Текст книги "Машина-двигатель
От водяного колеса до атомного двигателя"

Автор книги: Марк Левин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 16 страниц)

Пришло время

Но почему Леонардо да Винчи, почему Джиованни Бранка, почему десятки других инженеров, ученых, изобретателей стремились создать тепловой двигатель? Почему нельзя было ограничиться водяным и ветряным двигателями?

Да потому, что уже давно ощущалось большое неудобство: двигательную силу можно было получить только возле реки, а где-нибудь в стороне – нельзя.

Правда, иногда выручал ветер, но ведь мощность ветряных двигателей не высока, да к тому же и сам ветер непостоянен – сегодня есть, завтра нет.

От природных условий зависела мощность и водяного двигателя: спадет вода в реке – и мощность падает.

Совсем иначе дело обстоит с тепловым двигателем. Всюду, где есть топливо – дрова, уголь, нефть, солома, – всюду, где возможно развести огонь, удастся заставить работать тепловой двигатель. Когда надо, – можно двигатель пустить, когда не надо, – остановить. Мощность у такого двигателя всегда постоянная, – знай подбрасывай топливо. Словом, казалось полезным наряду с водяными и ветряными двигателями попытаться создать такой удобный двигатель, как паровой.

Но если попытки Леонардо да Винчи и Джиованни Бранка использовать силу пара были вызваны лишь техническим интересом, который они питали к разрешению этой задачи, и идеи их остались не воплощенными в реальные машины, то наступила пора, когда тепловой двигатель потребовалось создать во что бы то ни стало.

Долгое время, как вам известно, изготовление необходимых предметов человеческого обихода производилось отдельными мастерами-ремесленниками. Сидит себе такой ремесленник – прядильщик – и вращает потихоньку ногой прядильное колесо. Но с развитием торговли потребовалось много различных товаров и работа ремесленников, да еще почти вручную, не могла обеспечить всё возрастающий спрос. Постепенно стало появляться крупное капиталистическое машинное производство – фабрики и заводы. Новые машины, изобретенные, чтобы заменить рабочие руки, потребовали и мощных двигателей. Водяные колеса не могли развивать больших мощностей, да и вообще этот двигатель был неудобен для привода фабричных машин, – уж слишком громоздкими оказывались такие сооружения. Помните, какой подземный коридор с несколькими подземными залами вынужден был соорудить Козьма Фролов, чтобы разместить водяные колеса для привода механизмов Змеиногорского рудника?

А кроме того, в большом производстве уже стала нетерпима сезонность работы водяных колес, – зимой почти вся фабрика должна была или вовсе останавливаться, или работать далеко не на полную мощность. Кроме того, из-за водяных двигателей и вся фабрика оказывалась как бы привязанной к реке, хотя во многих случаях сюда было далеко и дорого подвозить сырье, отсюда далеко и дорого было перевозить готовые изделия, здесь чувствовался недостаток в рабочей силе.

Словом, внимание промышленников стали всё больше и больше приковывать к себе работы по созданию теплового двигателя, действующего паром. Удобство такого двигателя было очевидным. Потребность в нем всё больше и больше нарастала. Инженеры, техники, механики всего мира вплотную заинтересовались паром…

Уже в семнадцатом веке, и даже несколько ранее, многие передовые люди, ученые и инженеры, предвидели, какие широкие возможности откроются перед тепловым двигателем, и настойчиво искали пути использования силы пара.

Наиболее важной технической задачей того времени была задача создания двигателя, который приводил бы в движение насосы, откачивающие воду из шахт.

Без таких насосов в шахтах работать было нельзя, – подземные воды просачивались и мешали добывать уголь и руду. Насосы приводились в движение лошадьми, но при таком «двигателе» эти насосы обладали малой производительностью и мощностью, – не успевали откачивать воду, не могли поднимать воду с больших глубин. Надо было строить насосы больших мощностей, но для них нужны были и более мощные двигатели. Шахты и рудники не всегда располагались вблизи рек, – вот почему там раньше, чем в других производствах, делались попытки создания теплового двигателя. Это были очень интересные попытки. С них-то мы и начнем продолжение истории создания паровой машины.

Врач-инженер Дени Папен и его машины

Французский врач Дени Папен, встретившись с крупнейшим ученым того времени – голландцем Христианом Гюйгенсом, после долгих и увлекательных бесед с ним был до такой степени заинтересован задачами, стоящими перед инженерами, что решил изменить медицине и посвятить себя технике. И, как человек, решивший заниматься новым делом, он выбрал для себя самую интересную и самую важную по тому времени область техники – исследование свойств пара и затем создание тепловой машины.

В 1680 году Дени Папен нашел способ получения пара сравнительно высоких давлений, изобретя паровой котел, который и получил название, сохранявшееся долгое время, – «Папéнов котел».

Однако, создав паровой котел, Папен не сразу придумал способ его применения. Больше того, он на время вовсе отошел от пара – его поглотила идея создания машины, в которой использовалась бы сила давления атмосферного, наружного, воздуха.

Сложными зигзагами идет подчас развитие технических идей. Гюйгенс и Папен решили создать тепловой двигатель, но работающий не паром, а пороховыми газами.

Папен изготовил цилиндр, поместил в него поршень, а от поршня через блоки перекинул трос, которым, по мысли Папена, можно было бы поднимать груз, или качать воду, или выполнять любую другую работу. На дно цилиндра насыпали немного пороха, который поджигали фитилем. Происходило сгорание пороха, выделение горячих газов повышенного давления; газы толкали поршень, поднимая его вверх. Затем эти газы охлаждались, – для этого вокруг цилиндра пускали холодную воду. Охлажденные газы как бы съеживались, уменьшалось их давление, и поршень под собственным весом и под силой атмосферного давления оседал вниз. При этом он тянул трос и совершал работу.

Так действовала первая «атмосферная» машина Папена и Гюйгенса. Но этой машине не суждено было жить, – от нее прежде всего отказались сами изобретатели. Папен убедился, что сильно охладить газ он не может, что поршень поэтому опускается лишь немного и что полезная работа от такой машины получается незначительной.

И тогда Папен вновь вернулся к пару.

Прежде чем продолжить рассказ о новых поисках Папена, заметим, что Гюйгенс и Папен своей «пороховой» машиной открыли совершенно новую страницу техники – создание двигателя внутреннего сгорания. Правда, вписав на этой страничке первую строчку, они забыли о ней, но факт остается фактом. Однако к этому вопросу мы еще вернемся несколько позднее, – сейчас же вновь, вслед за Папеном, обратимся к пару.

Если газ от охлаждения не очень-то значительно уменьшается в объеме и под влиянием давления наружного воздуха поршень атмосферной машины опускается лишь слегка, то почему бы не воспользоваться для этой же цели паром, который охлаждением можно просто сконденсировать? Ведь при этом весь объем, занимавшийся паром, освободится, так как воде, в которую пар превращается при конденсации, потребуется очень мало места в цилиндре.

Свою первую паровую машину Папен и построил на этом принципе. Вместо пороха в цилиндр теперь наливали немного воды. Затем поршень опускали до соприкосновения с ее поверхностью; при этом воздух между поршнем и водой отводился из цилиндра, чтобы он не мешал поршню дойти до воды. Затем закрывали все отводы и цилиндр подогревали снаружи. Вода постепенно превращалась в пар, который своим давлением поднимал поршень вверх. Здесь поршень удерживался специальной «упоркой», а в это время от цилиндра убирали огонь и начинали цилиндр охлаждать. Подождав, когда пар сконденсируется, убирали упорку, и поршень под давлением атмосферного воздуха устремлялся вниз, совершая полезную работу.

Казалось бы, Папен добился своего, – он заставил работать и пар, и наружное воздушное давление. Но попробуйте представить себе, сколько возни было с такой машиной! Подводить – отводить огонь, подводить поршень, ставить – отпускать «упорку», охлаждать, ждать конденсации, – как много хлопот, а в результате – всего один рабочий ход в минуту и мощность меньше одной лошадиной силы. А к тому же и очень много топлива уходило для такой машины…

Не суждено было найти применение и этой машине Папена.

Паровой насос в Летнем саду

Но вот, пока Папен увлекался идеей использования атмосферного давления и производил в самом цилиндре машины парообразование и конденсацию, другие инженеры решили использовать забытое Папеном его же собственное изобретение – паровой котел.

Английский горный инженер Томас Сэвери предложил откачивать шахтные воды паровым насосом любопытной конструкции. Паровой котел всё время подогревался огнем, – отводить и подводить огонь оказалось ненужным. У котла была устроена топка, в которой огонь мог гореть всё время. Полученный в паровом котле пар подавался в насосный резервуар, из которого своим давлением он вытеснял воду в нагнетательную трубу и дальше в сток. После того, как вода из резервуара оказывалась вытесненной, закрывался кран паропровода и на короткое время открывался кран водоподводящей трубки, через который в резервуар попадала холодная вода, отчего пар быстро конденсировался. В резервуаре образовывалось разрежение, то есть почти пустота, и вода, выдавливаемая атмосферным давлением из шахты по трубке, устремлялась в резервуар.

Затем цикл повторялся.

Чтобы пар не мог гнать воду обратно в шахту, а поднимал бы ее наверх, был поставлен невозвратный клапан, который сам открывался только в одну сторону – при движении воды из шахты в резервуар. Такой же невозвратный клапан мешал слиться воде из нагнетательной трубки.

Паровой насос Сэвери – Дезагюлье (схема).

В том виде, как он был только что описан, насос Сэвери представлял собой уже несколько усовершенствованную французским физиком Дезагюлье конструкцию. Эта машина могла быть использована и на шахтах.

Паровой насос Сэвери – Дезагюлье для нас интересен еще и тем, что это была первая машина, использующая силу пара, появившаяся в России. Такой насос в 1717 году, по указанию Петра I, был установлен в Петербурге.

Петр I предполагал использовать насос Сэвери – Дезагюлье для крупных водоотливных работ при строительстве каналов в Петербурге. Насос оказался маломощным, и тогда Пётр I приказал его поставить в Летнем саду для накачивания воды в бак, откуда она подавалась к фонтанам. Еще два таких насоса были поставлены потом купцом Трусовым в своих банях на Фонтанке.

Малая производительность насоса Сэвери, разочаровавшая Петра I, была причиной поисков новых решений той же задачи.

Вслед за Сэвери и Папен предложил похожую конструкцию насоса, вернувшись сам к идее отделения парового котла. Но насос Папена был еще менее удачен, чем насос Сэвери. Главный недостаток таких машин, если не считать малой мощности и низкого коэффициента полезного действия, заключался в однократности действия, – нельзя было получить непрерывно работающий двигатель. И Папен и Сэвери для того, чтобы сделать универсальными свои машины, предложили комбинировать их с водяным колесом. Это значит, что паровой насос должен был откачивать воду из нижнего бака в верхний, а оттуда вода должна была сливаться на водяное колесо и вновь попадать в нижний бак. Водяное колесо, непрерывно вращаясь, приводило бы в непрерывное движение любые механизмы.

Несмотря на громоздкость и неэкономичность такой установки, она всё же применялась, – так остро ощущалась нужда в универсальном двигателе, не зависящем от места установки.

Машина кузнечных дел мастера Ньюкомена

Тем временем еще один английский изобретатель – кузнечных дел мастер Томас Ньюкомен, – познакомившись с первой машиной Папена и зная устройство насоса Сэвери, решил построить свою машину. При этом Ньюкомен взял за основу первую конструкцию Папена и, используя тот же – атмосферный – принцип, отделил, однако, паровой котел от цилиндра так, как сделал Сэвери.

Как же стала работать машина Ньюкомена, установленная им впервые на каменноугольной шахте в 1711 году?

В паровом котле всё время вырабатывался пар. В определенный момент открывался кран и пар под некоторым давлением впускался в цилиндр. Пар, попав в цилиндр, начинал толкать поршень вверх, отчего ослабевала цепь балансира (качающегося рычага), и под действием груза левое плечо балансира опускалось. Связанная с грузом и балансирной цепью штанга водяного насоса уходила вниз. Пар заполнял всю полость цилиндра. Затем вручную открывался кран водоподводящей трубки и из бачка в цилиндр устремлялась порция холодной воды. Как и в насосе Сэвери – Дезагюлье, холодная вода конденсировала пар и в цилиндре создавалось разрежение. Тогда, под действием давления наружного воздуха, поршень опускался и тянул за собой цепь балансира. Балансир поворачивался вправо, поднимая штангу водяного насоса.

Такой машиной можно было уже откачивать воду из шахт и производить некоторые другие работы, не требующие непрерывного рабочего движения.

Появилось много «атмосферных» машин. Они были громоздки, неудобны, но выполняли большую работу. Машины понемногу улучшались.

Пароатмосферная машина Ньюкомена (схема).

В истории совершенствования машины Ньюкомена известна любопытная деталь. Знакомясь с устройством машины, вы могли отметить очень неприятное обстоятельство: чтобы машина непрерывно работала, надо непрерывно открывать и закрывать то водовпускной, то паровпускной краны. Такая обязанность обычно вменялась мальчикам-рабочим. Это были такие же мальчики, которые у Некрасова, помните, говорят:

 
«Только нам гулять не довелося
По полям, по нивам золотым.
Целый день на фабриках колеса
Мы вертим – вертим – вертим!»
 

В погоне за дешевой рабочей силой капиталисты нанимали малолетних рабочих, поручая им обычно несложную, но утомительную и одуряющую работу. Такой работой было открывание – закрывание краников. Сотни мальчиков выстаивали долгий рабочий день, мирясь со своей участью и думая только об избавительном гудке, прекращающем их мучения.

И вот среди них нашелся один сообразительный, умный паренек – Гумфри Потер, которому казалось нелепым простаивать весь день, поворачивая краны. Пытливо присматриваясь к работе машины, изучая ее устройство, он вдруг обнаружил, что вместо него ту же несложную работу можно поручить механизму. Механизм этот будет приводиться в действие самой машиной. Таким образом, машина сама себя сможет обслуживать. Гумфри много думал над устройством такого механизма. Не умея чертить, он его просто смастерил сам и однажды приспособил к машине. Машина пошла. Вскоре более опытные мастера этот механизм усовершенствовали, но он так и остался в технике носящим имя мальчика-изобретателя – «механизм Потера».

Первая машина Ньюкомена, появившаяся в России, была установлена в Кронштадте для обслуживания военного порта. Пущена в ход она была в 1777 году и работала удовлетворительно. Она развивала большую по тому времени мощность – 77 лошадиных сил и делала 10—И двойных ходов в минуту. Но размеры машины были очень велики, – она требовала для себя здание высотой в 18 метров (примерно четырехэтажный дом).

«Атмосферная» машина, хоть и применялась более полувека для различных, главным образом водоотливных, работ, но не могла всё же стать тем «универсальным» двигателем, в котором нуждалась промышленность. И это потому, что она не могла так же, как, скажем, водяное колесо, непрерывно вращать любую рабочую машину.

Солдатский сын Иван Ползунов

Поиски универсального теплового двигателя продолжались. И честь изобретения такого двигателя – паровой машины непрерывного действия – принадлежит выдающемуся русскому изобретателю XVIII века – Ивану Ивановичу Ползунову.

Будущий изобретатель паровой машины непрерывного действия Иван Иванович Ползунов родился в 1728 году в семье солдата 2-й Екатеринбургской роты. Трудно было отцу на 10 рублей годового солдатского жалования содержать семью, но, заметив особую тягу сына к учебе, отец определил его в так называемую «словесную» школу.

Придавая большое значение уральской горнозаводской промышленности, для управления ею Петр I в 1720 году учредил на Урале Горную канцелярию. Первым начальником этой канцелярии был один из питомцев Петра I – Василий Никитич Татищев. Будучи человеком умным, он хорошо понимал, что развивать промышленность без технически подготовленных кадров нельзя. И Татищев издал распоряжение об открытии на Урале специальной «арифметической» школы. В этой школе изучали математику, химию, горное дело, лесное дело, учет, строительство плотин, механику и другие технические предметы. В «арифметическую» школу принимали наиболее способных юношей, хорошо оканчивавших обычные – «словесные» – школы. В «словесных» школах учились ребята от 7 до 18 лет, в «арифметической» школе возраст учеников уже был от 14 до 21 года.

Ваня Ползунов в 10 лет успешно сдал все экзамены за «словесную» школу и, как наиболее способный, несмотря на свой возраст, был переведен в «арифметическую» школу.

Трудно было учиться Ване в «арифметической» школе. Занятия здесь шли круглый год, по 7–8 часов в день. Кроме классных уроков, в школе проводилось практическое обучение в мастерских. Не уроки были для Вани трудны, – он любил учебу. Трудной была жизнь в семье. Ему хотелось скорее зарабатывать деньги, помогать отцу и матери. Правда, в «арифметической» школе платили жалование – целых 33 ¼ копейки в месяц. Но на эти деньги Ваня не мог и себя-то прокормить, а не то, чтобы помогать семье…

И тем не менее, несмотря на нужду, Ваня продолжал упорно и прилежно учиться.

О способном ученике «арифметической» школы прослышал механик Горной канцелярии Никита Бахарев. Широки и ответственны были обязанности механика Горной канцелярии, – в его ведении находились все сибирские и уральские рудники и казенные заводы. Механик руководил постройкой на рудниках водоподъемных и рудоподъемных машин, пильных мельниц, специальных цехов и других сооружений. Никита Бахарев, чтобы успешнее справляться со своими многообразными обязанностями, подбирал себе наиболее способных для обучения механике и машинному делу учеников, которые были и первыми его помощниками. Так в 1742 году пал выбор и на Ивана Ползунова, который из учеников «арифметической» школы был переведен к Бахареву – в «механические ученики». С 14 лет началась производственная деятельность будущего изобретателя.

Шесть лет Иван Ползунов под руководством опытного инженера-механика Бахарева изучал заводские сооружения и принимал участие в их строительстве. Когда Ползунову исполнилось 20 лет, за проявленные способности в практической деятельности он был выдвинут на более ответственную техническую должность. Ему было назначено жалование – 24 рубля в год. На новую должность Ползунов должен был переехать из Екатеринбурга в Барнаул, на Алтае.

Барнаульский завод, куда прибыл Ползунов, занимался выплавкой серебра. Кроме того, на Алтае был еще один такой же завод – Колыванский. Оба завода снабжались серебряной рудой, добывавшейся на двадцати алтайских рудниках, главнейшим из которых был Змеиногорский рудник. Заводы и рудники принадлежали казне – императорскому двору.

Способного и энергичного работника администрация старалась использовать там, где нужно было быстро принять какие-либо меры – построить новую машину, перестроить рудный амбар, организовать перевоз руды через реку.

Так, на Змеиногорском руднике Ползунов руководил постройкой пильной мельницы – весьма сложного для того времени сооружения.

Занимаясь самыми разнообразными делами, Ползунов продолжал самостоятельно изучать науки – теорию горного дела, теорию механизмов и машин. Но, изучая теорию, Ползунов оставался недоволен тем, что практически он не может пройти шаг за шагом, последовательно, через все стадии горного и сереброплавильного производства.

Знакомясь с жизнью этого замечательного человека, невольно поражаешься его целеустремленности, его желанию исполнить свою мечту – внести свой вклад в развитие русской техники.

Несмотря на тяжелые материальные условия жизни – к тому времени у Ползунова уже была своя семья и вместе с ним жила его мать, – он находил время и силы изучать книги и требовать от администрации, чтобы его допустили к освоению всей производственной науки. В своем прошении он писал: «К тому же и молодость моих лет без науки втуне пропадает» – и далее, в другом месте, говоря о своем желании пройти через все стадии производства, он заключает: «Через что бы я мог тому искусству (свободнее, да и бесстрастно напредки приступить) самым делом (или практикой) насмотреться, а не так, как ныне, только из одного теоретического рассуждения навыкаю».

В наши дни, когда советская власть открыла народу широкие дороги в науку, становится трудно представить себе тот поистине героический подвиг, который должен был совершить солдатский сын Иван Ползунов, чтобы стать по знаниям на уровень инженеров своего времени. И этот подвиг был совершен.

В январе 1758 года Ползунову поручили сопровождать обоз серебра в Петербург. Уже зрелым мастером, подготовившим себя теоретически и практически, тридцатилетний Ползунов прибыл в столицу. Здесь находилась Академия наук, где творил великий Ломоносов, здесь было много интересных и новых технических сооружений.

По возвращении из Петербурга Ползунов вскоре получил чин «шихтмейстера» – что означало уже переход из разряда нижних чинов в разряд «благородного» сословия, а в 1761 году шихтмейстер Ползунов был назначен заместителем начальника Колыванского завода.

Так пробил себе дорогу «в люди» своим трудолюбием и способностями талантливый сын русского народа Иван Ползунов.

Не счастливая мысль, поданная кипящим чайником, не легкая техническая находка, а длительный и упорный труд, систематическое совершенствование своих знаний привели первого русского теплотехника Ползунова к изобретению нового, универсального двигателя – непрерывно действующей паровой машины.