Паровой двигатель

Говорят, что кипящий на огне чайник натолкнул в своё время шотландского изобретателя Джеймса Ватта на мысль использовать пар для создания универсального двигателя. Это, конечно же, легенда. Впрочем, подобные легенды, сопутствуют любому великому открытию или изобретению – достаточно вспомнить знаменитое яблоко Ньютона, ванну Архимеда или пророческие сны Менделеева. На самом деле первые паровые машины были изобретены задолго до Ватта – по меньшей мере, лет за двести.

История парового двигателя

Создатель первой паровой машины, а, точнее, её прообраза, был величайшим инженером в истории человечества. Он жил в Александрии во втором или первом веках до нашей эры –точно неизвестно. Звали его Герон Александрийский. Одно из самых известных его изобретений называлось эолипил – шар бога ветров Эола. Это устройство представляло собой наглухо запаянный котёл с двумя трубками на крышке. Сверху на трубке устанавливался полый шар с соплами. Когда вода в котле закипала, пар поднимался вверх, вырывался из сопел и вращал шар. По сути эолипил Герона являл собой прототип паровых турбин, и даже, можно сказать, прообраз первых реактивных двигателей, однако не был востребован в этом качестве. Современники Герона считали шар бога ветров Эола забавной игрушкой, и только.

В 1690 году французский физик Дени Папен придумал устройство, которое могло поднимать груз, используя силу пара, но не сумел создать работоспособную конструкцию. Однако именно Папен первым описал все процессы замкнутого термодинамического цикла – парообразование, расширение пара, конденсацию. Он же изобрёл паровой котёл, проложив тем самым путь к первому паровому двигателю.

Устройство Папена
Устройство Папена

Существует очень много легенд, связанных с изобретением Папена. Рассказывают например, что изобретатель обратил внимание на котёл с развариваемыми в нём костями на одной из мыловарен. Внимание его привлёк груз, который работники ложили на крышку кастрюли, чтобы ускорить процесс разваривания. Поскольку высвобождающийся пар всё время сдвигал крышку, Папен придумал предохранительный спускной клапан, а спустя восемь лет, благодаря этому изобретению, изобретатель Томас Севери создал первый промышленный паровой двигатель, который можно было использовать на производстве. Пожарная установка Севери являлась поршневым паровым насосом – водоподъёмником. В 1698 году Севери опубликовал описание своей машины, и взял на неё патент.

Насос Севери был маломощным и не очень эффективным, но за неимением лучшего начал широко использоваться для откачки воды из шахт. Сам Севери называл своё изобретение другом рудокопов. Один такой двигатель в 1707 году приобрёл Пётр 1. Машина была установлена в Летнем саду для приведения в действие фонтанов.
В 1705 году соотечественник Севери Томас Ньюкомен занялся созданием более практичной пароатмосферной машины. Ньюкомен был кузнецом по профессии, и изобретателем по призванию. Вместе с ним над этой машиной работал стеклодел Джон Коули. Они объединили идеи Папена и Севери, добавив предохранительный клапан в котёл и поршень в камеру насоса. Чуть позже они заменили ручное открывание-закрывание клапанов автоматическим.

Паровая машина Ньюкомена
Машина Ньюкомена

Первая действующая модель машины Ньюкомена и Коули была создана в 1712 году, но получить патент на неё изобретатели не смогли, поскольку действие патента Севери на тот момент ещё не закончилось, и пришлось Ньюкомену взять Севери в компанию.
С развитием угледобывающей промышленности и разработкой более глубоких пластов спрос на водоподъёмные насосы рос огромными темпами. Машины Ньюкомена быстро вытеснили с шахт и рудников Англии друга рудокопов, а к двадцатым годам 18 века завоевали почти всю Европу. Их, кстати, применяли не только для откачки воды, но и для систем водоснабжения и в гидротехнических сооружениях. Например, одна из машин Ньюкомена, построенная в 1720 году, снабжала Лондон водой из Темзы. С этих машин, а точнее, с недействующей модели одной из них и начинается история изобретателя парового двигателя Джеймса Ватта.

В 1763 году один из профессоров университета в шотландском городе Глазго поручил Джеймсу Ватту –механику университетской мастерской, отремонтировать модель паровой машины Ньюкомена. Ватт приступил к ремонту без особого вдохновения –отремонтировать можно то, что сломалось, а этот злосчастный экспонат никогда не работал, но задание было получено, делать было нечего.
Возился Ватт с этой моделью долго – несколько недель, пока однажды вдруг не сообразил, что дело не в самой модели, а в принципах её устройства, и это была совсем другая задача –более интересная для изобретателя. С этого момента вместо ремонта университетского экспоната Ватт занялся созданием собственной паровой машины.

Ватт не был инженером-конструктором, у него вообще не было никакого образования, даже среднего. Он родился в крохотном шотландском городке Гринок, в школу ходил от случая к случаю, потому что был хилым ребёнком и страдал постоянной головной болью, но при этом он был очень начитанным, наблюдательным и умным, превосходно знал математику. В 1757 году дядя Джеймса помог племяннику открыть при университете мастерскую по ремонту и изготовлению математических и физических приборов. Так в 21 год Джеймс Ватт и стал механиком.

Над моделью своего универсального парового двигателя Ватт работал в общей сложности десять лет. Он предложил специальный цилиндр-конденсатор, в котором происходила конденсация пара, то есть, если раньше и впуск пара, и его конденсация осуществлялись в одном цилиндре, то, выделив специальный цилиндр-конденсатор, Ватт смог поднять КПД.

Двигатель Ватта
Двигатель Ватта


После изобретения нужно было вкладывать дополнительные средства в усовершенствование машины, но как раз в этот самый момент Джон Ребок, финансировавший работы, разорился. Ватт начал лихорадочно искать альтернативные источники финансирования, и чуть было не уехал в Россию по приглашению царского правительства. За занятия, сообразные с его вкусом и познаниями, английскому инженеру было обещано ежегодное жалование в 1000 фунтов стерлингов. Это было удивительное предложение! Удивительное тем, что действующая, работоспособная, и, более того, уже испытанная на производстве пароатмосферная машина непрерывного действия на тот момент уже 6 лет как была создана в самой России русским инженером Иваном Ползуновым.

Двигатель Ползунова
Двигатель Ползунова

Весной 1763 года, когда Джеймс Ватт получил задание отремонтировать недействующую модель машины Ньюкомена, горный инженер Иван Иванович Ползунов подал начальнику Колывановоскресенских заводов предложение о постройке изобретённой им огнедействующей машины для заводских нужд. Это был настоящий прорыв, ведь во второй половине 18 века промышленность России располагала только двумя видами заводских машин –воздуходувными мехами для металлургических печей и молотами для ковки металлов. Самым совершенным двигателем для них было водяное колесо, именно поэтому металлургические заводы строили не рядом с рудниками, а рядом с водоёмами, что, конечно же, было крайне неэффективно. В тех случаях, когда доставка руды, леса и горючего к водоёму была невозможна, рядом с заводом рыли пруд – это было ещё невыгодней; производство часто останавливалось – то воды в пруду не хватало, то во время паводков уровень её поднимался выше допустимого, а иногда стремительное половодье целиком разрушало плотину.
Огнедействующая машина была придумана Ползуновым для того, чтобы освободить металлургические заводы от рабской водяной зависимости, и, как говорил сам изобретатель, «облегчить труд по нас грядущим».
По принципу действия машина Ползунова была пароатмосферным двигателем, причём, двигателем универсальным – его можно было использовать в любом производстве и сооружать в любом месте. Напомним, что Ватт создал свою модель только шесть лет спустя – в 1769, с мощностью в 3-4 лошадиных силы, тогда как мощность двигателя Ползунова составляла 32. Паровой двигатель Ватта был его первым изобретением, а вот Ползунов уже имел на своём конструкторском счету и вододействующую лесопилку, и множество других остроумных приспособлений и новшеств, придуманных для нужд завода.

Двигатель Ползунова
Двигатель Ползунова

Как и Ватт, Ползунов не имел никакого образования. Он родился на Урале, в Екатеринбурге, рос в очень бедной семье. Его отец был солдатом, но маленькому Ване Ползунову повезло – заводской механик Никита Бахарев взял его в механические ученики. Учеником Ваня Ползунов оказался расторопным и сметливым – самостоятельно изучил книги по металлургии и минералогии, прочёл все труды Ломоносова, а также работы известного российского химика Ивана Андреевича Шлаттера. К которому и попала на отзыв в 1763 году проект Ползунова об «огнедышащей машине». Шлаттер нашёл проект оригинальным и доложил об этом Екатерине 2. Ползунов тут же был «произведён в механику со с чином и званием инженерного капитал-поручика, и представлен к награде в 400 рублёв». А также ему было предложено поступить на учёбу в академию. Но в тот момент Ползунов мечтал вовсе не об учёбе, ему не терпелось приступить к строительству своей «огнедышащей машины». Ползунов планировал сначала построить небольшой опытный образец, однако его заставили сразу же приступить к постройке крупной установки, которая обслуживала бы 10-12 печей. Она занимала целое здание. При этом Ползунова не обеспечили ни квалифицированными рабочими, ни грамотными помощниками, ни даже необходимыми инструментами. Тем не менее, работу Иван Иванович выполнил за тринадцать месяцев, заплатив за это чахоткой и умерев, не дожив до пуска своего парового дракона одну неделю. Первый в истории планеты пароатмосферный двигатель был пущен в эксплуатацию 7 августа 1766 года, проработав с небольшими перерывами до ноября и успел за это время не только окупить все расходы на его постройку, но и принести ощутимую прибыль – почти 12000 рублей. Потом у огнедышащей машины прогорел котёл. Можно было починить этот или установить новый, но заводское начальство, исходя из каких-то своих соображений, решило «агрегат больше в работу не пущать». Машину остановили, разобрали на части, и забыли и про неё, и про гениального русского изобретателя на долгие годы.

Спустя три года после смерти Ползунова русское правительство обратится к Ватту с очень заманчивым предложением. На тот момент у Ватта ещё не будет работоспособного парового двигателя, но зато будет оформлен патент на него.

Свой первый патент Ватт получил 5 января 1769 года, но это был патент не на паровой двигатель, а на принципы его работы. Патентная формула, говоря современными словами, состояла из шести пунктов. Ватт запатентовал теплоизоляционную оболочку цилиндра, уплотнения и отдельный сосуд-конденсатор. Он также получил авторские права на то, что воздух должен удаляться из конденсатора насосом, и на применение упругой силы давления пара. Первоначально Ватт получил патент на 14 лет, затем продлил его ещё на 25, а первую работоспособную машину он построил только в 1775 году – через 9 лет после Ползунова. Следующие 25 лет жизни Ватт занимался незначительными усовершенствованиями своего парового двигателя и получением разнообразных патентов на эти усовершенствования.

Самым знаменитым считается патент № 1432. Ватт получил его в 1782 году, закрепив за собой права на подачу пара с двух сторон цилиндра и на использование пара высокого давления. Этот патент, по сути своей, не столько охранял авторские права, сколько блокировал работу конкурентов. Сам Ватт никогда не изобретал, и не собирался в будущем строить машину высокого давления, зато такую машину спроектировал ещё в 1781 году английский инженер Джон Хорнблауэер, и если бы не патент Ватта № 1432, он запросто завоевал бы рынок, так как агрегаты Хорнблауэра были более мощными и более экономичными.

Кстати, в 1782 же году Ватт запатентовал и локомотив. К самой идее он относился очень скептически, но на всякий случай авторские права за собой застолбил.

Первые паровые машины были очень просты, но при этом очень надёжны – паровая машина Старушка Бесс, которую Ватт построил для своего завода в Сохо, проработала без перерыва 71 год. Настоящим долгожителем можно считать паровую машину Ватта, которая работала на Бирмингемском канале 121 год — с 1877 по 1898. Однако рекорд работоспособности – 141 год, принадлежит паровой машине Ньюкомена. Начав трудовую деятельность в 1787 году, она вышла на пенсию в 1928, и до сих пор время от времени подрабатывает на киносъёмках.