Текст книги "Создатели двигателей"

Автор книги: Лев Гумилевский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 26 страниц)

Гидротехника на Урале развивалась и после Фролова. Именно благодаря высокому мастерству русских строителей гидравлические двигатели удерживались в России и много лет спустя после появления парового двигателя.

Все эти колеса были горизонтальными, то есть вал их располагался горизонтально. Значительно позднее появились водяные колеса с вертикально поставленным валом, колесо при этом лежало в воде.

История этих «лежачих колес» любопытна.

Установка водяного колеса, как само собой понятно, возможна только при наличии водного потока. Берега рек и речушек обычно находились во владениях помещиков, так что владелец мельницы должен был платить арендную плату за воду. Разумеется, он взыскивал ее, в свою очередь, с крестьян, привозивших на мельницу хлеб. Чаще всего сами помещики строили для окружного крестьянства большие мельницы и за помол брали значительную долю зерна.

Мельничная установка – дело несложное. С ним могли справиться и простые плотники. Однако крестьяне не имели средств строить собственные мельницы и должны были платить своим господам за помол зерном. Эти сборы за помол оказывались тягостными для земледельцев, и не мудрено, что они стремились как-нибудь обойти их. Многие прибегали к ручным мельницам и ступкам, некоторые, пользуясь протекавшим где-нибудь ручейком, в укромном месте строили маленькие водяные мельницы. Именно стремление укрыть от господ свою установку и повели к поискам конструкции лежачего колеса, которое можно было бы спрятать и избегнуть передачи под прямым углом.

Лежачие колеса, несмотря на свои небольшие размеры, оказались конструктивно более совершенными и выгодными, чем обычные, и получили большое распространение во Франции. Образцом такого практическим путем найденного наиболее совершенного водяного колеса считалось колесо мельницы в Базакле. Лопасти этого колеса помещались в огромном деревянном цилиндре и находились на дне его, почти вплотную подходя к стенкам. Вода шла в цилиндр сверху. Равномерное давление всей массы воды на крутые лопасти колеса, установленного вертикально, и свободный сток воды через особую трубу обеспечивали сильный и равномерный ход мельницы. На верхнем конце колесного вала был насажен мельничный жернов.

Изобретение деревенских хитрецов имело большие преимущества перед громоздкими господскими водяными колесами, и оно сыграло известную роль не только в борьбе крестьян со своими угнетателями. Повсеместно распространенные, долго бывшие основными двигателями в народном хозяйстве, водяные колеса не раз привлекали внимание ученых. Путем теоретических размышлений математики и инженеры стремились найти способ увеличить скорость вращения водяных двигателей, облегчить их конструкцию и тем повысить их мощность.

Таким исследованием занимался венгр Сегнер. Он предложил новую конструкцию действующего водою колеса. В основу сегнерова колеса был положен принцип реакции вытекающей из сосуда воды, высказанный лет за двадцать до этого Даниилом Бернулли, основоположником гидравлики.

Сегнерово колесо представляет собой цилиндр, вращающийся на вертикальной оси. Внизу цилиндра имеются крестообразно расположенные трубки, из которых вытекает вода, подаваемая в цилиндр сверху. При вытекании воды прибор вращается в сторону, противоположную отверстиям трубок. Колесо приводится в движение реактивной силой вытекающей воды, той самой реактивной силой, которая заставляет ракету взвиваться высоко вверх, когда из нее выбрасываются газы.

Изобретение деревенских хитрецов имело преимущества перед господскими водяными колесами.

Дальнейшие исследования действия реактивной силы истекающей из сосуда жидкости были произведены знаменитым математиком, членом Петербургской Академии наук Леонардом Эйлером. Он дал усовершенствованную конструкцию реактивного колеса, замечательную тем, что здесь вода перед входом на вращающиеся ковши проходит через неподвижные трубки, придающие ей наивыгоднейшую скорость и направление. Эйлер создал, таким образом, направляющий аппарат, отделенный от рабочего колеса.

Всю эту историю развития вододействующих колес профессор Бурден излагал перед своими слушателями со знанием дела и с увлечением. При этом он не упускал ни одного случая добавить:

«Водяной двигатель может и должен стать таким же совершенным, как паровая машина!»

Самым внимательным и способным учеником профессора Бурдена оказался Бенуа Фурнейрон.

Неуклюжий юноша с тяжелым характером, будучи студентом, не раз заменял своего учителя во время его отсутствия в качестве ассистента. Однако по окончании курса в 1819 году Фурнейрон был послан на практику в Крезо в качестве разведчика новых мест залегания угля. Он начал работать как горный инженер-геолог.

Фурнейрон и здесь проявил такие способности, что через год получил приглашение на разведочные работы в Алэ, Директор Сент-Этьеннской школы Бонье, внимательно следивший за карьерой бывших учеников, отлично знал об успехах Фурнейрона на практической работе. Бонье в это время закончил разработку проекта первой железнодорожной линии во Франции – между Сент-Этьенном и Андрезье. На разведочные работы для будущей линии он пригласил Фурнейрона. И с этим делом молодой инженер справился как нельзя лучше.

Таким образом, карьера Фурнейрона была очень далека от той области деятельности, к которой готовил его Бурден. Однако сам Фурнейрон мечтал о чем-нибудь более значительном, чем выполнение случайных и временных поручений. Ему нужно было дело большого размаха, которое он мог бы при своей настойчивости и изобретательности довести до полного конца.

В 1821 году Фурнейрон взялся организовать производство белой жести на одном металлургическом заводе. Дела этого он не знал, секрет производства тщательно сохранялся англичанами. Но Фурнейрон сам сконструировал прокатные станы и организовал производство. Конечно, ему пришлось заново изучить дело, предварительно произвести массу опытов.

Во время установки прокатных станов, приводившихся в движение обыкновенным водяным колесом, Фурнейрон и столкнулся наконец на практике с тем гидравлическим двигателем, историю которого так хорошо рассказывал профессор Бурден.

Тогда Фурнейрон понял, что увлечение его учителя было совсем не случайным.

Промышленная революция, начавшаяся в Англии, довольно быстро захватила все европейские страны. Вслед за прядильными и ткацкими станками, вслед за появлением множества вновь изобретенных рабочих машин в Англии появился двигатель Уатта. Он положил основание для крупной промышленности. Но даже и в самой Англии паровой двигатель не мог сразу вытеснить водяное колесо, не мог повсеместно его заменить. Для этого нужно было немало времени, труда, металла; средств.

Иначе обстояло дело во Франции. «Континентальная блокада», которую проводил Наполеон для изоляции Англии и подрыва ее торговли, привела к полному прекращению торговых сношений с Англией. Поэтому сюда, во Францию, новые станки, машины и паровой двигатель Уатта явились не скоро. Взоры французских предпринимателей были устремлены всецело на водяной двигатель, и не случайно, значит, именно во Франции больше всего появилось научных исследований, касавшихся вопроса об улучшении водяного колеса.

Кроме зависимости от наличия водного потока, в водяном колесе было множество других недостатков. Пользование им затруднялось зимой, при спаде воды. Водяное колесо было тихоходным, маломощным и громоздким двигателем.

Задача создания нового типа водяного двигателя, свободного от этих недостатков, была неотложной и совершенно очевидной. В то время как Фурнейрон еще только размышлял обо всем этом, старейшее французское «Общество поощрения национальной промышленности» решило объявить конкурс на проект водяного двигателя.

В качестве образца, из которого следовало исходить, общество указывало на водяное колесо мельницы в Базакле. За лучший проект назначалась премия в шесть тысяч франков. Модели следовало представить к 1 мая 1827 года.

Срок, предоставленный изобретателям, оказался недостаточным. Во всяком случае, этого времени не хватило щепетильному и требовательному Фурнейрону, чтобы закончить свои опыты со множеством построенных им моделей. Поэтому он в конкурсе не участвовал.

Представлены были в срок только два проекта. Один принадлежал голландскому механику Мари, другой – профессору Бурдену. Этот последний проект обратил на себя всеобщее внимание.

Профессор Бурден предложил совершенно оригинальную конструкцию водяного колеса, названного им «турбиной» – от латинского слова, означающего «вихрь». Турбина состояла из двух частей: рабочего колеса с лопатками и аппарата, направляющего воду на лопатки колеса. Рабочее колесо представляло собой диск, закрепленный на вертикальном валу, а вал проходил через трубу, установленную в центре направляющего аппарата. Направляющий аппарат, находившийся внутри рабочего колеса, имел шесть кривых вертикальных перегородок, образующих каналы. Они направляли воду на такие же кривые, но изогнутые в обратную сторону лопатки колеса. Вода должна была поступать сверху в цилиндрический резервуар над направляющим аппаратом, откуда, разбегаясь между его перегородками, устремлялась на лопатки рабочего колеса.

Бурден напал на замечательную идею, поместив направляющий аппарат внутри рабочего колеса. Однако при постройке модели ему не хватило практического опыта. И, когда турбину испытали на производственной работе, надежды, на нее возлагавшиеся, не оправдались.

Жюри конкурса выдало изобретателю треть премии и объявило вторичный конкурс, так как турбина Бурдена только приблизила решение проблемы, но не решала ее. Срок нового конкурса назначили на 1832 год.

На этот раз в нем принял участие и Фурнейрон.

2. Турбины

Фурнейрон

Бурден знал о работах своего ученика, хотя Фурнейрон держал их в секрете. Из опытных моделей Фурнейрона одна – мощностью в шесть лошадиных сил – казалось, отвечала всем требованиям конкурса. Оставалось только разрешить задачу о регулировании ее хода. Разочарованный в собственной турбине, Бурден возлагал много надежд на турбину своего ученика и писал ему:

«Бодрость, храбрость, дорогой Фурнейрон! Заставьте только свою турбину хорошо вертеться, а я желаю вам удачи, успеха и триумфа за триумфом».

Сообщения Фурнейрона о дальнейших испытаниях модели заставляли Бурдена писать своему ученику в 1827 году:

«Пусть, по крайней мере, скажут, что если я не создал хороших турбин, то воспитал отличного механика, что еще лучше. Я же буду вам благодарен, если вы, не найдя в этом ничего противоречащего вашим интересам, заявите, что слушали мои лекции в Сент-Этьенне и что благодаря мне вы занялись этими опытами».

Между тем личные средства Фурнейрона быстро иссякли, а для продолжения опытов он нуждался в них более чем когда-нибудь. Изобретателю пришлось искать покровителя с деньгами. В Безансоне ему удалось заинтересовать своей турбиной владельца железоделательного завода Карона. Карон заказал на пробу турбину мощностью в десять лошадиных сил для воздуходувных мехов домны.

В основе конструкции Фурнейрона лежало то же, что и у Бурдена: соединение в турбине отдельных частей – рабочего колеса и помещенного внутри него аппарата, направляющего поток воды. Но Фурнейрон разработал эту конструкцию с тем совершенством отдельных частей, которое только и могло обеспечить турбине полный успех.

Прежде всего Фурнейрон перешел на металл. Раньше, вплоть до Бурдена, для постройки турбин употреблялось исключительно дерево. Металлическая турбина Фурнейрона благодаря теоретически правильным представлениям конструктора и точному расчету поражала своими маленькими размерами. Десятисильная турбина, сделанная для Карона, была не больше винного бочонка. Никто при взгляде на нее не хотел верить, что эта машина при незначительном напоре водного потока может благодаря огромной скорости работать с мощностью в десятки лошадиных сил. Но Карон был удовлетворен поставленной на работу машиной Фурнейрона и заказал ему другую турбину, мощностью в пятьдесят лошадиных сил. И этот заказ Фурнейрон выполнил. Турбина была установлена на заводе в Фрезане. Диаметр ее был немного более полуметра, а делала она свыше двух тысяч оборотов в минуту. Изменение в силе напора воды почти не отражалось на работе турбины. Она одинаково работала и на поверхности реки и погруженная на глубину.

В эту турбину Фурнейрон внес существенно важное устройство для регулирования скорости хода. Регулировался ход при помощи особых задвижек, находившихся в каналах направляющего аппарата. При перемещении их увеличивался или уменьшался приток воды на лопатки рабочего колеса. Соответственно ускорялась или замедлялась скорость хода.

Турбину, работавшую в Фрезане, Фурнейрон и представил на конкурс в 1832 году. На этот раз в конкурсе участвовало немало изобретателей. Но премию жюри единодушно присудило Фурнейрону. Кроме того, он получил золотую медаль общества.

Нельзя сказать, однако, что изобретатель сразу же был завален заказами. Потребовалось несколько лет, для того чтобы новые машины получили известность и сломили обычное недоверие ко всякому новшеству.

За эти годы Фурнейрон еще более усовершенствовал конструкцию турбины. Через пять лет он построил свою четвертую турбину – для мануфактурной фабрики в Сен-Блезе. Турбина развивала мощность в шестьдесят лошадиных сил, а размеры ее были просто игрушечными: диаметр рабочего колеса был не больше диаметра обыкновенной шляпы; весил двигатель всего семнадцать килограммов.

Успешные испытания этой турбины на фабрике сломили наконец недоверие заказчиков. Мастерская в Безансоне вскоре уже не могла справляться с заказами. Фурнейрон вошел в компанию с Нидерборнскими заводами и организовал там производство турбин.

Распространение турбин шло прекрасно, успех их возрастал. Медлительный, осторожный, расчетливый Фурнейрон работал не хуже, чем его турбины. Правда, у него не оставалось ни времени, ни охоты на то, чтобы устроить как-нибудь свою личную жизнь, но он копил деньги на нее с медвежьим упорством и медвежьей неторопливостью. Конечно, когда деньги были накоплены и улеглась деловая суета, Фурнейрон оказался слишком старым. Но так уж бывает со всеми людьми его типа, людьми слишком расчетливыми, слишком осторожными.

У Фурнейрона не было ни жены, ни детей, ни привязанностей, кроме сестры, у которой он жил. Впрочем, сам он не испытывал никаких неудобств от своего одиночества: с машинами было не меньше забот и хлопот, чем с самыми болтливыми друзьями и самыми любящими родственниками.

Диаметр рабочего колеса турбины Фурнейрона был не больше диаметра обыкновенной шляпы.

Турбины заинтересовали ученый мир. Виднейшие теоретики начали искать научные основы для дальнейшего развития гидравлического двигателя. Среди них был знаменитый математик и военный инженер Понселе. Отправившись с Наполеоном в поход на Россию, Понселе два года провел в русском плену. В Саратове, куда его выслали, Понселе написал самое важное свое сочинение, посвященное геометрии и содержащее много новых идей. Понселе и дал научную теорию работы Фурнейроновой турбины.

Теория, данная Понселе, превосходная конструкция Фурнейрона и экономическая потребность в новом двигателе – все это повлекло за собой быстрое развитие турбостроения. Турбины новых конструкций появлялись одна за другой. Геншель из Касселя, Жонваль из Эльзаса, плотник Пелтон и инженер Френсис в Америке строили турбины разных типов. Из них наиболее выгодными оказались турбины Френсиса и Пелтона. Они и применяются в настоящее время наиболее широко: турбина Френсиса – для равнинных рек, с тихим течением, а турбина Пелтона – для горных рек, с большим напором воды.

Турбина Пелтона представляет собой колесо с ковшами, устроенными в виде двух сложенных ложек, разъединенных ребром пополам. Вода подводится к колесу двумя или тремя сильными струями; ударяясь о ребро каждого ковша, они разбиваются надвое и, стекая по стенкам ковша, оказывают на него сильное давление, заставляя все колесо вращаться с огромной скоростью.

В водяных колесах вода действует или своим весом, или ударом струи о лопатку колеса. Ударное действие струи используется также и в активных или свободноструйных ковшовых турбинах. Действие же так называемых реактивных турбин основано на принципе, предложенном Сегнером и развитом Эйлером в стройную теорию. Эта теория легла в основу всех дальнейших конструктивных усовершенствований турбин, использующих реактивное действие потока воды, протекающей по каналам между лопатками рабочего колеса турбины.

Всего лишь тремя годами позже Фурнейрона, в начале 1837 года, в России, на Урале, плотинным мастером Алапаевских заводов Игнатием Егоровичем Сафоновым самостоятельно была построена первая в России, а по мощности самая крупная тогда водяная турбина. Установленная на Алапаевском металлургическом заводе, турбина эта выдержала все испытания и работала отлично. Вскоре Сафонов построил еще две такие же турбины – для Ирбитского и Нейво-Шайтанского заводов.

Колесо первой турбины еще имело детали, выполненные из дерева, но колеса двух следующих турбин были отлиты из чугуна.

Первые турбины Сафонова имели коэффициент полезного действия около 50 процентов. Это объяснялось тем, что лопатки, или «перья», как их тогда называли, рабочего колеса не были закрыты сверху и снизу ободами и поэтому работали не всей своей длиной, а лишь частью: вода стекала с них, не дойдя до внешнего края.

Конструкция второй турбины была улучшена, и ее коэффициент полезного действия достигал 70 процентов.

По мощности турбина Сафонова превосходила турбины Фурнейрона: мощность алапаевской турбины составляла 36 лошадиных сил, а мощность нейво-шайтанской – 60 лошадиных сил.

Современные реактивные турбины основаны на том же принципе, что и турбины Фурнейрона и Сафонова, но имеют одно принципиальное отличие. В прежних конструкциях турбин вода подавалась в турбину в центре и протекала через лопатки рабочего колеса от центра к периферии. Впоследствии выяснилось, что движение от периферии к центру выгоднее. Оно дает возможность уменьшить размеры турбины и получить более высокий коэффициент полезного действия. Поэтому в современных реактивных турбинах вода подается в радиальном направлении и, пройдя через направляющий аппарат, меняет постепенно в рабочем колесе свое направление и уходит из него уже в осевом направлении. Отсюда они и получили свое название радиально-осевых турбин.

Успехи турбостроения могли бы вскружить любую голову. Но Фурнейрона они не радовали. Ему вдруг пришлось обороняться с двух сторон – и от своих последователей и от своих преследователей, без чего не обходится ни один житейский успех в капиталистическом обществе.

Последователей у Фурнейрона оказалось очень много. Они строили турбины, не считаясь с его патентами и не спрашивая у него разрешения. Иногда маленькие, но очень зоркие глазки Фурнейрона обнаруживали этих «пиратов индустрии», как он их называл, и тогда затевались долгие, но по большей части бесполезные суды. Суд часто приговаривал нарушителя привилегии к уплате такого огромного штрафа, что он не мог его выплатить. Дело кончалось тем, что ответчик, как это было в случае с неким Кюхлиным, становился приятелем истца, или тем, как это было с неким Шартром, что Фурнейрон брал свой иск обратно.

Преследователем Фурнейрона совершенно неожиданно оказался его старый учитель профессор Бурден.

Сначала он не очень ценил свою идею и для второго конкурса построил турбину иной системы, где рабочее колесо помещалось под направляющим аппаратом. Но огромный успех турбин Фурнейрона напомнил ему, что ведь идея-то конструкции все-таки принадлежала ему, а не его славному ученику!

Впервые, когда Бурден ознакомился в Фрезане с турбиной Фурнейрона, он писал ему:

«Я видел вашу турбину и восхищен ею. Будет хорошо, чтобы я вторично подчеркнул, что если ученые и признают за мной некоторые заслуги в создании турбины, то надо все же признать и то, что без вас наша родина еще долго бы оставалась без этой удивительной машины».

Но вот восемь лет спустя после этого письма, в 1841 году, профессор Бурден решил выставить свою кандидатуру в члены Французской академии. Тут он на первое место поставил себе в заслугу изобретение турбины. Фурнейрон обиделся на своего учителя и представил в опровержение его утверждения письма самого Бурдена и мнение Понселе, На основании этих документов за Фурнейроном и было оставлено имя творца гидравлической турбины.

Впрочем, когда через год Фурнейрон сам баллотировался в члены академии, он также не получил большинства голосов. Неизвестно, как перенес свое поражение Бурден, но Фурнейрон возвратился в свой Безансон со сжатыми кулаками и решением, которому не изменил уже до конца жизни: никогда больше не заниматься научными работами и презирать всех академиков!

У него даже мелькнула мысль покончить навсегда с делами, купить усадьбу и пролежать в берлоге до конца жизни. Но затем он решил, что надо еще немного прикопить денег и чуть-чуть расширить дело, а тогда уже уйти на покой. Поэтому он основал новый завод в Шамбоне, с литейными мастерскими, и стал работать не только на Францию, но и на весь мир. Этот завод, существующий и до сих пор, начал выпускать улиткообразные трубы для подвода воды к турбине, а затем стал строить турбины с автоматическим регулятором – по принципу регуляторов Уатта.

Организовав производство, поставив на ноги завод, Фурнейрон переехал в Париж – может быть, с целью урвать наконец от жизни немного личного счастья. Но тут он втянулся в водоворот политической жизни и даже принял участие в февральской революции 1848 года, когда парижане под грохот набата с факелами в руках двинулись во дворец, чтобы низвергнуть июльскую монархию.

Вступив в ряды Национальной гвардии, Фурнейрон, разумеется, не собирался воевать за социализм и коммунизм. Промышленная буржуазия, мелкая и средняя, нуждалась в свержении монархии для своих целей, и, как только республика была провозглашена, она постаралась занять побольше мест в Конституционном собрании для установления строя, открывавшего ей свободу действий.

Фурнейрон прошел в это Конституционное собрание кандидатом от Сент-Этьенна и деятельно поддерживал здесь политику мелких и средних промышленников, к которым сам принадлежал, но, после того как провалился на выборах в установленный конституцией Законодательный корпус, снова обиделся на людей и мрачно засел в своей сент-этьеннской берлоге.

Фурнейрон стал думать о создании паровой турбины, но при своей медлительности и расчетливости не успел в этой области предпринять конкретные шаги.

Перед смертью он рассказал о неосуществленных замыслах сестре, заметив с горечью:

– Если бы я мог довести до конца то, что начал… это произвело бы полный переворот в промышленности. Жаль, что это уже невозможно…

Деньги, накопленные за долгую расчетливую жизнь, надо было все-таки куда-то девать. Для братьев и сестры, с которыми следовало расплатиться за их привязанность и терпеливость, это было бы слишком много. Фурнейрон завещал часть денег на научные цели академии и Сент-Этьеннской горной школе, часть – другим научным обществам.

Вечером 8 июля 1867 года, не разгладив суровых морщин на лице, Фурнейрон умер.

Мастер гидравлической техники не ошибался, предчувствуя переворот в промышленности, развитию которой он так много содействовал. Но переворот этот был связан не с паровой турбиной, а с внедрением в промышленность электрического тока. В этом перевороте созданная Фур-нейроном турбина сыграла огромную роль и получила новое значение, о котором Фурнейрон при жизни не мог и мечтать.

Незадолго до его смерти турбины Фурнейрона были установлены в тихом уголке Швейцарии, в Шафгаузене на Рейне.

Здесь испокон веков находилась вододействующая установка, считавшаяся образцовой. Мелкую промышленность Шафгаузена обслуживали несколько вододействующих колес, установленных на двух каналах, отведенных от Рейна, ниже знаменитого Рейнского водопада. Но колеса эти плохо справлялись с делом, а зимой 1857/58 года из-за спада воды и вовсе подвели кустарей, так что некоторые предприятия вынуждены были закрыться.

Это было обидно шафгаузенцам, тем более что рядом с ними находился даровой источник водной энергии неиссякаемой мощи в виде Рейнского водопада. И вот часовых дел мастер и фабрикант часов Генрих Мозер предложил своим согражданам осуществить смелое предприятие: плотиной запрудить Рейн, поставить на левом берегу здание и установить в нем три турбины Фурнейрона для обслуживания механической энергией всех предприятий Шафгаузена.

Старый Мозер пользовался большим влиянием, и сограждане согласились взяться за дело. Рейн запрудили, турбины поставили, а от вала, который они вращали, были устроены передачи не только на близлежащие фабрики, но и на другой берег Рейна – при помощи двух проволочных канатов.

Устройство канатных передач оказалось очень сложным, громоздким и довольно невыгодным делом. Однако благодаря турбинной установке в течение двух десятков лет Шафгаузен из тихого, провинциального городка превратился в значительный промышленный центр, а разросшиеся предприятия Генриха Мозера получили мировую известность.

Но истинный расцвет Шафгаузена как промышленного центра начался лишь после того, как вместо прежней установки на Рейне была сооружена гидроэлектростанция. Водяные турбины теперь стали вращать генераторы электрического тока, который по проводам пошел на все предприятия города. От этого тока стали работать электродвигатели, приводившие в движение станки и машины. Новый способ использования дешевой водной энергии и привел тихий Шафгаузен к необычайному расцвету.

В этой замене вододействующих колес турбинами, а турбин – турбогенераторами, в этом связанном с ними промышленном, экономическом и культурном росте Шафгаузена, как небо в капле воды, и отразилась вся история развития водяного двигателя и его нынешнее значение.