводов срабатывали в противофазе при достижении поршнем верхней точки в цилиндре. При впрыскивании в поршень воды, пар конденсировался, под поршнем возникал вакуум, поршень опускался вниз. Обратный ход поршня удалял воду из цилиндра.

Когда поршень достигал нижнего уровня, в цилиндр поступал пар, поршень снова устремлялся вверх.

Машина Ньюклмена использовалась в Европе более 50 лет, было построено несколько тысяч паровых насосов. Это было одним из первых серийных устройств в истории техники.

Известно, что машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром поршня 76 см за один день производила работу, которую бригада, состоящая из 25 рабочих и 10 лошадей, выполняла в две смены в течение недели.

Коэффициент полезного действия машины был около 1%, т.е. только сотая часть тепловой энергии преобразовывалась в механическую работу. Вместе с тем, насос Ньюкомена позволил возобновить работу многих угольных шахт, которые считались безвозвратно потерянными из-за затопления водой.

Наряду с практическими попытками использования энергии пара продолжались теоретические исследования в области молекулярной физики и термодинамики. Одним из основоположников молекулярной физики можно считать уроженца Голландии Даниила Бернулли 29 января (1700 - 1782 гг.), учёного универсала, достигшего знаменательных результатов в медицине, математике, гидродинамике и теоретической физике.

Рис. 3.24. Даниил Бернулли

Братья Даниил и Николай были сыновьями Иоганна Бернулли, университетского преподавателя математики. Отец с раннего детства привил детям особое отношение к преподаваемой им науке, что впоследствии для обоих братьев стало основой их научной карьеры.

Даниил в 1716 г. получил звание магистра философии, но по настоянию отца занялся изучением медицины, которая во все времена была весьма практичной специальностью. Медицине он учился в университетах Г ейдельберга и Срас- бурга. После защиты диссертации «О дыхании»

Даниил получил учёную степень лиценциата медицины.

Однако профессиональным медиком он не стал, его более занимала математика. В 1724 г.

Даниил написал свой первый трактат «Математические упражнения», после чего был принят в члены Болонской научной академии и получил предложение возглавить академию в Генуе.

Одновременно ему с братом Николаем пришло приглашение из России, где Петром I была организована Петербургская академия. Отец благословил братьев на дальнюю дорогу, напутствовав словами: «...лучше несколько потерпеть от сурового климата страны льдов, в которой приветствуют музы, чем умереть от голода в стране с умеренным климатом, в которой музы обижают и презирают».

В 1732 г. Парижская академия наук объявила конкурс на тему «О взаимном наклонении планет». Анонимная рецензия работ выделила два исследования. После вскрытия конвертов оказалось, что это работы отца и сына, Иоганна и Даниила Бернулли.

По этому поводу великий математик Лейбниц написал отцу Бернулли письмо, в котором в частности говорилось: «Я радуюсь, что и твой сын носит печать Бернулли и хранит наследственный блеск фамилии». Наряду с математическими достижениями Даниил плодотворно работал в области физики.

В трудах Даниила Бернулли содержалось теоретическое обоснование законов Г ей-Люссака, Клайперона и Шарля. Даниил Бернулли впервые высказал гипотезу о том, что давление газа обусловлено тепловым движением молекул.

Используя в качестве модели упругие столкновения бильярдных шаров и закон сохранения механической энергии Бернулли доказал, что давление газа меняется пропорционально квадрату скорости частиц.

Такой вывод можно считать первым статистическим обоснованием кинетической теории. Это обоснованное суждение определило направление развития многих последующих термодинамических теорий.

Совместно сД'Аламбером, Л. Эйлером и Лагранжем Бернулли разработал основы современной математической физики, ставшей мощным инструментов исследования закономерностей окружающего человека мира.

В Европе принято считать, первый универсальный паровой двигатель изобретён, подчёркиваем - изобретён, в Англии Джеймсом Уаттом. К этому ошибочному мнению в последнее время склоняются и некоторые отечественные авторы популярных телевизионных около научных передач, умышленно или по незнанию не усматривая разницу в таких понятиях, как изобретение и ввод в эксплуатацию.

Рис. 3.25. Иван Иванович. Ползунов

Лазеры, транзисторы, телевидение, стереофонические системы, тоже впервые начали применяться на практике в США, но ведь это было изобретено в СССР, и этого уже, практически никто не оспаривает.

А вот с изобретением Ивана Ивановича Ползунова инсинуации продолжаются. Скажем несколько слов об уральском бесценном самородке, которому извечный отечественный бич в образе чиновников (столоначальников) помешал официально стать мировым лидером в забеге по извилистой траектории освоения энергии пара.

На отечественном телевидении есть передача «Галилео», помоемку на канале СТС, где некий молодой человек в лучших традициях цирковой клоунады с выпучиванием безмерно и закатыванием гораздо глаз, с соответствующими кривляньями пытается каламбурить на научно-технические темы.

В одной из передач ведущий предпринимал потуги поведать телезрителям об использовании энергии пара. Смотря этот фрагмент, я очень хотел узнать, кто пишет этой «говорящей голове» тексты?

Можно только догадываться, для чего столь наглым образом передёргивается история. Дело в том, что, не моргнув глазом, ведущий заявил, что Иван Иванович Ползунов теоретически не мог быть первым, кто изобрёл универсальный паровой двигатель, потому что образование не имел никакого и вообще, состоял в крепостных. Лукавят ребята, не был Ползунов Иван Иванович крепостным, и образование по тем временам и по своему сословию получил вполне приличное

Ползунов, сын отставного солдата закончил Горнозаводскую школу в Екатеринбурге и состоял после этого «механическим учеником» у главного механика уральских заводов Н. Бахарева.

Параллельно Ползунов учился в словесной и арифметической школе. Закончив обе школы Иван Иванович получил в Барнауле должность гиттеншрейбера (делопроизводителя при литейном производстве).

В Барнауле у Ползунова появилась возможность знакомиться с современной научной и технической литературой. На заводе была достаточно неплохая библиотека. Через три года, благодаря работоспособности и осведомлённости в професии, Ползунов был произведён в младший шихтмейстерский чин с увеличением оклада до 36 руб. в год, что было совсем неплохо.

На эти деньги много чего можно было купить, включая несколько лошадей. Прим назначении на новую должность, начальство напутствовало молодого специалиста «учиться, учиться и ещё раз учиться», сформулировав эту ленинскую сентенцию в подобающих времени выражениях: «... что ежели он упомянутые науки познает и в том числе искустен усмотрится, то имеет быть определен ему старший унтершихтмейстрерский оклад, и сверх того повышением чина оставлен не будет».

Но производство не самое лучшее место для образования. Колывано- Воскресенские заводы катастрофически страдали от нехватки специалистов, поэтому молодой, энергичный и знающий Ползунов не имел в изобилии свободного времени.

В 1751 г. Ползунов даже обратился с прошением к вышестоящему начальству, об организации его образования. Ползунова перевели смотрителем плавильного производства, пришлось всему учиться у практиков, потому что техникумов и университетов на Алтае совсем небыло.

На Змеиногородском руднике впервые Ползунов заявил о себе, как изобретатель и руководитель проектов. Под его руководством была построена и запущена в эксплуатацию лесопилка, которая представляла собой на то время наиболее технически сложное сооружение.

Сложность машины заключалась в том, что вращение от водяного колеса было необходимо передавать лесопильным рамам, совершавшим возвратнопоступательное движение, причём на значительном удалении. Сложные передаточные механизмы содержали элементы автоматики.

Впрочем, современные автономные лесопилки мало чем отличаются от устройств времён Ползунова. Разве что водяное колесо заменено электродвигателем или двигателем внутреннего сгорания, а в остальном примерно тоже самое.

В ноябре 1754 г. Ползунов получил очередное повышение по службе. В его обязанности входило: «чинить над всеми работами надзирание», потому, что «если что спроситца, ясно и пространно донести мог». Одним словом способный и квалифицированный управленец.

А они, современные идеологи с телевидения втюхивают молодёжи, что И.И. Ползунов был безграмотным крепостным рабочим на плавильном производстве. Врут, как птица летает, высоко и непринуждённо.

Судя по дневниковым записям Ползунова, несмотря на загруженность служебными обязанностями, он постоянно возвращался к идее замены водяного колеса более рациональным источником.

Рудное производство было связано с месторождением, которое далеко не всегда располагалось на берегах речек и озёр. Приходилось либо подводить воду в нужное место или строить дороги и доставлять на гужевом транспорте руду. И первое и второе было делом хлопотным и затратным, что заметно снижало эффективность производства.

В апреле 1763 г. И.И. Ползунов представил начальнику Барнаульского горнометаллургического завода совсем необычный проект своей «огненной машины», предназначенной для приведения в действие воздуходувных мехов, использующихся для создания высоких температур при плавке (рис. 3. 26).

Идея Ползунова возникла не на пустом месте, Иван Иванович был знаком с устройством насосов Ньюкомена и Папена и, судя по дневникам, много размышлял по поводу возможных причин их несовершенства.

Рис. 3.27. Конструкция «огненной» машины

Рис. 3.26. Проект «огненной машины» И. И. Ползунова [66]

Родился проект первого в мире универсального теплового двигателя. Таких в России, равно как и в мире не было (рис. 3.27). О существовании тепловых машин были редкие упоминания, например в книге И.В. Шлаттера «Обстоятельное наставление рудокопному делу» была кратко рассмотрена схема машины Нюкоме- на.

«Огневая» машина Ползунова по проекту обладала мощностью 1,8 л.с. В отличие от машины Ньюкомена, работавшей прерывисто, аппарат Пол- зунова мог совершать работу непрерывно.

В машине предполагалось использовать два цилиндра (тоже впервые!) с перемещающихся в них поршнями, которые передавали движение на общий вал.

Это был совершенно неизвестный ранее принцип сложения работы нескольких цилиндров, расположенных на одном валу. Этот принцип положен в основу работы всех современных двигателей внутреннего сгорания, как карбюраторных, так и дизельных. Кроме того, Ползуновым было предложено оригинальное устройство для автоматического распределения пара и воды.

Осознавая техническую новизну предлагаемой машины, Ползунов предлагал вначале построить экспериментальный малый вариант для привода мехов для одной плавильной печи. В соответствии с проектом, машина состояла из двух цилиндров с противофазным движением поршней («эмволов»), снабжённых парораспределительной и водораспределительной системами.

Пар под давлением подавался под поршень одного из рабочих цилиндров, поршень поднимался, в то время как второй поршень опускался. При достижении первым поршнем верхней точки поступление пара прекращалось, внутрь цилиндра впрыскивалась охлаждающая вода, пар конденсировался и поршень двигался вниз.

В это время пар подавался под второй цилиндр, который устремлялся вверх. Все части двигателя работали силой опускаемого поршня. По сути, «огненная» машина Ползунова реализовала сдвоенный пароатмосферный цикл.

На заводе проект был поддержан, но для его реализации было нужно согласие высшего руководства из Петербурга, куда и отправили чертежи и пояснительную записку. Ответ в Барнаул пришёл через год. Указом кабинета от 19 ноября 1763 г. императрица Екатерина II жаловала Ползунова И.И. чином инженерного капитан- поручика.

Это означало, что «механикус» теперь имел 240 руб. годового дохода, ему были положены два денщика и единовременное пособие из казны в 314 руб. на содержание лошадей. Кроме того, изобретателю была обещана премия в 400 руб. после реализации проекта.

Надо сказать, что вознаграждение было обещано, так себе, ниже среднего, если учесть, что за изготовленные для императрицы Иваном Кулибиным часы, казна отвалила 1000 руб. премиальных. А за модель однопролётного моста через Неву тому же Кулибину было жаловано из казны 2000 руб. Согласитесь, значимость утилитарных часов и модели моста, при всём уважении к Кулибину, и первого в мировой истории теплового двигателя несопоставима.

Тем не менее, Иван Иванович Ползунов стал «вашим благородием», т.е. был произведён в дворяне. Благи намерения государей, но чиновники и столоначальники при престоле в России во все времена проявляли повышенную бдительность, особенно когда это касалось творчества подданных. Ответ в Барнаул пришёл, но в нем, ни слова не говорилось о разрешении проект реализовать.

Несмотря на отсутствие внятного решения правительственных чиновников, начальник Колывано-Воскресенских заводов А.И. Прошин разрешил Ползунову, который уже заканчивал оформлять проект машины на 15 плавильных печей, начать строительство первой очереди машины.

В марте 1764 г. на Барнаульском заводе началось строительство большого теплового двигателя. Вот тут и начались трудности местного уровня. Оказалось, что материально-технический уровень завода не соответствовал задачам, выдвинутым проектом Ползунова.

Для реализации замыслов требовались квалифицированные молельщики, литейщики, кузнецы, слесари, специалисты по медному и паяльному делу. Работать над машиной должны были 76 человек, в том числе 19 высококвалифицированных рабочих.

В Барнауле такого количества мастеров не было. Трудности возникли с материалами и инструментами. Никто не хотел без столичного разрешения отпускать дефицитные материалы и взять на себя ответственность приглашения специалистов из Екатеринбурга.

Кончилось тем, что местное начальство выделило Ползунову на постоянной основе четверых подручных, но обещало выделять рабочую силу «сколько, когда у него, Ползунова, работы случиться».

К осени 1765 г. благодаря титаническим усилиям Ползунова и его ближайших сподвижников все детали машины были изготовлены. Ползунов сдал на склад завода 97 пудов медных опилок, что является показателем масштабности выполненных работ. Дело в том, что все инженерные сооружения до этого выполнялись, в основном, из дерева, с элементами металлических включений. У Ползунова всё было наоборот. Машина реализовалась в металлах, а дерево было вспомогательным материалом.

В оставшееся до зимы время было необходимо возвести для машины здание и «крупно соединить», т.е. собрать конструкцию воедино. Сооружение выходило высотой с трёхэтажный дом. Уже в это время И. И. Ползунов был болен, «одержим колотием в груди». Болезнь вследствие физического истощения прогрессировала, всё чаще и чаще горлом шла кровь.

Умер Иван Иванович в возрасте 38 лет 16 мая 1766 г., не дожив недели до официальных испытаний своего детища, которые успешно прошли 23 мая (5 июня) 1766 г. В первый же день испытаний комиссия пришла к заключению, что «огненная машина» Ползунова И.И. может приводить в движение мехи для подачи воздуха одновременно в 10 - 12 плавильных печей. Двигатель Ползунова Ивана Ивановича на испытаниях развил мощность примерно 40 лошадиных сил.

Для питания котла водой Ползунов изобрёл первый в истории техники автоматический регулятор уровня воды в котле, работающий в автоматическом режиме. Схема такого регулятора используется в различных вариациях в современных унитазах. Он построен на принципе регулирования по отклонению регулируемого параметра - основной принцип современной теории автоматического управления.

Рис. 3.28. Модель «огненной машины»

Кроме того, Ползуновым был предложен воздушный трансформатор. Для того, чтобы поток воздуха в печи был постоянным из мехов его вначале подавали в герметичный деревянный ящик «воздушный ларь», а уже оттуда в печи. Поток можно было регулировать и он не зависел от цикличности движения мехов.

Двигатель Ползунова проекта 1763 г. предназначался исключительно для привода воздуходувок. Следует отметить, что возвратно поступательное движение поршней могло быть преобразовано во вращательное движение посредствам кривошипношатунного механизма, который в России был хорошо известен и уже применялся на практике. В приложении к проекту Ползунов сообщал о возможности использования «огненной машины» для движения кузнечных молотов, рам лесопилок и т.п.

Будучи уже прикованным болезнью к кровати и не в состоянии самостоятельно писать, Иван Иванович продиктовал своему ученику Ване Черницыну прошение императрице: «Всепресветлейшая, державнейшая, великая государыня императрица Екатерина Алексеевна, самодержица всероссийская, государыня всемилости- вейшая! Бьет челом механикус Иван Иванович сын Ползунов о нижеследующем: «Сочиненный мною проект новой машины Ваше Императорское Величество еще в 1763 году рассматривать и тем быть довольна соизволили.

И для вящего мне и прочих по примеру моему в таковых полезных упражнениях поощрения повелеть соизволили выдать мне в награждение 400 рублей. Но тех денег мне и поныне не выдано.

И хотя я той дачи получить не удостоился, ревность моя к службе не ослабла, и я вышеупомянутую машину во всех членах её сделал и в построенной фабрике собрав, поставил и к действию в плавильных печах привел в готовность, о чем главным над Колывано- Воскресенскими заводами командиром генерал-майором и кавалером Порошиным с некоторыми горными офицерами уже засвидетельствовано.

При котором строении понес я немалую себе тягость и в здоровье изнурение. При всем же том машинном устроении из находящихся при мне механики ученики

Дмитрий Левзин, Иван Черницын составление ее в членах нарочито поняли и производство знают и в чем-либо повредившееся окажется, то поправить могут».

Вот такое последнее желание гения, получить для семьи, обещанные самой императрицей деньги. Императрица повелела, а чиновники проигнорировали даже повеление самодержицы, что уже говорить о президентах и премьерах.

Официально в промышленную эксплуатацию «огненная машина» Ползунова была пущена 7 августа 1766 г.и была предназначена для привода заводских агрегатов. Устройство безостановочно действовало более трёх суток, исправно подавая воздух в плавильные печи.

Однако 10 августа двигатель пришлось остановить, износились пробковые прокладки поршней, осуществляющие их герметизацию. В общей сложности первый тепловой двигатель с краткосрочными техническими перерывами проработал 1023 часа (42 суток и 15 часов).

За это время было выплавлено более 14 пудов серебра, около 38 фунтов золота. Чистый экономический эффект за вычетом всех затрат на постройку и эксплуатацию, включая обещанную премию Ползунову в 400 руб., составил 11016 руб. И это за полтора месяца работы машины.

Рис. 3.29. Джеймс Уатт

Однако потребности в машине заводы не испытывали, было много дешевой рабочей силы, для привлечения которой не требовались технические знания. Иван Иванович Ползунов опередил своё время, плоды его творчества были производству не нужны. Машину более не запускали, а в 1782 г. разобрали вовсе за ненадобностью.

В Европе, в частности в Англии, ситуация была иной. Стремительное развитие производства требовало новых источников энергии, и они не преминули появиться.

В 1782 г. Джеймс Уатт получил патент на универсальный тепловой двигатель. Регистрация патента Уатта совпала по времени с уничтожением творения Ивана Ивановича Ползунова, вот такая произошла закономерная несправедливость.

О великих людях принято слагать легенды.

Джеймс Уатт (1736 - 1819 гг.) не исключение. Одна из легенд о нём гласит о том, что с раннего детства юное английское дарование размышлял об энергии пара, задумчиво наблюдая за струйкой пара, вырывающегося из носика кипящего чайника. По мнению авторов легенды именно созерцание чайника натолкнуло Уатта на изобретение универсального парового двигателя.

Не исключено, что действительно в детские или отроческие годы Джеймс смотрел на кипящие чайники, однако маловероятно, что в ту пору ему грезились паровые машины. Дело в том, что Джеймс Уатт, как и многие творцы паросиловой техники не имел инженерного образования, следовательно, идеи построения паровых машин зарождались в их сознании в процессе созерцания происходящего, т.е. в процессе практической деятельности, что впрочем, нисколько не умоляет значимости для развития цивилизации их достижений.

Относительно же истекающего из носика чайника пара, уместно вспомнить Г е- рона Александрийского, который не только наблюдал, но и построил забавную игрушку, именуемую в простонародии «Эолипил», однако универсальный силовой агрегат из игрушки так и не получался.

Англичане, с присущей им нахрапистостью считают Джеймс Уатта первым и единственным создателем универсального парового двигателя. Они правы только отчасти. Дело в том первое официальное упоминание о подобного рода двигателе появилось в 1663 г. у маркиза Ворчестера, который описал построенную им действующую модель с «чудесным водяным двигателем».

Патент же был выдан спустя 35 лет капитану Севери, который построил совю машину одновременно с соотечественником Ньюкоменом. Кузнецу, как известно патента не дали. В отличии от капитановой машины, аппарат Ньюкоумена, несмотря на своё несовершенство работал на шахтах и в рудниках, исправно откачивая из них воду.

Французы, на вполне законных основаниях, склонны считать, что пальма первенства в обуздании энергии пара принадлежит именно им, считая пионером парового двигателестроения Дени Папена.

Немцы, приоритет изобретения паровой машины отдают магдебургскому бургомистру фон Герике. Следует заметить, что Ворчестер, Папен, Ньюкомен и фон Герике жили за долго до рождения Джеймса Уатта.

Как отмечено выше, «огненная машина» Ползунова отработала исправно более 40 суток и была самой совершенной на тот момент времени. Между 1763 г, когда Ползунов оформил свой первый проект и 1782 г, когда запустил своё детище Джеймс Уатт лежит промежуток времени в 19 лет.

Но, тем не менее, Уатт оказался, как говорится в нужное время в нужном месте. У нас на Родине, в плане истории, Ивану Ивановичу тоже не повезло. Теоретик светлого будущего всего человечества К. Маркс, вождь и учитель В.И. Ленина, между прочим, в своё время изрёк: «Великий гений Уатта обнаруживается в том, что патент, взятый им в апреле 1784 года, давая описание паровой машины, изображает ее не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности». Ну кто же после такового заявления осмелится перечить классику. Раз Маркс сказал - значит так оно и есть на самом деле.

Джеймс Уатт, ко всему прочему, должен был обладать подходящей наследственностью, потому что его дед преподавал в небольшом шотландском городишке Гриноке математику и мореходную астрономию и даже неоднократно избирался церковным старостой.

Папенька Джеймса тоже был не чужд интеллектуальной деятельности, но вместе с тем у него проявилась и предпринимательская жилка. Отец Джеймса держал склады с мореходными принадлежностями и открыл специальную мастерскую для изготовления мореходных инструментов.

В детские и юношеские годы у Джеймса Уатта среди любимых занятий созерцание кипящих чайников не значилось, а вот рыбалка и работа в папиной мастерской имели место. Но всё же рыбалка была на первом месте.

Обучаясь в школе, и систематически пропуская занятия, ввиду хилости и болезненности Джеймс Уатт успехами не блистал. Однако с 13 лет проявились его математические способности. Живя у дяди - профессора университета в Глазго, Джеймс Уатт по собственной инициативе проводил опыты по физике и химии.

В девятнадцатилетнем возрасте Джеймс отправился в Лондон, где устроился учеником в мастерскую по изготовлению навигационных инструментов. По возвращении в Глазго Джеймс Уатт открыл небольшую мастерскую по изготовлению инструментов. Талант Джеймса был замечен, и его пригласили на должность мастера - инструментальщика в университет.

В один из дней Джеймсу администрация университета поручила исправить сломавшуюся паровую машину Ньюкомена. Разбираясь с машиной, Джеймс понял, что причиной неудовлетворительной работы были не поломки, а принципиальное несовершенство двигателя. В 1769 г. Уатт оформил свои идеи в виде патента на способы уменьшения потребления пара и топлива в в огневых машинах.

В предложенной конструкции машины были несомненные пионерские инженерные решения. Уатт изобрёл такие актуальные для парового двигателестроения устройства, как конденсатор пара, золотник и центробежный регулятор.

Постоянно работая над усовершенствованием машины, Уатт в 1782 г. получает второй, основной патент на универсальный тепловой двигатель (рис. 3.30).

Рис. 3.30. Схема и модель парового двигателя Джеймса Уатта

Машина получает распространение, промышленники начинают её заказывать, потому что она приносит прибыль. Капитализм - двигатель прогресса. В процессе внедрения в изобилии встречались курьёзы. Постоянно совершенствуя узлы машины Уатт добивался снижения уровня её шума, но оказалось, что это свойство было воспринято потенциальными заказчиками настороженно. Бытовало мнение, что чем больше шумит механизм, тем большая мощность за этим скрывается, технические подробности мало кем из промышленников были осмысленны.

Сделаться двигателю универсальным помогли многочисленные нововведения Джеймса Уатта в конструкцию. Длительное время Уатт наблюдал работу двигателя Ньюкомена, совмещённого с насосом.

Уатт понял, что чрезмерное охлаждение стенок цилиндра приводит к необходимости подводить дополнительное количество пара для нагрева. Вокруг цилиндра была создана «паровая рубашка» не позволяющая сильно охлаждаться стенкам цилиндра при впрыскивании воды.

Последние нововведения позволили увеличить КПД двигателя примерно в 2,7 раза. Для тех времён это было просто замечательно. Представьте себе, что некой рационализацией удалось бы КПД современных ДВС поднять с 35 % до 70%. Фантастика!

Проводя измерения на примере повозок, запряжённых лошадями, Уатт соотносил мощность своего двигателя с мощностью животных. Финалом таких сравнений стало введение в оборот новой единицы мощности - лошадиной силы, которая прижилась не только в инженерной, но и в научной литературе.

Британская ассоциация инженеров присвоила единице мощности в честь Уатта наименование ватт. Кроме того, Уатт сконструировал открытый ртутный манометр, ртутный вакуумметр, водомерное стекло в котлах, индикатор давления, центробежный регулятор оборотов.