Текст книги "Создатели двигателей"

Автор книги: Лев Гумилевский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 26 страниц)

3. Устранение конденсатора

Кюньо

Мысль о том, чтобы действовать на поршень в закрытом цилиндре для получения движущей силы давлением пара, а не атмосферным давлением, пришла в голову не одному Уатту. Одновременно с ним, а может быть, и раньше его, во всяком случае независимо от него, такая же мысль явилась и другим техникам, скажем, Леупольду, но совершенно по иному поводу и для достижения другой цели. Эти изобретательные люди имели в виду другие потребности хозяйства, совсем иную его область. Они вздумали помочь человеку двигаться скорее и перевозить значительно большие тяжести. Они увидели нужду в мощном, скором, механическом транспорте для дальнейшего развития промышленности и культуры. И они не ошибались. Потребность в новом виде транспорта, в новом способе передвижения действительно назревала.

Не случайно полузабытыми оказались имена создателей первых бесконденсаторных машин. Правильные идеи этих людей, в свое время столкнувшиеся с несовершенством технических средств, получили полное осуществление гораздо позднее. Только теперь мы можем понять и оценить их высокое мастерство и идеи, так далеко уходившие в будущее.

Никола Жозеф Кюньо родился в Вуа, небольшом городке французской Лотарингии, 25 сентября 1725 года, а молодость свою провел в Германии, где он получил хорошее образование.

В качестве военного инженера с отличной репутацией он отправился вследствие каких-то неизвестных обстоятельств служить в Нидерланды.

Несмотря на молодость, проведенную в чужой стране, Кюньо оставался французом и, как все французы, обожал Париж. В 1763 году ему удалось осуществить свою мечту и перебраться в столицу Франции. Он явился сюда не с пустыми руками. Так как он имел уже репутацию хорошего военного инженера, ему удалось добиться встречи с генерал-инспектором артиллерии маршалом Грибовалем. Грибоваль занимался в это время реорганизацией артиллерийского дела, и деятельность его составила эпоху в развитии артиллерии.

– Что же вы можете нам предложить? – спросил он Кюньо. – До сих пор вы строили крепости и вооружали улан принца Саксонского кремневыми ружьями. Чем вы можете помочь нашей артиллерии?

– Я построю вам паровую телегу, которая будет возить и снаряды и пушки, – ответил молодой инженер. – Вот мой проект.

Маршал оказался сведущим инженером, и Кюньо не пришлось объяснять слишком долго достоинства своего проекта. К тому же о машинах, работающих при помощи огня и пара, знали уже в это время настолько, что охотно допускали возможность применить их не только для откачки воды. Генерал-инспектор согласился доложить о проекте военному министру. Довольно скоро Кюньо получил извещение, что «военный министр, герцог Шуазель, поручает инженеру Кюньо построить за счет казны проектируемую им паровую телегу в уменьшенных размерах».

Грибоваль вызвал к себе изобретателя и обсудил с ним план будущих работ.

– А знаете ли вы, что с подобным же проектом возится в Швейцарии лейтенант Планта? – неожиданно спросил он.

– Я ничего не знаю о Планта, – отвечал Кюньо.

– Обгоните его!

Кюньо приступил к работе. Дело вовсе не сводилось к тому, чтобы поставить двигательный механизм машины Ньюкомена на телегу и заставить его вращать колеса. Установка такого механизма связывалась с необходимостью возить с собой огромное количество воды для охлаждения цилиндров и большого запаса топлива. Надо было придумать что-то совершенно другое. Военному инженеру, чье воображение совсем не занимала водоотливная машина, удалось пойти по новому пути к получению движущей силы при помощи воды и огня.

Конечно, Кюньо ничего не знал об опытах Уатта в его глазговской мастерской, происходивших в это же время. О них ничего не знал даже Робиссон, ежедневно посещавший своего друга. Англичанин старательно хранил в секрете свои опыты и усовершенствования. Да они и не могли бы ничем помочь Кюньо, потому что и усовершенствованная паровая машина Уатта была все-таки слишком громоздкой и неудобной для его цели.

Но несомненно, что Кюньо хорошо знал сочинение Лeупольда, в котором автор высказывал мысль о том, что давление пара могло бы работать в цилиндре без расширения пара в конденсаторе, а с выпуском его в атмосферу: нужно только впускать в цилиндр пар в пять – десять раз большего давления, чем атмосферное. Такой пар, действуя на поршень, заставит поршень преодолеть естественное сопротивление воздуха и сообщит его движению силу, способную совершать полезную работу.

Трудность дела заключалась в том, чтобы построить котел, способный выдерживать высокое давление пара. В то время это представлялось довольно серьезной задачей. Котлы делались из медных, склепанных по швам листов, прочность их часто оказывалась недостаточной. Не меньшую трудность представляла пригонка поршня, который должен был плотно прилегать к стенкам цилиндра. Но в изготовлении их уже имелся некоторый навык.

Кюньо должен был стать на путь создания паровой машины высокого давления пара, работающей без конденсатора. Осуществление первой машины такого рода и составляет заслугу Кюньо.

Вопрос о том, как преобразовать прямолинейно-возвратное движение поршня во вращательное движение на колесе повозки, решил с незапамятных времен изобретатель токарного станка и точильного камня. Оставалось только применить для новой цели старый кривошипный механизм.

Гениальный изобретатель системы кривошипа и шатуна остался безвестным, но изобретение его надо считать едва ли не самым популярным из всех остроумных человеческих изобретений. На точильном камне, ручном токарном станке, как теперь на ножных швейных машинах, прямолинейно-возвратное движение ноги через шатун и кривошип превращается во вращательное движение колеса. Превращение происходит благодаря инерции, стремлению раз приведенного в движение тела продолжать свое движение в том же направлении и с той же скоростью, пока оно не будет остановлено противодействием трения, воздуха, среды или другими внешними причинами. Главная трудность здесь – преодоление мертвой точки кривошипа, когда вся движущаяся система стоит на одной прямой линии.

Для начала работы токарного станка и всякой другой машины с системой кривошипа нужно сначала привести в движение маховое колесо, чтобы создать силу инерции. В точильном станке сам камень является таким колесом. Благодаря значительному весу и размеру сила инерции его вращения достаточна, чтобы преодолевать мертвую точку кривошипа.

Повозка и ее движущие колеса имеют достаточный запас инерции, и применить систему кривошипа в повозке не составляло большой задачи.

Военное министерство, приняв проект Кюньо, сочло нужным послать его в Швейцарию на отзыв лейтенанту Планта. Планта оказался добросовестным и беспристрастным человеком. Он дал блестящий отзыв о проекте своего французского коллеги и даже объявил, что отказывается от продолжения своих работ. По его мнению, проект Кюньо был лучше во всех отношениях. Через некоторое время, именно в 1769 году – в тот самый год, когда Уатт еще только брал патент на свои усовершенствования в машине Ньюкомена, – Планта получил приглашение испытать построенную Кюньо «паровую телегу».

Испытания происходили во дворе парижского арсенала. Ранним утром, чтобы избежать стечения любопытных, сюда явились чиновники военного министерства во главе с министром и генералом Грибовалем. Нашлось все-таки довольно много парижан, добившихся разрешения присутствовать при опытах.

На деревянной раме с тремя колесами был укреплен впереди небольшой, но прочный котел; он мало чем отличался от обыкновенного кухонного котла с крышкой. Котел клокотал и гудел. Пар из котла отводился в два цилиндра с поршнями. Штоки поршней при помощи цепей вращали переднее колесо. Оно и было ведущим колесом повозки.

Французский конструктор поставил два цилиндра не только для увеличения силы действия на колесо. Хотя на ходу повозка легко могла преодолеть мертвые точки кривошипа, все же была опасность, что остановка произойдет именно в тот момент, когда кривошип займет мертвое положение. Для того чтобы вывести его из этого положения при пуске телеги в ход, понадобится посторонняя сила. Этой силой и станет второй цилиндр, который Кюньо установил с таким расчетом, что положение поршней и кривошипов у того и другого не могло быть одинаково.

Лейтенанту Планта не требовалось объяснять устройство машины. Он выразил восхищение конструкцией Кюньо и заявил, что не сомневается в успехе и огромной будущности изобретения.

Грибоваль предложил начать испытания. Кюньо забрался на телегу и пригласил Планта поместиться сзади себя. Кроме него, нашлось место еще для двух пассажиров. Нагруженная таким образом модель будущей артиллерийской повозки была пущена в ход. С шумом и грохотом, извергая клубы отработанного в цилиндрах пара, телега тронулась с места и проворно покатила по двору. Делала она примерно около пяти километров в час.

Зрители приветствовали изобретателя аплодисментами, когда он сделал во дворе полный круг и, не останавливаясь, начал второй. Однако через десять минут, на третьем круге, повозка замедлила ход и стала, израсходовав весь накопленный котлом пар.

Понадобилось четверть часа, пока пар достиг нужного давления. Повозка вновь пошла по двору, но затем опять остановилась.

С шумом и грохотом телега тронулась с места.

– Котел у вас мал, давления пара не хватает, – заметил Планта. – Но это пустяки! Главное сделано, и я от души поздравляю вас с успехом.

Военный министр и маршал не выказали огорчения. Они объявили Кюньо благодарность и предложили заняться усовершенствованием машины. Вскоре военное министерство даже назначило изобретателю пожизненную пенсию.

Казалось, что все условия для дальнейшей работы обеспечены. Он получил средства и на постройку большой артиллерийской повозки.

Изобретенная Кюньо паровая повозка вызывала у парижан большой интерес. На нее возлагались всякие надежды. Сохранилось сообщение автора «Тайных мемуаров» Бошомона о новых испытаниях телеги в ноябре 1770 года.

«Несколько времени назад, – пишет он, – много говорилось об огневой машине для перевозки пушек, с которой генерал Грибоваль, начальник артиллерийского ведомства, производил опыты. Теперь эту машину усовершенствовали так, что в прошлый вторник она везла во дворе арсенала пушечный лафет со скоростью лье с четвертью в час. Повозка может взбираться на гору и преодолевать препятствия на ухабистых дорогах».

Усовершенствованная машина Кюньо, о которой вспоминает Бошомон, к сожалению, вскоре погибла. Дело в том, что переднее, движущее колесо телеги служило также и для изменения направления хода. Но так как на него приходилась большая нагрузка, управление было очень затруднительно. Устройства же для перемены хода на обратный машина не имела. Не рассчитав развитой машиной скорости, Кюньо налетел на кирпичную стену двора. Стена и повозка разбились. Сам изобретатель едва не остался калекой на всю жизнь.

Все это не имело бы большого значения для дела, если бы к этому времени не изменилось положение самого Кюньо. Шуазель был смещен, Грибоваль подвергся опале и покинул свой пост. О Кюньо забыли.

Франция переживала эпоху упадка, предшествовавшую революции, эпоху «фаворитизма». Без покровительства знати, в силу одних только своих личных заслуг и достоинств, выдвинуться никто не мог. Сам Шуазель, делавший политику страны, обязан был своим положением покровительству друзей короля. Вместе с его падением, в свою очередь, пали и те, кому он покровительствовал.

Кюньо остался без дела. Некоторое время он получал свою пенсию, но затем, во время следовавших один за другим государственных переворотов, лишился и ее.

Первая опытная повозка осталась в арсенале.

Спустя много лет, когда Кюньо был уже глубоким стариком, о паровой телеге для пушек случайно узнал Наполеон. Он заинтересовался ею, назначил специальную комиссию для изучения вопроса и сам осмотрел повозку. Комиссия дала неблагоприятный отзыв, не видя возможности для ее практического применения. Наполеон отправился в Египет. Телегу сдали в Парижский музей искусств и ремесел, где она стоит и сейчас.

Если изобретению Кюньо не придали того значения, которого оно заслуживало, то, разумеется, еще меньше внимания оказали самому изобретателю. Кюньо нищенствовал и, быть может, ему грозила голодная смерть, если бы о нем не позаботилась какая-то дама из Брюсселя. Она не могла забыть влюбленного в нее блестящего офицера, который предпочел ей родину и свое творческое дело.

Кюньо дожил до восьмидесяти лет и умер в те дни, когда другие изобретатели строили паровые автомобили и паровозы, делая ошибки, которых могли бы избежать, зная о машине Кюньо.

Опыт французского инженера, как и успешный опыт Ползунова, остался без огласки, хотя и по иным причинам. Повозка Кюньо предназначалась для военных целей, и потому все дело хранилось в строгом секрете. Будь это предприятие более известным, паровая техника, наверное, пришла бы к своей цели раньше, и опытный период паровозостроения сократился бы.

Во всяком случае, конструкции Ньюкомена, Ползунова, Уатта и Кюньо свидетельствуют о том, что техника в последней четверти XVIII века была совершенно подготовлена к созданию универсального парового двигателя, а человеческий ум уже привык мыслить паровую машину не как принадлежность водоотливной машины, а как двигатель, годный везде, где нужна движущая сила.

До какой степени появление универсального парового двигателя оказалось предопределенным предшествующим развитием техники, экономики и культуры, обязательным, неустранимым и не зависящим от воли, желаний и способностей отдельных людей, показывают жизнь и деятельность Оливера Ивенса.

4. Давление пара

Ивенс

Американский механик Оливер Ивенс родился в семье разорившегося фермера в 1755 году в небольшом городке Ньюпорт штата Делавар.

Очень рано он начал работать у хозяев мелких мастерских, а четырнадцати лет поступил в обучение к одному каретному мастеру.

Уже в это время юноша ломал себе голову над тем, как бы заставить экипажи, с которыми он возился, двигаться без лошадей. Ивенс признавался впоследствии, что после многих размышлений и опытов он тогда же решительно отбросил «все способы, которые были прежде испытаны, например паруса, педали, зубчатые колеса, рукоятки».

Ученик каретного мастера ничего не знал ни о паровой телеге Кюньо, ни о машинах Ньюкомена и Уатта. К мысли о том, чтобы воспользоваться давлением пара для движения экипажей, он пришел самостоятельно, при следующих любопытных обстоятельствах.

В то время, празднуя Новый год, американцы имели обыкновение забавляться стрельбой из заклепанных ружейных стволов. В ствол предварительно наливалась вода, затем заклепанный ствол с водой нагревался на костре, пока пар не выбивал заклепку с грохотом, напоминавшим орудийную пальбу.

Ивенс сам принимал участие в этой забаве. Ему, искавшему силу, способную заменить в экипаже лошадь, естественно пришла мысль об энергии пара. Юноша постарался узнать все, что возможно, о свойствах пара, и тут-то он и услышал впервые о паровых машинах. Он узнал о существовавших в Англии машинах Ньюкомена. Ивенс страшно удивился, узнав, что в этих машинах пар употребляется главным образом лишь для того, чтобы получить вакуум, и почти не используется для работы более высоким, по сравнению с обычным, атмосферным давлением. Он решил построить машину по-своему, где пар работал бы давлением, которое рвало на куски ружейные стволы, если не могло выбить заклепки.

К этому времени Ивенс прошел хорошую школу у разных ремесленников и стал отличным столяром и слесарем. Изобретатель по самому складу своего беспокойного и ни с чем не мирившегося ума, он уже испробовал свои силы в столярной мастерской: тут он сконструировал машину для нарезывания зубцов в механизме прядильного станка.

Правда, изобретение принесло ему только огорчения. Хозяин мастерской воспользовался машиной работника, а затем присвоил себе и самое изобретение, выгнав предварительно Ивенса со службы.

Изобретателю не удалось защитить свои права перед судом. Но обида не заставила его бросить дело, не внушила ему отвращения к изобретательской деятельности. Наоборот, она заставляла его с яростью идти, как говорится, навстречу своей судьбе, чтобы победить или погибнуть. Это был человек ожесточенной энергии, производивший на окружающих впечатление одержимого.

Только теперь стало ясно, какое видное место занимает этот американец в истории паровой техники. В свое время его объявили больным «паровой болезнью», и ничего, кроме смеха и сожаления, он не вызывал у соотечественников.

Об исключительном значении его работ не мог никто судить. Проекты Ивенса казались фантастическими – так далеко они шли впереди своего времени.

Машину высокого давления пара Ивенс спроектировал в 1787 году и тогда же взял на нее патент в компании с братьями жены. Машина предназначалась для мельниц.

На следующий год Ивенс начал хлопотать о выдаче ему патента на паровой локомотив для обыкновенных дорог. Тут уже изобретателя не только высмеяли – ему было отказано в выдаче патента, как сумасшедшему. Ивенс обратился в другие штаты. Но многие уже знали о сумасшедшем изобретателе. Запатентовать свою паровую повозку Ивенсу удалось только в штате Мериленд, куда еще не дошли слухи об одержимом «паровой болезнью» человеке.

Ни один из проектов Ивенса не был выполнен, так как изобретатель не имел средств. С большим трудом удалось ему построить паровой двигатель, но применения он не находил.

Всклоченный, неловкий человек с одутловатым лицом, носившийся с фантастическими проектами, не внушал никому доверия. Судьба всех его замыслов была одинакова, и чем энергичнее он защищал свои идеи, тем более фантастическими они казались. В те времена еще для многих дико и странно звучали речи Ивенса, когда он писал о своих проектах:

«Я не сомневаюсь, что мои машины будут гнать суда по реке Миссисипи против течения и двигать экипажи по дорогам на благо страны. Наступит время, когда в паровых экипажах можно будет передвигаться из города в город со скоростью птиц».

Куда бы и к кому бы ни обращался неугомонный американец со своими проектами, он нигде не получал помощи. Лишь однажды, в 1804 году, Ивенс в первый и последний раз имел некоторый успех. Администрация Филадельфийской гавани, нуждаясь в землечерпательной машине, поручила постройку ее Ивенсу.

Ивенс, носившийся с фантастическими проектами, не внушал никому доверия.

По оригинальности этой машины можно судить о конструкторском таланте Ивенса. Паровой двигатель очень высокого по тем временам давления пара – около десяти атмосфер – помещался в лодке, стоящей на колесах. Машина приводила в движение землечерпательное колесо. В то же время Ивенс связал двигатель канатной передачей с колесами, так что землечерпалка могла самостоятельно двигаться и по воде и по суше. Изобретатель назвал ее «Амфибия».

Испытание парового чудища происходило на глазах у двадцати тысяч зрителей. Люди стояли по обеим сторонам дороги от города до реки. Некоторые приветствовали изобретателя, управлявшего машиной. Многие взирали на противоестественное явление с недоверием. Вероятно, один только Ивенс отдавал себе отчет в значении всего происходившего.

Газетный шум, поднятый вокруг машины и ее конструктора, сослужил Ивенсу большую службу. В следующем году ему удалось издать книгу: «Руководство машиностроителя». Эта книга, впоследствии переведенная во Франции, произвела большое впечатление новизною и убедительностью своих идей.

В книге опубликованы все проекты Ивенса, описаны все его опыты. Впоследствии отдельные конструкторы многое заимствовали от американского паротехника. Например, он рекомендовал для машин высокого давления пара особые прочные котлы из железа с внутренней жаровой трубой. Такие котлы получили впоследствии широкое распространение под названием «корнваллийских» котлов.

Говоря о применении своей машины для движения судов и экипажей, Ивенс мечтал о далеком будущем.

«Теперешнее поколение, – писал он, – желает довольствоваться каналами, следующее отдаст предпочтение железным дорогам и лошадям, а их просвещенные потомки будут пользоваться моим автомобилем как самым совершенным способом передвижения!»

Успех «Амфибии» принес Ивенсу некоторые средства. Он вложил их в постройку собственных мастерских. За десять лет они выпустили полсотни паровых машин высокого давления.

Двигатели Ивенса устанавливали не на экипажах, а на мельницах и вновь строящихся в Америке заводах. И все-таки Ивенс не применял конденсатора, хотя к этому времени истек срок действия патентов Уатта. Машины работали на выхлоп, выбрасывая отработавший пар в воздух. Высокое давление пара Ивенс противопоставлял конденсации и, видимо, считал несовместимым одно с другим. Даже этот широко мыслящий технический ум не мог освободиться от влияния предвзятого и, конечно, бессознательного представления о том, что раз машина работает при высоком давлении пара, то и конденсатор ей ни к чему. Мысль о возможности применить здесь конденсатор не приходила в голову.

Конденсатор, конечно, был бы слишком громоздок для машин, устанавливаемых на повозке. Но, выпуская отработавший пар в конденсатор, мы увеличиваем мощность машины, не увеличивая нисколько давления пара в котле, не расходуя лишнего топлива. Ведь в конденсаторной машине при прочих равных условиях поршню и выходящему пару не приходится преодолевать естественного сопротивления воздуха. При равном давлении в котлах мощность конденсационной машины всегда будет выше мощности такой же машины без конденсатора.

Впоследствии, повышая шаг за шагом давление пара в своих машинах, Уатт естественным путем пришел к сочетанию в одной машине высокого давления пара и конденсации. Но первые конструкторы машин высокого давления сами по себе не догадывались еще о полной возможности такого выгодного сочетания.

Ивенс в конструкцию своих машин внес много усовершенствований. Прежде всего он стал впускать пар не по одну только сторону поршня, а и по другую, попеременно через клапаны в нижней и верхней частях цилиндра. Клапаны действовали автоматически, через систему зубчатых колес и кулачков. Таким образом, в его машинах оба хода поршня стали рабочими и мощность машины повысилась без увеличения ее размеров.

Подобную же машину двойного действия, но не с клапанным, а золотниковым парораспределением, сконструировал и Уатт приблизительно в то же время. Работали оба изобретателя независимо друг от друга, но мысли их шли в одном направлении.

Любопытно, что так же оба они одинаково оказались жертвой своих привычных представлений. Ни Уатт, ни Ивенс не смогли отрешиться от коромысла, которое для новых машин не было нужно и бессмысленно усложняло конструкцию.

Призрак машины Ньюкомена тяготел над обоими конструкторами, так как оба они пришли к своим конструкциям, отправляясь от его водоотливной машины. Но для парового насоса Ньюкомена такое устройство было совершенно естественным: коромысло заменило здесь грузовую веревку и блоки Папена, с тем чтобы изменить направление действия силы атмосферного давления сверху вниз на противоположное, нужное насосу, – снизу вверх.

Машины двойного действия и у Ивенса и у его английского товарища предназначались для прядильных и ткацких станков, для мельничных жерновов: всем им требовалось вращательное, а совсем не прямолинейно-возвратное движение. Но, как показал изобретатель всем известного токарного станка и точила, вращать колесо можно и непосредственно соединяя поршень с осью колеса через кривошип и шатун.

Зачем же нужно было коромысло, которое все-таки оставалось и у Ивенса в Америке и у Уатта в Англии? У машины Ивенса оно казалось еще более странным, так как это было одноплечее коромысло. Поршнем раскачивался рычаг, укрепленный на стойке, а рычаг через систему кривошипа вращал маховое колесо, от которого уже шел привод к исполнительной машине. Ивенс пренебрег тем, что конец коромысла, качаясь, чертит в воздухе кривую линию, вследствие чего жестко связанный с ним поршневой шток может вредно действовать на поршень. Он просто не занимался этим вопросом.

Вот какие причудливые противоречия могут одновременно существовать в самом светлом уме. Над смелой идеей тяготеет предвзятость другой, рядом с гениальным полетом мысли живет косное сознание. На преодоление привычного хода собственных мыслей иногда надо потратить больше умственных сил и душевной энергии, чем на борьбу с природой, несовершенством техники, малой прочностью материалов.

Ивенс все-таки положил основание строительству паровых двигателей в Соединенных Штатах Америки, хотя и не увидел при жизни осуществления многих своих замечательных идей.

Судьбу своих изобретений Ивенс описал, по обычаю того времени, в «Открытых письмах к американскому народу».

В одном из этих писем Ивенс рассказывает, что ему принадлежит восемьдесят различных изобретений, но он уничтожил их описание и чертежи, так как изобретательство не принесло ему ничего, кроме насмешек, несчастий и преследования. Глупцы не понимали его, а предприниматели обкрадывали.

Ивенса действительно преследовали и люди и несчастья. В 1819 году мастерские его сгорели. Катастрофа сломила творческие силы изобретателя и приблизила его физическую смерть. Он умер в том же году.

После смерти Ивенса, хотя и не скоро, американский конгресс объявил его «благодетелем отечества» и «американским Уаттом». Это признание последовало уже под влиянием победоносного вторжения парового двигателя во все области промышленности и транспорта, когда восторжествовали идеи Ивенса, казавшиеся его современникам столь фантастическими.

Раньше всего идеи эти, естественно, восторжествовали в Англии, первой из стран, вступившей на путь промышленной революции.