А. Моравський, М. Файн
Перший універсальний тепловий двигун був створений в Росії видатним винахідником, механіком Воскресенських заводів на Алтаї І. І. Ползуновим.
І. І. Повзунів народився в 1728 р. на Уралі в родині солдата. У 1742 р. закінчив арифметичну школу і почав служити на Єкатеринбурзькому заводі. Коли йому виповнилося 19 років, був переведений на Алтай на Коливано-Воскресенські заводи, що належали царській сім'ї, де займав нижчі технічні посади.
Але потім його призначили в Барнаульское комісарське управління, де в 1754 р. він отримав чин шіхтмейстера, зрівнюють його в правах з першим обер-офіцерським чином.
Ні в Єкатеринбурзі, ні на Алтаї машин, що діють «за допомогою рушійної сили вогню», не було. Але відомо, що в 1762 р. Повзунів та інші фахівці зобов'язані були вивчити «Повчання рудному справі», написане президентом берг-колегії та головним суддею монетної канцелярії І. А. Шлаттер, в якому описувалися парові водовідкачувальних машини.
Є підстави вважати, що Повзунів вивчив також книги Леупольд і Белідора, в яких також містився опис парових водовідкачувальних машин. Обидві ці книги переклав на російську мову той же Шлаттер. Але описані в них установки не годилися ні для чого, крім відкачування води.
Винахідливість Ползунова не може не викликати захоплення. Він першим зрозумів, що можна змусити парову машину приводити в рух не тільки насос, але і ковальські міхи. Робочі органи його машини передавали рух валу відбору потужності. Це якість надавало машині Ползунова властивість універсальності.
Проект своєї машини Повзунів виклав в 1763 р. в записці, адресованій начальнику Коливано-Воскресенського гірського округу А. І. Порошину.
Не маючи досвіду роботи з огнедействующей машинами, Повзунів тим не менш не просто копіює машини, описані в книгах, а вносить в проект своєї машини суттєві відмінності від атмосферних машин того часу. Схема його машини представлена на рис. 1.
Два поршня пов'язані з головним валом за допомогою ланцюгів. До другого (вільному) кінця кожному ланцюзі прикріплений балансир. Водорозподільний кран по черзі подає охолоджуючу воду в подпоршневую порожнини. Парораспределітельний кран служить для з'єднання цих порожнин з котлом.
Машина була атмосферної. Коли одна з подпоршневую порожнин з'єднувалася з котлом, поршень під дією тиску пари піднімався вгору, після чого парораспределітельний кран повертався і відсікав подпоршневую порожнину від котла. Через трубку упорскувалася вода, пара конденсувався і під поршнем створювався ваккум. Під дією атмосферного тиску поршень опускався і здійснював корисну роботу. У цьому машина Ползунова нагадувала машину Ньюкомена.
Але на цьому схожість закінчувалося. У ній вперше передача від двох поперемінно діючих поршнів здійснена не до балансиру, а до шківа за допомогою ланцюгів, а передача від шківів здійснена не тільки до насоса, але і до ковальського хутра, тобто вперше робочі органи двигуна і споживач його потужності не пов'язані один з одним.
Крім того, Повзунів вніс серйозні удосконалення в конструкцію робочих органів двигуна, застосував оригінальну систему паро і водорозподілу, і на відміну від машин Ньюкомена вісь валу його машини була паралельна площині циліндрів.
Свою машину І. І. Повзунів почав будувати в 1764 р. До нього відрядили чотирьох учнів, яких він повинен був навчити не тільки теорії, але і ремесел.
Але Барнаульський завод був металургійним і не мав у своєму розпорядженні потрібне металообробним обладнанням, і слід вважати, що Ползунову доводилося винаходити способи обробки деталей своєї машини. Машина була виготовлена в грудня 1765 р. А в травні 1766 її творець помер від сухот. Машина була випробувана вже після його смерті в жовтні 1766 р. і працювала, загалом, задовільно.
Як і кожен перший зразок, вона потребувала доопрацювання, до того ж у листопаді виявили витікання котла. Але винахідника не було в живих, а без нього усуненням недоліків ніхто не займався. Машина не діяла до 1779 р., а потім була розібрана.
Історія з машиною Ползунова в першу чергу свідчить про обдарованість винахідника. Розрахунки виконані дуже точно з вказівкою на необхідність досвідченого визначення деяких опорів. Але головне, за допомогою ланцюгової передачі і двох циліндрів вперше був здійснений перехід до безперервного обертанню, тобто був створений перший універсальний двигун.
На жаль, через необізнаність широких кіл про цей винахід і ранньої смерті винахідника його створення не справило помітного впливу на процес розвитку теплових двигунів.
Патенту на свій винахід в царській Росії І. І. Повзунів не просив, і перший патент на універсальний тепловий двигун був виданий в Англії Джеймсу Уатту 5 січня 1769 р, на шість років пізніше, ніж датована записка І. І. Ползунова.
Д. Уатт народився в 1736 р. в Шотландії. У 1754 р. він був відправлений у Глазго для навчання професії механіка, але перебрався до Лондона, а потім знову повернувся в Глазго і працював там у якості університетської механіка. Там він підтримував стосунки з багатьма вченими і грунтовно вивчав літературу з паротехніке.
Вже у 1760 р. Уатт починає займатися самостійними розробками в області паротехнікі. Відомо, що він прочитав книги Дезагюлье і Белідора про парових машинах, брав участь у дослідах Кевендіша і Прістлі з аналізу води, вимірював теплоту випаровування води і склав таблицю пружності водяної пари.
Внесок Уатта у створення парових машин дуже великий. Завдяки успішній роботі машин Севери і Ньюкомена досвід Папена по винесенню процесу конденсації за межі машини був забутий. Але в 1765 р. Уатт, виготовивши макет машини Ньюкомена в Глазго на замовлення місцевого університету та проводячи на ньому досліди, зрозумів, що основною причиною її низької економічності є охолодження розширюється пара стінками циліндра.
І Уатт вирішує винести процес конденсації за межі циліндра. Це був крок, який завершив формування робочого циклу парової машини.
Вважається, що ідея винесення конденсації за межі циліндра осінила Уатта раптово. Але діяльність Уатта не підтверджує цього. Якби Уатт не вивчив глибоко властивості води і пари, то навряд чи він зрозумів би причину низької економічності макета машини Ньюкомена і став шукати шляхи усунення цієї причини.
Всі його помисли були націлені на пошуки вирішення конкретного завдання. Ось як писав про це згодом сам Уатт: «Проте все ж це завдання настільки оволоділа моїм розумом, а мої обставини настільки вимагали повернути витрачений час і гроші, що я не міг кинути цієї справи.
Після того як я всіляко обміркував питання, я прийшов до твердого висновку, що, для того щоб зробити досконалу парову машину, необхідно, щоб циліндр був завжди гарячий, як і що входить до нього пар, але з іншого боку, конденсація пари для утворення вакууму повинна була відбуватися при температурі не вище 30 | ».
Зрозумівши, що процес охолодження пари слід винести за межі циліндра, Уатт бере свій перший патент на парову машину.
Перед подачею заявки на патент Уатт провів велику експериментальну роботу. Він почав зі створення моделі, керуючись тим, що саме на моделі машини Ньюкомена найбільш яскраво проявилися її недоліки. Він оточив циліндр моделі дерев'яної теплоізоляційної оболонкою і приєднав до нього за допомогою труби окремий посуд - конденсатор (рис. 2).
Одночасно Уатт вніс ще одне важливе вдосконалення. У машинах Ньюкомена на поршень діяв завжди один і той же перепад тисків 'різниця між атмосферним тиском і тиском конденсації при температурі близько 30 |.
Уатт прийшов до висновку, який тепер здається абсолютно очевидним, потужність машини можна збільшити, якщо використовувати не атмосферний тиск, а тиск пари. Це відкривало більш широкі можливості: тиск пари можна збільшити вище атмосферного; змінюючи тиск, можна регулювати потужність машини.
Крім того, Уатт відразу вирішив будувати свою машину як універсальний тепловий двигун і не пов'язував її воєдино ні з яким споживачем потужності.
Витративши на виготовлення машини всі наявні у нього кошти, Уатт зміг вже наприкінці 1765 продемонструвати її роботу.
Але для виготовлення машин на продаж були потрібні не тільки гроші, а й виробництво з дуже високим на ті часи культурою, і за порадою своїх друзів Уатт звертається до власника знаменитих Карронскіх заводів доктору медицини Ребека.
Карронскіе заводи потребували вугіллі, і Ребек до того часу придбав кам'яновугільні копальні, на яких відразу зіткнувся з необхідністю відкачування води. За таких обставин він був дуже зацікавлений в угоді з Уаттом. За договором він брав на себе всі витрати з умовою, що йому будуть належати дві третини прибутків.
Уатт отримав кошти і міг зайнятися підготовкою виробництва. Але фінансові справи Ребека дуже швидко прийшли в занепад, і він припинив фінансування робіт над машиною. У цей час Уатт отримав пропозицію продовжити роботу над машиною від Метью Болтона, багатого фабриканта, власника металообробного заводу в Сохо. Що стоїть на межі розорення Ребек легко поступився свої права Болтону, і в 1773 р. Уатт впритул приступив до реалізації своїх ідей.
Справа виявилася не такою простою, і до випробувань машини Уатт зміг розпочати лише наприкінці 1774 р., а перші результати отримав в 1775 р. Його машина, другий зразок якої він назвав «Вельзевул», по економічності перевершувала атмосферні машини Ньюкомена в 2 рази.
Можна було зайнятися її виробництвом і почати отримувати прибуток. Але треба було зацікавити споживачів, які звикли до добре зарекомендували себе машинам Ньюкомена. І Уатт з Болтоном пропонують купувати в них машини на дуже привабливих умовах. Вони дають свої машини безкоштовно.
Більше того, вони беруть на себе витрати з монтажу нової машини і демонтажу машини Ньюкомена. А замість плати кожен власник нової машини протягом 25 років буде відраховувати їм одну третину вартості вугілля, зекономленого в порівнянні з атмосферним машиною. Не відразу після придбання машини покупці починали розуміти, як вони помилилися.
Але, для того щоб не втратити прибуток, Уатту і Болтону доводилося утримувати штат висококваліфікованих інженерів, які стежили за справністю і правильною експлуатацією. Крім того, слід було подбати про термін дії патенту, оскільки він був виданий на 14 років, з яких вже пройшло 6, і Уатт зайнявся клопотами про його продовження. Після тривалих клопотань 22 травня 1775 його патент був продовжений ще на 25 років.
Уатт взагалі був добре знайомий з особливостями патентного права. Про це, насамперед, свідчить формулювання його першого патенту № 013 від 5 січня 1769 р, наведена в книзі члена-кореспондента АН СРСР А. А. Радциг, по праву вважається творцем вітчизняної школи паротурбостроенія Патентна формула, як ми сказали б зараз, складається з шести пунктів:
Циліндр або посудина з парою зберігається в усі час роботи настільки ж нагрітим, як і що входить до нього пар, і саме внаслідок того, що циліндр, по-перше, оточують оболонкою з дерева або з іншого матеріалу, погано проводить теплоту, по-друге, внаслідок того, що його оточують парою або іншими нагрітими тілами, і, в-третіх, внаслідок того, що ні вода, ні інше яке-небудь тіло, більш холодне, ніж пар, не приходить в зіткнення з циліндром під час його роботи.
У машинах, які повинні повністю або частиною працювати за допомогою конденсації пари, звернення пара в воду має відбуватися в судинах, відокремлених від циліндра, але які можуть приходити з ним іноді в зіткнення Ці судини я називаю конденсаторами, і їх потрібно під час роботи машини за допомогою води або іншої холодної тіла зберігати холодними з температурою не нижче температури навколишнього повітря.
Повітря та інші газоподібні пружні тіла, не згущені внаслідок низької температури конденсатора і заважають роботі машини, повинні вилучатися з конденсатора за допомогою насосів, що приводяться в дію самої машиною або іншим яким-небудь чином.
У багатьох випадках я розраховую застосувати пружну силу (тиску) пари на поршень або інші частини, які замінять його, таким же чином, як застосовується атмосферний тиск у теперішніх звичайних вогняних машинах. У тих випадках коли не вистачає холодної води, машини можуть працювати винятково силою пара, причому останній за скоєння роботи випускається прямо в атмосферу ».
У п'ятому пункті формули йдеться про ротаційних парових машинах, в яких поршень обертається Така конструкція має ряд переваг, зокрема відпадає потреба в перетворювачі поступального руху поршня на обертальний.
У шостому пункті йдеться про неповну конденсації (погіршеному вакуумі), про ущільненнях і про інші частини машини.
Звичайно, наведена вище формула винаходу не відповідає сучасним вимогам до її викладу, але вона чудово виконує свої функції: дає повне уявлення про суть винаходу і надійно захищає права винахідника.
Захисті своїх винахідницьких прав Уатт приділяє багато уваги У 1781 р. він бере патент на зв'язок поршня з валом за допомогою шестеренчатой передачі, що явилася прообразом планетарного редуктора. Поява цього патенту, так само, як і більш пізнього патенту на широко відомий «паралелограм Уатта», пов'язано з тим, що патент на застосування шатунно-кривошипного механізму в парових машинах вже був виданий раніше в 1779 р. винахідникам Вайсброу і Пікару.
Видачу патенту на застосування відомого на той час механізму Уатт вважав зовсім неправомірною. Він писав: «Справжній винахідник кривошипного механізму був людина, що створила звичайний токарний верстат. Застосувати його в паровій техніки було так само легко, як скористатися ножем, призначеним для різання хліба, для розрізання сиру ».
У 1782 р. він патентує розширення пари в циліндрі. До 1784 відносяться останні великі винаходи Уатта, описані в знаменитому патенті № 1432: подача пари з обох сторін поршня - подвійну дію пара; Двоциліндрова машина; відцентровий регулятор і паралелограмний механізм для передачі руху осі поршня до балансиру.
До цього часу було остаточно налагоджено виробництво на заводі Болтона, розроблені інструкції по складанню, монтажу і експлуатації парових машин.
Подальша діяльність великого винахідника звелася до незначних удосконаленням конструкції і технології машин, вирішення поточних питань, пов'язаних з фінансами і конкуренцією. У 1785 р. Уатт схиляється до того, щоб «припинити досліди нових винаходів».
Він пише Болтону: «... особливо не слід нічого пробувати, що пов'язане з якою-небудь небезпекою невдачі чи може заподіяти нам труднощі при випробуванні. Будемо надалі виготовляти ті речі, які ми вміємо робити, і надамо інше молодим людям, яким не загрожує втрата ні грошей, ні імені ».
Треба сказати, однак, що патенти Уатта стримували діяльність цих «молодих людей». Тут доречно згадати історію з Джонатаном Горнблоуером, який в 1781 р. отримав патент на машину високого тиску з подвійним розширенням. Однак, після того як Горнблоуер почав в 1793 р. будівництво своєї машини, Уатт і Болтон порушили проти нього процес про порушення прав, що випливають з патенту № 1432.
Цей процес закінчився в 1799 р. на користь позивачів, незважаючи на те, що патент № 1432 був виданий на три роки пізніше, ніж патент Горнблоуера. Щоб не порушувати права Уатта, Горнблоуер не міг після рішення суду застосовувати конденсатор і використовувати пар високого тиску. Його машини не могли у зв'язку з цим конкурувати з машинами Уатта.
Уатт і Болтон взагалі дуже уважно стежили за тим, щоб конкуренти не порушували їх патентних прав. Так відбувалося і в тих випадках, коли вони самі не збиралися використовувати запатентовані технічні рішення, наприклад, машину високого тиску, описану в першому патенті 1769 р., але не втілену Уаттом.
Його машини, як відомо, працювали при низькому тиску (1,2-1,5 ат), але перший патент Уатта, по суті, блокував розвиток машин високого тиску на весь період дії патенту.
Цікаво, що Уатт і Болтон намагалися провести через парламент закон про заборону використання пари високого тиску, мотивуючи це міркуваннями громадської безпеки. Скептично ставився Уатт до ідеї локомотива, хоча вона і була запатентована ним у 1784 р.
Близько 1800 р. Уатт віддаляється від справ. Незабаром спливає Термін дії його першого патенту, і парові машини починають випускати багато заводів. Їх вдосконалення прискорюється.
Винахідник парового молота НЕС-міт писав: "Люди, що володіють достатніми засобами і підприємливістю, стали застосовувати систему підвищеного тиску пари у всій її повноті і ввели у вжиток відповідно побудовані парові котли, розвиваючі тиск в 30, 40, 60 і 70 фунтів на 1 кв . дюйм - тиск, що змусило б інженерів старої школи втратити свідомість від страху ".
Але так як економічний результат цього підвищеного тиску пари з очевидністю обернувся в абсолютно недвозначною формі фунтів, шилінгів, пенсів, парові котли високого тиску при конденсаційних машинах отримали майже загальне поширення ».
Серед таких людей перш за все слід згадати інженерів Тревитика і Вульфа, які свого часу, будучи на службі у Уатта і Болтона, стежили за належною експлуатацією водопідйомних машин. Зокрема, коли закінчився термін дії контрактів в Корнуелл, за якими винахідник отримав частину зекономленого в процесі експлуатації вугілля, інженерний контроль був припинений і парове господарство рудників швидко прийшло в занепад.
Відновлення та модернізацію цього господарства доручили Тревітік і Вульфу. Систематично вдосконалюючи парові машини головним чином шляхом збільшення тиску пари і ступеня розширення в циліндрах, вони в 1874 р. довели продуктивність найкращих Корнуельського машин (вважалися в той час найбільш економічними) до 141 000 кгм на 1 кг вугілля, що відповідає ефективному ккд 4,1 %.
Парова машина - предок всіх сучасних двигунів. Протягом багатьох років, незважаючи на велику вагу і невисокий ККД, вона була єдиним пристроєм для перетворення теплоти в роботу.
Створення парових машин привело до виникнення нової виробничої бази, а досвід і знання, накопичені в процесі їх розробки та експлуатації, дозволили згодом отримати скоєні двигуни. Саме в процесі розробки парових машин були пізнані та вивчені основні закони перетворення тепла в роботу і багато інших законів природи.
Однак з розвитком капіталізму все більше зростала потреба в інших приводних двигунах. Паровий двигун задовольняв підприємства з безперервним виробничим процесом (текстильна, гірнича промисловість та ін.)
На тих же підприємствах, де парова машина використовувалася нерегулярно, вона була просто нерентабельна, а тому потрібен був двигун принципово нового типу: без котла, з малим часом запуску і з порівняно невисокою потужністю одиничної силової установки. Робочим тілом такого двигуна не міг бути пар. Почалися спроби створення двигунів, що працюють на інших робочих тілах.