|
А. Моравський, М. Файн
Перший універсальний теплової 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 році закінчив арифметичну школу і почав служити на Екатеринбургском 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 році він отримав чин шіхтмейстер, вирівнюєш його в правах з першим обер-офіцерським чином.
Ні в Єкатеринбурзі, ні на Алтаї машин, діючих «за допомогою рушійної сили вогню», не було. Але відомо, що в 1762 р Ползунов і інші фахівці зобов'язані були вивчити «Повчання рудному справі», написане президентом берг-колегії і головним суддею монетної канцелярії І. А. Шлаттера, в якому описувалися парові водооткачивающих машини.
Є підстави вважати, що Повзунів вивчив також книги Леупольда і Белідора, в яких також містився опис парових водооткачивающих 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, а й 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 проте 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 кожної ланцюга прикріплений балансир. Водорозподільний кран по черзі подає охолоджуючу воду в підпоршневу порожнини. Паророзподільних кран служить для з'єднання цих порожнин з котлом.
Машина була атмосферної. Коли одна з підпоршневу порожнин поєднувалася з котлом, поршень під дією тиску пара піднімався вгору, після чого паророзподільних кран повертався і відтинав подпоршневую порожнину від котла. Через трубку впорскувалася вода, пар конденсировался і під поршнем створювався ваккум. Під дією атмосферного тиску поршень опускався і робив корисну роботу. В цьому машина Ползунова нагадувала машину Ньюкомена.
Але на цьому схожість закінчувалося. У ній вперше передача від двох поперемінно діючих поршнів здійснена не до балансира, а до шківів за допомогою ланцюгів, а передача від шківів здійснена не тільки до насоса, але і до ковальського хутра, т. Е. Вперше робочі органи двигуна і споживач його потужністю не пов'язані один з одним.
Крім того, Повзунів вніс серйозні удосконалення в конструкцію робочих органів двигуна, застосував оригінальну систему паро і водорозподілення, 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 ремеслам.
Але Барнаульський завод був металургійним і не мав за потрібне металообробним обладнанням, і слід вважати, що Ползунову доводилося винаходити способи обробки деталей своєї машини. Машина була виготовлена в грудні 1765 г. А в травні 1766 року її творець помер від сухот. Машина була випробувана вже після його смерті в жовтні 1766 року і працювала, більш-менш задовільно.
Як всякий перший зразок, вона потребувала доопрацюванні, до того ж в листопаді виявили витікання котла. Але винахідника не було в живих, а без нього усуненням недоліків ніхто не займався. Машина не діяла до 1779 року, 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 безперервному обертанню, т. Е. Був створений перший універсальний двигун.
На жаль, через необізнаність широких кіл про цей винахід і ранньої смерті винахідника його створення не зробило помітного впливу на процес розвитку теплових двигунів.
Патенту на свій винахід в царській Росії І. І. Повзунів не витребовує, і перший патент на універсальний теплової 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 в Глазго для навчання професії механіка, але перебрався в Лондон, а потім знову повернувся в Глазго і працював там в якості університетського механіка. Там він підтримував стосунки з багатьма вченими і грунтовно вивчав літературу по 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 в дослідах Кевендіш і Прістлі з аналізу води, вимірював теплоту випаровування води і склав таблицю пружності водяної пари.
Внесок Уатта в 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 вивчені глибоко властивості води і пара, 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: «Однак все ж ця задача 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 входить в нього пар; але з іншого боку, конденсація пара для освіти вакууму мала відбуватися при температурі не вище 30 | ».
Зрозумівши, що процес охолодження пара 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 посудину - 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, що тепер здається абсолютно очевидним, потужність машини можна збільшити, якщо використовувати не атмосферний тиск, а тиск пара. Це відкривало ширші можливості: тиск пара можна збільшити вище атмосферного; змінюючи тиск, можна регулювати потужність машини.
Крім того, Уатт відразу вирішив будувати свою машину як універсальний теплової двигун і не пов'язував її воєдино ні з яким споживачем потужності.
Витративши на виготовлення машини всі наявні у нього кошти, Уатт зміг вже в кінці 1765 р продемонструвати її роботу.
Але для виготовлення машин на продаж були потрібні не тільки гроші, але і виробництво з дуже високою на ті часи культурою, і за порадою своїх друзів Уатт звертається до власнику знаменитих Карронскіх заводів доктору медицини Ребеку.
Карронскіе заводи потребували вугіллі, і Ребека на той час придбав кам'яновугільні копальні, на яких відразу зіткнувся з необхідністю відкачування води. При таких обставинах він був дуже зацікавлений в угоді з Уаттом. За договором він приймав 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. В цей час Уатт отримав пропозицію продовжити роботу над машиною від Метью Болтона, багатого фабриканта, власника металообробного заводу в Сохо. Що стоїть на межі розорення Ребека 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 приступити лише в кінці 1774 року, а перші результати отримав в 1775 р Його машина, другий зразок якій він назвав «Вельзевул», по економічності перевершувала атмосферні машини Ньюкомена в 2 рази.
Можна було зайнятися її виробництвом і почати отримувати прибуток. Але потрібно було зацікавити споживачів, які звикли до добре зарекомендували себе машинам Ньюкомена. І Уатт з Болтоном пропонують купувати у них машини на дуже привабливих умовах. Вони дають свої машини безкоштовно.
Більш того, вони беруть на себе витрати по монтажу нової машини та 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 прогадали.
Але, для того щоб не втратити прибуток, Уатту і Болтону доводилося утримувати штат висококваліфікованих інженерів, які стежили за справністю і правильною експлуатацією. Крім того, потрібно було подбати про терміні дії патенту, так як він був виданий на 14 років, з яких вже пройшло 6, і Уатт зайнявся клопотами про його продовження. Після тривалих клопотань 22 травня 1775 року 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 посудину з парою зберігається в усі час роботи настільки ж нагрітим, як і входить в 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, по-третє, внаслідок того, що ні вода, ні інше яке-небудь тіло, більш холодну, ніж пар, входить у зустріч з циліндром під час його роботи.
У машинах, які повинні повністю або частиною працювати за допомогою конденсації пари, звернення пара в воду повинно відбуватися в судинах, відділених від циліндра, але 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, які не згущені внаслідок низької температури конденсатора і заважають роботі машини, повинні віддалятися 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) пара на поршень або інші частини, які замінять його, таким же чином, як застосовується атмосферний тиск в теперішніх звичайних вогненних машинах. У тих випадках коли не вистачає холодної води, машини можуть працювати виключно силою пара, причому останній після звершення роботи випускається прямо в атмосферу ».
У п'ятому пункті формули говориться про ротаційних парових машинах, в яких поршень обертається Така конструкція має ряд переваг, зокрема відпадає потреба в перетворювачі поступального руху поршня в обертальний.
У шостому пункті йдеться про неповної конденсації (погіршеному вакуумі), про ущільненнях і про інші частини машини.
Звичайно, наведена вище формула винаходи не відповідає сучасним вимогам до її викладу, але вона прекрасно виконує свої функції: дає повне уявлення про суть винаходу і надійно захищає права винахідника.
Захисту своїх винахідницьких прав Уатт приділяє багато уваги У 1781 р він бере патент на зв'язок поршня з валом за допомогою шестеренчатой передачі, що стала прообразом планетарного редуктора. Поява цього патенту, так само, як і більш пізнього патенту на широко відомий «паралелограм Уатта», пов'язане з тим, що патент на застосування шатун-кривошипного механізму в парових машинах вже було видано раніше в 1779 р винахідникам Вайсброу і Пікару.
Видачу патенту на застосування відомого в той час механізму Уатт вважав абсолютно неправомірною. Він писав: «Істинний винахідник кривошипного механізму був людина, що створила звичайний токарний верстат. Застосувати його в паровий техніці було так само легко, як скористатися ножем, призначеним для різання хліба, для розрізування сиру ».
У 1782 р він патентує розширення пара в циліндрі. До 1784 р відносяться останні великі винаходи Уатта, описані в знаменитому патенті № тисячі чотиреста тридцять два: подача пара з обох сторін поршня - подвійне дію пара; двоциліндрова машина; відцентровий регулятор і Паралелограмний механізм для передачі руху осі поршня до балансира.
До цього часу було остаточно налагоджено виробництво на заводі Болтона, розроблено інструкції по збірці, монтажу і експлуатації парових машин.
Подальша діяльність великого винахідника звелася до незначним вдосконаленням 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 будь-якої 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 році 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 № тисячі чотиреста тридцять два.
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 г., 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 пара високого тиску, мотивуючи це міркуваннями громадської безпеки. Скептично ставився Уатт до ідеї локомотива, хоча вона і була запатентована їм у 1784 р
Близько 1800 р Уатт віддаляється від справ. Незабаром закінчується 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 пара в усій її повноті і ввели у вжиток відповідно побудовані парові котли, розвиваючі тиск в 30, 40, 60 і 70 фунтів на 1 кв . дюйм - тиск, яке змусило б інженерів старої школи зомліти від страху ".
Але так як економічний результат цього підвищеного тиску пара 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 Корнуеллі, за якими винахідник отримав частину зекономленого в процесі експлуатації вугілля, інженерний контроль був припинений і парове господарство рудників швидко занепало.
Відновлення і модернізацію цього господарства доручили Тревитика і Вульфу. Систематично удосконалюючи парові машини головним чином шляхом збільшення тиску пари і ступеня розширення в циліндрах, вони в 1874 р довели продуктивність кращих 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 призвело до виникнення нової виробничої бази, а досвід і знання, накопичені в процесі їх розробки та експлуатації, дозволили згодом отримати більш досконалі двигуни. Саме в процесі розробки парових машин були пізнані і 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 і 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 одиничною силової установки. Робочим тілом такого двигуна не міг бути пар. Почалися спроби створення двигунів, що працюють на інших робочих тілах.
|