Страницы истории науки и техники

Кириллин Владимир Алексеевич

Первая машина Ньюкомена была построена в 1705 г., но уже к 1770 г. на севере Англии, главным образом в Ньюкаслском угольном бассейне, действовало около 100 таких машин, а к 1780 г. на Корнуольских оловянных рудниках (юго-запад Англии) было не менее 70 машин. Машины Ньюкомена использовались также в других европейских странах, пока в последней четверти XVIII в. па смену им не пришла более совершенная машина — универсальный тепловой двигатель Уатта.

Необходимо, однако, сказать, что автором первого универсального двигателя, не нашедшего, к сожалению, практического применения, был русский изобретатель 14ван Иванович Ползунов (1728–1766). Он родился на Урале, в семье вышедшего из крестьян солдата. Окончил горнозаводскую школу в Екатеринбурге, работал на уральских заводах, а в 1762 г. был назначен на Барнаульский завод. Здесь Ползунов

много занимался самообразованием, изучал труды Ломоносова, ознакомился с работами английских изобретателей Севери и Ньюкомена и французского физика Напена. Ползунов задался целью создать совершенный паровой двигатель. Он хотел, говоря его же словами, «сложением огненной машины водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничтожить, а вместо плотин за движимое основание завода ее учредить так, чтобы она была в состоянии все наложенные на себя тягости, каковы к раздуванию огня обычно к заводам бывают потребны, носить и, по воле нашей, что будет потребно, исправлять». И далее: «Дабы сей славы (если силы допустят) Отечеству достигнуть и чтоб то во всенародную пользу, по причине большого познания о употреблении вещей, поныне не весьма знакомых (по примеру наук прочих), в обычай ввести» [230] .

230

Цит. по: Там же, с. 139.

В 1763 г. Ползуновым были представлены записка, расчеты и проект первой в мире универсальной паровой машины мощностью 1,8 л. с. В отличие, например, от машины Ньюкомена, которая не могла непрерывно производить работу и использовалась поэтому для привода орудий прерывного действия (например, нососов для откачки воды из шахт), машина, предложенная Ползуновым в виде проекта, могла бы (будучи построенной) производить работу непрерывно, т. е. была спроектирована как универсальная.

В проекте своей машины Ползунов достигал непрерывности ее работы, т. е. универсальности, путем применения двух цилиндров, поршни которых поочередно передавали работу на общий вал. Впервые выдвинутый Ползуновым принцип сложения работы нескольких цилиндров на одном валу нашел в дальнейшем широкое применение, в том числе и для двигателей внутреннего сгорания, появившихся во второй половине XIX в. и затем получивших исключительно широкое распространение.

Ползуновым также было разработано специальное автоматическое устройство, производившее распределение пара и воды.

Как уже сказано, проект машины, представленный Ползуновым в 1763 г., реализован не был. В 1764 г. Ползунов вместе со своими товарищами начал работу по созданию силовой установки, предназначенной для подачи воздуха в металлургические печи. Описывать эту установку мы не будем [231] , заметим только, что она была сооружена на Барнаульском заводе в 1765 г., было проведено успешное ее испытание, показавшее ее работоспособность, но после смерти Ползунова доводкой установки более не занимались.

231

Интересующиеся устройством этой установки читатели могут воспользоваться, например, кн.: Конфедератов И. Я. История теплоэнергетики. М., 1954, с. 208–210.

Имя талантливого русского изобретателя И. И. Ползунова вошло в историю техники. Оно присвоено Свердловскому горно-металлургическому техникуму и Центральному научно-исследовательскому котлотурбинному институту в Ленинграде.

Английский изобретатель Джеймс Уатт (1736–1819) — создатель ряда конструкций паровых машин, в том числе универсальной паровой машины, имевших очень большое значение (до конца XIX в. паровая машина являлась практически единственным универсальным двигателем) для промышленности и транспорта. Уатт родился в г. Гренокле (Шотландия). Его деятельность началась в открытой им мастерской, в которой изготавливались и ремонтировались различные приборы. Он исследовал свойства воды и водяного пара, опытным путем определил зависимость между давлением и температурой насыщенного водяного пара, довольно хорошо отвечающую современным данным.

Так как наибольший спрос на паровые машины был в то время для использования их в качестве двигателей, приводящих в действие водяные насосы, особенно для откачки воды из шахт, то усилия Уатта были сначала направлены именно в эту сторону. Внимательно изучив машину Ньюкомена, попавшую в его мастерскую на ремонт, Уатт правильно (как это видно с позиций сегодняшнего дня) определил большой ее недостаток: вследствие впрыскивания воды для конденсации пара цилиндр машины периодически и существенно охлаждался, а при впуске в него новой порции пара из котла цилиндр снова необходимо было нагревать. Непроизводительно расходовалось много лишнего тепла, а значит, и топлива. Уатт сумел этот недостаток устранить.

Рис. 18. Схема машины Уатта.

На рис. 18 представлена схема действия насосной паровой машины Уатта. Из рисунка видно, что Уатт внес два важных усовершенствования. Во-первых, он ввел специальное устройство — конденсатор пара 5, так что пар в машине Уатта конденсировался не в цилиндре машины, как то было раньше (например, в системе Ньюкомена), а в конденсаторе. Во-вторых, Уатт устроил паровую рубашку 2 вокруг цилиндра, заполнявшуюся во время работы машины паром из котла 1. Эти два усовершенствования существенно повысили экономичность машины.

Рис. 19. Цилиндры двойного действия.

Машина Уатта действовала следующим образом. Пар из котла 1 поступал в цилиндр; в это время поршень собственно паровой машины шел вверх (клапан 3 был закрыт, а клапан 4 открыт), в то время как поршень насоса шел вниз (клапан 8 был закрыт, а клапан 9 — открыт) и ранее наполнявшая цилиндр насоса вода подавалась потребителю. Когда пар из котла 1 заполнял цилиндр машины, клапан 4 закрывался, а клапан 3 открывался, вследствие конденсации пара в цилиндре машины создавался вакуум, поршень машины иод действием атмосферного давления опускался вниз, а поршень 7 насоса поднимался вверх (клапан 8 был открыт, клапан 9 — закрыт), засасывая новую порцию воды в цилиндр насоса. Из описания действия насосной паровой машины Уатта следует, что она, как и машина Ньюкомена, относилась к атмосферным машинам.

Насосная Паровая машина Уатта оказалась удачной, но только в 1769 г., т. е. приблизительно через четыре года после постройки модели, он получил на нее патент. На Корнуольском оловянном руднике в 1778 г. насчитывалось около 70 машин Ньюкомена, а к 1790 г. все они, кроме одной, были заменены машинами Уатта. Область применения паровых машин расширялась, большие заказы поступали, в частности, со стороны развивающейся текстильной промышленности, требовались универсальные паровые двигатели для привода вращающихся станков и других машин. Патент на универсальный паровой двигатель Уатт получил в 1781 г. Он разработал и создал паровую машину с цилиндрами двойного действия, принцип работы которых изображен на рис. 19. Уатту также принадлежит разработка центробежного регулятора и индикатора.

Создание новых конструкций паровых машин, их совершенствование, изобретение отдельных — иногда мелких, а иногда крупных (но всегда важных) — новшеств было, конечно, делом многих талантливых людей. Повышалась быстроходность паровых машин, увеличивалось давление свежего пара, для преобразования возвратно-поступательного движения поршня машины во вращательное все более широко применялся давно уже известный кривошипно-шатунный механизм, схема действия которого, представленная на рис. 20, не требует пояснений.

Рис. 20. Схема паровой машины с кривошипно-шатунным механизмом.

1 — поршень; 2 — шатун; 3 — коленчатый вал; 4 — маховик.

В XVIII в. возникло вполне понятное стремление использовать паровую машину на наземном и водном транспорте. Хотя первые практические успехи в этой области относятся к началу (первой четверти) XIX в., но, вероятно, будет уместно остановиться на этом здесь как на непосредственном продолжении сказанного выше.