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

Автор книги: Марк Левин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 16 страниц)

«Облегчая труд по нас грядущим…»

Прежде чем познакомиться с паровой машиной Ползунова, подведем итоги тому, что было сделано раньше другими изобретателями.

Работами Папена, Сэвери, Дезагюлье, Ньюкомена и еще многих инженеров, как нам уже известно, удалось создать тепловую «атмосферную» машину, причем стало совершенно очевидным, что:

1) не вытеснительные насосы Сэвери – Дезагюлье, а машины с цилиндром и поршнем оказываются практически наиболее удобными и мощными;

2) паровой котел должен быть отделен от рабочего цилиндра машины.

Однако на построенных и работающих машинах можно было убедиться в несовершенстве «атмосферных» двигателей и прежде всего потому, что такие двигатели не могли приводить в действие машины, которые требовали непрерывного движения рабочего органа. «Атмосферная» машина могла сообщать качание штанге насоса, но вращать вал мельничного жернова она не могла. Между рабочими ходами поршня вниз (под действием атмосферного давления и собственного веса) происходили холостые хода вверх (под действием пара). Поэтому и получался перерыв: даст толчок машина штанге насоса или сделает нажим на кузнечный мех – и прервет свое действие на время холостого хода.

Жернова же или другие машины (станки, например) не могут работать толчками, – им нужно, чтобы всё время сила двигателя заставляла вращаться рабочий вал.

Вот этот основной недостаток и мешал атмосферной паровой машине стать универсальным двигателем, в котором нуждалась промышленность.

В апреле 1763 года Иван Ползунов подал начальнику Колывано-Воскресенских заводов свою докладную записку с проектом «огнедействующей» машины – так он называл свое изобретение.

Работая над созданием нового двигателя, Ползунов меньше всего думал о личном обогащении. Он прежде всего стремился облегчить труд рабочих, принести славу не столько себе, сколько своему Отечеству. В докладной записке он писал: «…Славы (если силы допустят) Отечеству достигнуть, и чтобы то во всенародную пользу… ввести. И тем самым облегчая труд по нас грядущим, славу и благодарность дойтить».

Проект Ползунова был разработан тщательно, с выполнением всех необходимых расчетов. В те времена не все машины строились по расчету. Многие изобретатели – например, тот же Ньюкомен – первые машины изготовляли, пользуясь только своим опытом, подчас даже без чертежа. Ползунов был по техническим знаниям значительно выше таких изобретателей, – он заранее всё продумал и рассчитал, изложив всё это на бумаге.

Посмотрим же, как решил задачу создания универсального теплового двигателя Ползунов. А то, что он именно такую задачу и ставил перед собой, видно из той же докладной записки.

Он писал, что следует «…сложением огненной машины водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничтожить, а вместо плотин за движимое основание завода ее учредить так, чтобы она была в состоянии… по воле нашей, что будет потребно, исправлять», то есть новый тепловой двигатель должен сделать промышленность независимой от рек; все нужды завода в двигательной силе можно будет удовлетворить «огненной машиной».

Таким образом, Ползунов с самого начала правильно понял задачу техники своего времени и, разрабатывая проект двигателя, стремился обеспечить универсальность его применения.

Что же предложил Ползунов?

Посмотрим, как бы выглядела машина Ползунова, изготовленная по первому его проекту.

Так выглядела бы паровая машина Ползунова, изготовленная по первому проекту.

Ползунов, как мы видим, конечно, отделил котел от цилиндра. Но пар из котла поступает не в один цилиндр, как в машине Ньюкомена, а по очереди в два цилиндра: то в правый, то в левый. Пока в одном цилиндре паром поршень поднимается, в другом цилиндре пар конденсируется и поршень опускается.

«Ну и что же? – скажете вы. – В машине Ньюкомена так же работает поршень; может быть, здесь просто сдвоенная машина Ньюкомена?»

Но тогда посмотрим, как от поршней передается усилие на рабочий вал машины, который изображен сверху. На этом валу сидит колесо с широким ободом (шкив). Шкив обернут цепью, оба конца которой соединены с обоими поршнями. Когда левый поршень пойдет вниз, – за ним потянется левый конец цепи и шкив повернется влево. Правый же конец цепи при этом поднимется, так как поршень держать его не будет, потому что в это время в правый цилиндр подается пар и, следовательно, поршень сам идет вверх.

Потом всё то же самое повторится в обратном направлении – шкив повернется вправо. И так попеременно – то вправо, то влево – будет качаться шкив. Вместе со шкивом будет вправо и влево качаться вал, а от вала это движение можно передать цепью на другой шкив и на другой вал. От этого другого вала можно по очереди качать то правый, то левый воздуходувный мех.

Вот и выходит, что машина обеспечивает непрерывную работу вала… Правда, пока еще нет непрерывного вращения, которое нужно, скажем, мельнице, но есть непрерывное качание, которое нужно воздуходувным мехам, насосам и другим подобным механизмам.

И снова у вас, наверно, возникает желание сравнить машину Ползунова с двумя машинами Ньюкомена. «А ведь можно же качать каждый мех в отдельности двумя одноцилиндровыми атмосферными машинами?» – думаете, очевидно, вы.

Можно, но Ползунов не виноват в том, что в его время на Барнаульском заводе основные механизмы (90 %) требовали качательных движений; вот почему свою машину непрерывного действия он тоже приспособил для качания. Дело не в том, как движется рабочий вал, а в том, что он имеет только рабочие движения, которые непрерывно следуют одно за другим. А вращательное движение, если бы в этом была необходимость, Ползунов мог бы получить путем несложных приспособлений, которыми уже пользовались при обратном превращении, когда хотели вращение водяного колеса перевести в качание. О таких механизмах Ползунов, конечно, знал.

Здесь показан принцип действия цилиндров паровой машины непрерывного действия, предложенной Ползуновым.

На первый взгляд, работа цилиндров Ползунова похожа на работу цилиндра атмосферной машины, но, если вдуматься, – здесь разница огромная.

В атмосферной машине рабочий ход происходит за счет давления окружающего воздуха. А как происходит рабочий ход в машине Ползунова?

Допустим, что поршни представляют собой две чаши весов. Если мы создадим разрежение под обоими поршнями сразу, – пойдет ли хоть один поршень вниз под давлением воздуха? Нет, не пойдет. Нам надо один из поршней поднимать паром, – тогда другой будет опускаться. Значит, здесь рабочий ход невозможен, если не будет в противоположном цилиндре работать пар. Вот и выходит, что, при условии соединения тяг от поршней на общий вал, цилиндры уже перестают быть независимыми, усилия цилиндров складываются на этом общем вале и машина, состоящая из таких попеременно работающих и связанных цилиндров, является паровой машиной непрерывного действия.

И, стало быть, честь изобретения паровой универсальной машины принадлежит барнаульскому горному мастеру Ивану Ползунову.

Подав свою докладную записку с первым проектом машины, Ползунов долго ждал решения начальства. Лишь через девять месяцев Ползунову позволили приступить к постройке машины. И Ползунов приступил. Правда, машина, которую начал строить Ползунов, отличалась от той, что была им предложена в первом проекте. Точно не установлено, под влиянием каких обстоятельств, но Ползунову пришлось переделать проект, упростить конструкцию машины и, что самое главное, отказаться от общего вала со шкивом. Машина, которую начал строить Ползунов, имела балансиры и являлась, в сущности, двухцилиндровой атмосферной машиной. Однако постройка даже этой упрощенной машины шла не легко.

Трудно было в то время строить в России первую паровую машину, – машиностроительных заводов не было и всё приходилось делать кое-как, почти вручную. Ползунов дни и ночи отдавал своей работе, не жалея сил и здоровья. И столь напряженный труд оказался непосильным для него, – весной 1766 года он тяжело заболел и вскоре умер, не дожив всего одной недели до пробного пуска своей машины.

Огненная машина Ползунова пошла!

Машину испытали, она проработала в течение 43 суток, дала большую экономию заводу и вышла из строя из-за течи в котле, который был сделан только для пробы – не из чугуна, как полагалось, а из меди.

Вместо того, чтобы дальше усовершенствовать машину, вернуться вновь к первому проекту Ползунова, позаботиться о нужных материалах и заказать из них более надежные устройства, машину остановили и забросили. Правящая государственная верхушка, преклонявшаяся перед всем чужеземным, не хотела проявить заботу о дальнейшей судьбе величайшего русского изобретения.

Потом о Ползунове и совсем забыли, а машину его растащили по деталям…

Такова блестящая страница, которую вписал в историю техники выдающийся русский изобретатель Иван Ползунов, и такова печальная судьба самого изобретателя и его изобретения, – столь характерная для царской России.

Механик Джемс Уатт

Впервые построить универсальную паровую машину через 20 лет после проекта Ползунова выпало на долю английского механика Джемса Уатта.

Джемс Уатт много сделал для дальнейшего развития парового двигателя, и имя его оказалось прославленным на весь мир. Судьба английского механика, жившего в стране быстро развивающейся капиталистической промышленности, оказалась счастливее судьбы Ползунова, трудившегося в одиночку в стране крепостничества и царского гнета.

Джемс Уатт (1736–1819 гг.) был сыном корабельного мастера. В школе учился неровно, – часто болел, пропускал занятия. Восемнадцати лет он поступил работать механиком в мастерские при Глазговском университете, где его дядя был профессором. Не проходя университетского курса, но будучи от природы любознательным и способным, общаясь со студентами и профессорами, читая много книг, молодой механик быстро развивался. Со временем Уатт стал весьма образованным человеком: он владел несколькими иностранными языками, накопил много знаний в области естественных наук, философии.

Однажды – это было в 1763 году – Джемс Уатт получил задание, весьма заинтересовавшее его. В университете имелась модель машины Ньюкомена. Модель в несколько раз была меньше самой машины; на ней полагалось объяснять студентам работу и устройство настоящего двигателя. Однако, когда разводили огонь и пытались пустить пар из маленького котла в цилиндр, оказывалось, что пара не хватает для того, чтобы модель работала с нужным числом ходов поршня. Исправить модель поручили Уатту. Дефект был устранен, но еще долго возился Уатт с моделью. На ней ему очень хорошо стали заметны недостатки пароатмосферных машин.

Первое, к чему пришел Уатт после двухлетних опытов, – это к необходимости производить конденсацию пара вне цилиндра.

Действительно, цилиндр то нагревался впускаемым паром, то охлаждался впускаемой водой. Значит, каждая свежая порция пара отдавала часть тепла на прогрев цилиндра, – расходовалось лишнее топливо. Уатт предложил, для того чтобы всегда цилиндр оставался горячим, отработавший пар выпускать в специальный конденсатор, который всё время охлаждался водой с низкой температурой.

Так была создана первая паровая машина Уатта, которую он сам назвал «усовершенствованной машиной Ньюкомена». Получающаяся в такой машине экономия топлива заинтересовала предпринимателей, и вскоре была образована компания «Уатт и Болтон», которая стала выпускать новые машины и с успехом их продавать.

Другие заводы такой двигатель строить не могли, так как Уатт взял патент, то есть получил исключительное право распоряжаться своим изобретением.

Таким образом, уже с первых шагов Уатт имел деньги, чтобы продолжать свои работы.

В отличие от Ползунова, который вынужден был делать котел из медных листов, так как на чугунный не хватало денег, да и негде было его отлить, Уатт имел в своем распоряжении целый завод и вполне достаточно средств.

Продолжая дальше совершенствовать машину Ньюкомена, Уатт пришел к мысли, которая и привела его к созданию паровой машины непрерывного действия. Он решил попробовать подавать пар по очереди – то снизу поршня, то сверху – и тем самым сделать оба хода поршня рабочими без всякой помощи атмосферного давления. И, поскольку заказчики требовали непрерывного вращательного движения (в Англии к тому времени уже стали широко распространяться вращательные машины-станки), Уатту пришлось сделать то, чего не сделал, но что так же легко мог сделать Ползунов, – превратить качательное движение балансира во вращательное движение рабочего вала.

Так, в 1782 году, то есть спустя 19 лет после Ползунова, была создана паровая машина двойного действия Уатта, которая осуществила непрерывное рабочее движение и которая была первым универсальным тепловым двигателем, построенным в металле.

Схема первой паровой машины непрерывного движения, построенной Уаттом.

В чем же сходство и в чем отличие между машинами Ползунова и Уатта?

С работой машины Ползунова мы уже знакомы, познакомимся с работой машины Уатта.

Цилиндр здесь один, но двойного действия. Пар по очереди попадает как бы в два цилиндра: то в верхний, то в нижний – и гонит общий поршень то вниз, то вверх. Когда поршень идет вниз, то своим штоком он тянет за собой и правый конец балансира. При движении штока вверх – вверх пойдет и балансир. Холостого хода нет – балансир и рабочий вал совершают только рабочие качания.

«Но, позвольте, – скажете вы, – ведь и в проекте Ползу-нова рабочий вал совершал такие же рабочие качания…»

Совершенно верно. Разница лишь в том, что Ползунов поставил два цилиндра рядом и имел два отдельных поршня, передающих по очереди толчки валу, а Уатт использовал две полости одного цилиндра с одним поршнем. А эффект непрерывного рабочего движения в обоих случаях одинаков.

Но, как уже было сказано, Уатту надо было создать непрерывное рабочее вращение. Этого он достиг, соединив второй, левый, конец балансира с длинной тягой, которая называется шатуном. Соединение это было сделано не намертво, а с помощью шарнира. Шатун сверху был связан шарнирно с балансиром, а снизу он так же шарнирно соединялся с кривошипом.

Кривошип – это деталь, которая в виде шипа отходит от вала. С валом кривошип связан жестко. Если взяться за кривошип и повернуть, то поворачивается и весь вал. Например, ручка, которой вращают ворот колодца, есть не что иное, как кривошип.

Следовательно, когда левое плечо балансира шло вниз, шатун толкал вниз и кривошип, а вал делал пол-оборота. Когда же балансир с шатуном шли вверх, за ними двигался и кривошип, проворачивая вал еще на пол-оборота. Так и осуществлялось непрерывное вращение вала.

Благодаря шарнирам балансир, шатун и кривошип могли связанно двигаться, не мешая друг другу. Шатун при этом совершал качания (шатания), а кривошип – вращение.

Так Уатт, использовав уже давно известный кривошипно-шатунный механизм, превратил непрерывное рабочее качательное движение в непрерывное вращение. На рабочий вал Уатт посадил тяжелое колесо – маховик, которое ему было необходимо, чтобы вал машины мог легче переходить через те положения, когда балансир и шатун меняли направление своего движения. Маховик, раскрутившись, благодаря своей большой массе, заставлял вал вращаться всё время в одном направлении.

Иначе могло случиться, что шатун, например, повернул бы кривошип сверху вниз против часовой стрелки. Значит, и снизу вверх кривошип должен идти против часовой стрелки, тогда вал сделает полный оборот. А вдруг, дойдя до самой нижней точки, кривошип на шарнире потянется за шатуном по часовой стрелке? Тогда вал не повернется, а будет качаться по полоборота то влево, то вправо. Эти точки, в которых шатун меняет свое направление, называются мертвыми точками. Таких точек по вращению кривошипа две – верхняя и нижняя.

Маховик и помогает, преодолевая мертвые точки, валу вращаться всё время в одном направлении и без рывков – равномерно.

Свою машину двойного действия Уатт снабдил, еще одним устройством – регулятором подачи пара. Этот регулятор в виде двух грузиков вращался от вала машины. Если обороты машины возрастали выше тех, которые были необходимы, – грузики расходились от увеличенной центробежной силы и тянули за собой тягу. Тяга поворачивала немного паровпускной кран, и поступление пара в цилиндры уменьшалось, усилия поршней становились меньше, и обороты снижались.

Итак, что же нового дал Уатт по сравнению с Ползуновым? Уатт ввел конденсатор, изобрел способ двойного действия и превратил непрерывное качательное рабочее движение в непрерывное вращение, создал центробежный регулятор подачи пара.

Уатт прожил 83 года. За свою большую жизнь он много еще поработал над дальнейшим улучшением паровой машины, а главное, вместе со своим компаньоном сделал всё, чтобы внедрить машину как можно шире. Паровой универсальный двигатель стал появляться во всех частях света.

Прошло много лет. Патенты Уатта кончились, – паровую машину стали строить и другие заводы. Всё больше и больше улучшений вносили инженеры всех стран в универсальный тепловой двигатель – паровую машину.

Со временем паровые машины стали выпускать горизонтальными, без балансиров, – поршень связывался прямо с кривошипно-шатунным механизмом. Вместо паровпускных и паровыпускных кранов и клапанов, стали применять более удобное устройство, распределяющее пар по цилиндрам, – золотник.

Горизонтальная паровая машина двойного действия Уатта.

Горизонтальная машина двойного действия не имеет балансира. Цилиндр здесь расположен горизонтально, и пар попадает в ту или другую его полость по каналам, открывающимся или закрывающимся плоским ползунком, который и носит название «золотника». В таком виде паровую машину описывает в учебниках физики.

Девятнадцатый век был веком дальнейшего развития паровой техники. Много паровых машин появилось и в России. Так, в 1894 году в Европейской части страны действовало 7 707 паровых машин, дававших общую мощность в 227 853 лошадиных силы. На Кавказе было установлено 574 машины на 5 928 лошадиных сил и в Сибири – 53 машины на 1 100 лошадиных сил. Поршневая паровая машина как универсальный двигатель обеспечила рост крупной промышленности. Но, по мере распространения теплового двигателя, к нему стали предъявлять всё новые и новые требования. Паровая машина совершенствовалась.

Забытая книга Сади Карно

Думал ли парижский книгоиздатель Башелье, отпечатав в 1824 году и выставив в витрине своего магазина тоненькую книжку, что ей суждено положить начало новой науке?

Правда, автор этой книжки, молодой человек в мундире военного инженера, носил известную всей Франции фамилию Карно. Многие видные инженеры и ученые давали о нем самые лестные отзывы, уверяя, что он, Сади Карно, достойный сын своего знаменитого отца – Лазаря Карно.

Ну, а кто не помнил Лазаря Карно? Член конвента, страстный республиканец, военный министр республики, а затем один из ее Директоров – он не мог смириться с вероломством генерала Бонапарта, не мог простить ему измену Республике и, несмотря на уговоры нового императора, отошел от политической жизни. Но Лазарь Карно был известен не только как общественный деятель, – его знали как крупнейшего ученого Франции. Ему принадлежали очень важные научные труды по математике и механике, частично созданные в разгар политической борьбы… Были известны увлечения Лазаря Карно и философией, и поэзией… Передавали, что младшего сына, родившегося в 1796 году, он назвал именем Сади в честь своего любимого персидского поэта XIII века – Саади. Известно, наконец, что Лазарь Карно сам подготовлял своего сына к поступлению в Парижскую политехническую школу, которую Сади окончил восемнадцати лет, поступив далее на службу военного инженера. И тем не менее, следует ли много ожидать от двадцативосьмилетнего инженера? «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способны развивать эту силу» – так назвал автор свою брошюру.

Книгоиздатель не рассчитывал на ее успех. Она была издана небольшим тиражом. Читалась она, правда, легко, но, именно поэтому, можно ли ее считать серьезным научным трудом, – ведь в ней не содержалось ни одного сколько-нибудь сложного математического вывода?

И, видимо, не только книгоиздатель, – ученые и инженеры тоже сочли появление брошюры Сади Карно рядовым, даже заурядным явлением. Правда, в книге высказывались оригинальные, свежие мысли, но ведь это только «размышления». Молодому человеку еще следует потрудиться, накопить побольше опыта и облечь свои мысли в форму строгого математического анализа.

Так, появившись на свет, небольшая книжка Сади Карно была вскоре всеми забыта. Автор продолжал накапливать материал. Следуя совету старших ученых, он собирался издать другой, более обширный, труд. Но в 1832 году, полный энергии и творческих сил, Сади Карно скончался, заразившись тяжелой болезнью – холерой.

Все бумаги заразного больного были сожжены, кроме отрывочных записей, сохраненных его братом.

Спустя два года другой французский ученый, Клапейрон, выступил с научным трудом, где он напомнил о тех замечательных мыслях, которые впервые изложил в своей книге Сади Карно. Дополнив эти мысли строго научным математическим исследованием, Клапейрон показал, что правильно строить тепловые двигатели можно, лишь изучив законы, которым подчиняется процесс превращения тепла в механическую энергию. Но и после Клапейрона новая наука еще не получила практического применения.

Лишь спустя два десятилетия, когда появились, кроме паровой машины, и другие тепловые двигатели, вновь вспомнили о книгах Карно и Клапейрона. Многие ученые стали дальше развивать новую науку, получившую название «термодинамика» (движение тепла), но «отцом» этой науки по праву считался и считается до наших дней двадцативосьмилетний инженер-ученый Сади Карно.