Текст книги "Джемс Уатт"

Автор книги: Михаил Лесников

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 14 страниц)

Схема параллелограма Уатта.

В общих чертах эта комбинация возникла у Уатта, может быть, уже в конце 1783 года. Через несколько месяцев она выкристаллизовалась совершенно отчетливо.

«Я, кажется, убил нового зайца, «меня осенила идея о новом способе придать штоку поршня перпендикулярное движение вверх и вниз, прикрепив его только к куску железа на балансире без всяких цепей или препендикулярно направляющих, без всякого трения, без дуг на коромысле и всяких прочих неуклюжих вещей, и это приспособление полностью соответствует всем ожиданиям… Оно годится и для двойных машин и для простых. Я пока попробовал его только на небольшой модели, поэтому не могу сделать окончательных выводов, но я думаю, что весьма вероятно, что эта вещь удастся. Это одно из самых остроумных простых механических приспособлений, которые я когда-либо придумал, но я прошу вас ничего об этом не говорить, пока я не подам спецификацию».

Вскоре он сделал большую модель «этой замены зубчатки и сектора, которая, как мне кажется, оправдывает все ожидания. Шток поршня идет вверх и вниз совершенно в перпендикулярном направлении».

Это был так называемый неполный параллелограм,или, как Уатт называл его впоследствии, трехрычажное движение. Немного времени спустя, осенью 1784 года, в Сохо испытывали уже машину для маслобойни Котса – первую, снабженную этим остроумнейшим механизмом.

«Новое центральное перпендикулярное движение полностью оправдывает все наши ожидания. Оно не производит даже и намека на шум», – писал Уатт Болтону.

Это было в октябре, а в ноябре он уже наносил на чертеж машины, заказанной лондонским пивоваром Уайтбрэдом, дальнейшее усовершенствование этого трехрычажного движения, так называемого «параллельного движения». Механизм этот теперь известен под названием «параллелограм Уатта». Действие его следующее (см. чертеж).

Продолжим мысленно рычаг ОАдо точки Gи построим параллелограм OGHJ,причем OJи GHпараллельны AB.Проведем диагональ ОН.Она пройдет через точку С.

Если двигать точку С по прямой уу,а это, как мы знаем, вполне возможно, то вся система придет в движение, и точка Нпойдет при этом тоже по прямой ххи параллельной уу,и все вообще точки пересечения диагонали с линиями, параллельными AB,например точка Fна DEили на КМ,будут двигаться по прямым, параллельным уу.

Если принять, что OGплечо балансира машины и к нему подвешен параллелограмм (из металлических стержней на шарнирах) AGHB, то в точках Си Hможно подвесить концы штоков поршней, и они при качании балансира будут двигаться по прямым параллельным линиям.

Уатт считал этот механизм своим самым остроумным изобретением. Задача соединения балансира с штоком поршня была блестяще разрешена.

Другую, довольно сложную задачу в машине Двойного действия представляло устройство парораспределения. В своих прежних машинах он применял клапанноепарораспределение. В машине двойного действия Уатт устроил две распределительные камеры (прототип будущих золотниковых коробок), по одной у верхнего и нижнего конца цилиндра. Каждая камера имела сообщение с котлом, цилиндром и конденсатором. Открывая соответствующие отверстия (окна), можно было выпускать пар из котла в ту или иную часть цилиндра (над или под поршень) или выпускать его из цилиндра в конденсатор. Эго достигалось при помощи так называемых тарелочных клапанов, т. е. металлических дисков, поднимавшихся или опускавшихся над соответствующими окнами и частично входивших в них. Клапаны приводились в движение путем довольно сложной системы рычагов, действующих от балансира. (Впоследствии от эксцентрика на коренном валу машины). Одновременно всегда действовали два клапана, например, паровпускной в части цилиндра над поршнем и паровыпускной из нижней части цилиндра под поршнем.

Уатт, но главным образом его сотрудники, в особенности Мэрдок, долгое время работали над упрощением системы. Задача состояла в том, чтобы при помощи одной детали машины иметь возможность впускать пар в часть цилиндра (по одну сторону поршня), одновременно выпуская его из другой части. В бумагах Уатта сохранились чертежи (см. рис.) другой системы парораспределения при помощи двух поршней, надетых на один стержень и плотно прилегающих к стенкам коробки. При том или ином их положении устанавливалось сообщение цилиндра с котлом или конденсатором – в этом случае через коробку, в которой двигались поршни (см. рис.).

Схема парораспределения при помощи поршневого клапана.

Чертеж составлен одним из помощников Уатта в 1783 году (буквы поставлены для пояснения). В и В – поршни, соединенные между собой трубкой С и двигающиеся в трубе D, соединенной с конденсатором Н и трубками Е и F с цилиндром A; G – паропровод; К – шток, служащий для передвижения ВВ.

В изображенном на чертеже положении поршней ВВ пространство трубы D между поршнями В и В, а также нижняя часть цилиндра А под поршнем (не изображенном на рисунке), примыкающая к F, заполнены паром, тогда как в верхней части цилиндра А, над поршнем, сообщающейся через Е и через С с конденсатором Н – состояние разрежения; при подъеме ВВ выше F и E нижняя часть А через F будет сообщаться с H, а верхняя часть через Е и D – с паропроводом.

Эти эскизы относятся к 1783 году.

Однако, эта система «поршневых клапанов», как они названы на чертеже, почему то не привилась. И вплоть до 1800 года Уатт продолжал пользоваться клапанным распределением. Но Мэрдок стал дальше разрабатывать идею «поршневого клапана» и в 1799 году взял патент на так называемый D– образный золотник. Самый золотник, т. е. деталь, закрывающая и открывающая соответствующие окна, представлял собой трубку D-образного сечения, помещенную в золотниковой коробке и передвигающуюся при помощи штока от эксцентрика на валу машины. Средняя часть плоской стороны золотника не примыкала плотно к стенке цилиндра, а опиралась на нее только широкими выступами по краям золотника так, что в некоторых положениях между одной частью цилиндра и золотниковой коробкой, наполненной паром из котла, открывалось сообщение, а в это время пар из другой части цилиндра, по другую сторону поршня, выходил в конденсатор, проходя внутрисамого золотника как по трубопроводу. Золотник, т. е. одна деталь, таким образом, заменял собой четыре клапана с целой системой рычагов. Несмотря на свою простоту, это золотниковое парораспределение привилось не сразу, и машины с ним стоили дороже, нежели с клапанным, так как трудна была обработка сравнительно больших плоскостей, что затрудняло также и ремонт.

Итак, в середине восьмидесятых годов паровая машина сложилась в своих основных элементах как двигатель с вращательным дижением, с конденсатором, с поочередным действием пар» на обе стороны поршня, с параллелограмом, с планетарным движением, которое, по окончании патента Пикара, будет заменено Кривошипом с центробежным регулятором (см. рис.). Такой будет выпускать ее в течение многих десятков лет фирма «Болтон и Уатт», которая вскоре будет сама строить свои машины и изготовлять все детали и долго будет удерживать свое монопольное положение уже не как собственница патента, а как первый по времени, оборудованию, большому техническому опыту машиностроительный завод.

Но в этой машине не могло найти себе применение одно из самых замечательных практических приложений действия пара, открытых Уаттом, потому что оно оказалось в противоречии с техническими возможностями, с которыми приходилось считаться Уатту в своей работе. Это – использование расширения пара.

Если закрыть доступ пара в цилиндр, когда поршень еще не дошел до конца цилиндра, то пар будет продолжать производить давление на поршень, правда, постепенно уменьшающееся, согласно закону Бойля-Мариотта (давление газов обратно пропорционально объему).

Мысль эта пришла в голову Уатту еще в 1769 году, и он о ней писал Смоллу: «Я уже говорил вам о способе удвоить действие пара и притом довольно легко, используя силу пара, устремляющегося в пустоту. Теперь эта сила теряется. Она почти вдвое усилит его действия, но для полного ее использования потребуется слишком большой резервуар. Она особенно применима к паровому колесу и может заменить отсутствие конденсатора там, где применяется только сила пара, так как, если открыть один из клапанов и пустить пар, пока он не заполнит одной четверти пространств между этим клапаном и следующим, и затем закрыть клапан, то пар будет продолжать расширяться и давить на колесо с уменьшенной силой».

Была ли совершенно нова эта мысль? На нее могла натолкнуть Уатта ньюкомэновская машина.

Отсечка пара, т. е. преждевременное закрытие доступа его в цилиндр до того момента, как он совершенно наполнит его, применялась на ньюкомэновских машинах для того, чтобы постепенно остановить поршень и избежать резких толчков, а не ради экономии пара. Но использовать отсечку и дальнейшее расширение пара в машинах Уатта было нельзя, пока они сохраняли старую систему клапанов, применявшуюся на ньюкомэновских машина^. Дело в том, что паровпускной и паровыпускной клапаны были соединены так, что преждевременное закрытие впуска пара слишком рано открывало сообщение с конденсатором. Уатт довольно долго бился над этой проблемой, пока не додумался до системы отдельного закрывания и открывания впускного и выпускного клапанов.

В Сохо построили специальную экспериментальную машину для этой цели. Она была пущена в ход в апреле 1777 года, но уже через несколько месяцев Уатт усумнился в целесообразности расширения пара, зато Болтон очень уцепился за эту идею. Машина работала прескверно. Уатт не довел до конца своих опытов и не добился хороших результатов. Но года через два появился опасный соперник для Уатта в лице Джабеза Горнблоуэра с его двухцилиндровой машиной, в которой пар из одного цилиндра последовательно поступал в другой и действовал расширением. Надо было преградить путь Горнблоуэру.

В своей спецификации к патенту 12 марта 1782 года Уатт подробно изложил принцип использования расширения пара и снабдил ее даже диаграммой, показывающей кривую давления пара, согласно закону Бойля-Мариотта. Но практически он этого принципа так и не применил.

Почему?

Виноватыми, по его словам, оказались рабочие, те невежественные и упорные машинисты, которых никак нельзя было научить рациональному управлению машиной. «Целый ряд усовершенствований, усложняющих машину, нельзя ввести, – жаловался Уатт, – пока эти невежественные и упрямые люди, которым вверяется забота о машине, не станут более развитыми и лучше знакомыми с машиной». Так он писал в 1781 году.

Но то же самое он рассказывал и в старости. «Мы иногда ставили цилиндр вдвое большего размера, нежели требовалось, и отсекали пар на половине хода поршня. Пока за машиной ухаживали монтеры из Сохо, все шло хорошо, но когда к ней приступали местные машинисты, то они, желая ее улучшить, часто давали ей больше пара. Машина работала лучше, но котел не мог давать нужного количества пара, к нам поступали жалобы на недостаток пара и приходилось снова посылать своих монтеров».

Чертеж машины Уатта (1787 г.), установленной на мельнице Альбиона.

А – цилиндр (диаметр 34 дюйма); В – поршень (ход 8 футов); С – шток поршня; Е – наружный цилиндр (кожух); пространство между А и Е заполнено паром (паровая рубашка); J – пароотводная труба; камеры с тарелочными клапанами: С – верхняя паровпускная; Н – верхняя паровыпускная; К – нижняя паровпускная; L – нижняя паровыпускная; G н К соединены паропроводом (не изображен на чертеже); Н н L соед" чены пароотводной трубой; М – конденсатор, погруженный в резервуар с холодной водой; N – инжекционный кран; Р – воздушный насос; Т и V насоом, подающие горячую конденсационную воду в котел; Z – брус, регулирующий движение клапанов; W – центробежный регулятор (m – муфта, q – шары); х и t – рычаги к паровыпускному клапану; 1, 2 – рычаги к тарелочным клапанам; с, d, f – параллелограм; е – регулирующий радиус.

(Точка a на звене f есть точка С на чертеже параллелограма Уатта).

Но дело было не в машинистах, а в физических законах. Закон Бойля-Мариотта, правильный для газа, оказывался совершенно неверным для пара, как показали Уатту его же собственные наблюдения.

«Это рассуждение совершенно ошибочно, – писал оч, – если оно применяется к пару, так как пар охлаждается благодаря расширению, теряет часть своего объема и частично превращается в воду, если не может заимствовать тепла из окружающих его тел».

Действительно, при тех давлениях и при тех температурах пара, которые Уатт применял, расширение пара не могло дать сколько-нибудь значительных выгод. Введение же высокого давления было связано с такой огромной работой, казалось столь мало осуществимым технически, конечные результаты его были столь еще неопределенны, что Уатт не решился вступить на этот путь. Ему было уже довольно и того длинного пути, который он прошел, и тех целей, которых он достиг.

«Пора уже прекратить опыты с новыми изобретениями, – писал он, – и в особенности не следует ничего пробовать, что (упряжено с какой-либо опасностью неудачи или может причинить нам затруднение при исполнении».

В заключение этого обзора главнейших изобретений Уатта нужно сказать два слова об одном изобретении, обыкновенно приписываемом ему, – об индикаторе. Этот прибор, служащий для измерения и записи колебаний давления пара в цилиндре, в современной нам форме не является изобретением Уатта.

Прибор, который Уатт называл индикатором, есть скорее манометр или вакуумметр. Это – трубка, сообщающаяся с цилиндром машины. Внутри ее ходит поршень, шток которого соединен рычажком со спиральной пружиной, оказывающей сопротивление давлению атмосферы на поршень с другой стороны. Свободный, выходящий из трубки конец штока выступает больше или меньше в зависимости от колебаний давления пара и соединен со стрелкой, показывающей на циферблате эти колебания давления пара в тот или иной момент движения поршня цилиндра. Таким образом, нужно было наблюдать одновременно и за стрелкой, и за положением поршня в цилиндре.

Этот прибор был построен около 1790 года. Первая сохранившаяся запись опытов в дневнике относится к 1793 году. Прибор, записывающий колебания давления в виде диаграммы, был сконструирован одним из помощников Уатта, Саутерном, в 1796 году, как это документально можно доказать на основании сохранившейся переписки. Бумагу для записи он помещал на движущуюся дощечку, а не на вращающийся барабан, который был применен лишь в тридцатых годах XIX века.

К концу штока прибора был прикреплен перпендикулярно к нему карандаш, который чертил от движений поршня прямую на листе бумаги. Если лист в это время передвигался в направлении, перпендикулярном этой прямой, и притом в одну сторону, то получалась волнистая кривая, если же движение листа было, как и движение поршня машины, возвратно-поступательное, то получалась замкнутая кривая.

Весной 1786 года к лондонским аттракционам и достопримечательностям прибавилась новая достопримечательность, на некоторое время овладевшая вниманием столицы: начала свою работу первая большая паровая мельница, носившая гордое название «Мельница Альбиона».

Правда, она не была первой паровой мельницей в Англии. Некоторое время до этого изобретательный Уозброу приспособил у себя в Бристоле паровую машину для вращения мельничных жерновов, да и на заводе Сохо была тоже экспериментальная мельничная установка, но кто из лондонцев мог об этом знать, а тут, чуть ли не в самом центре города, у моста «Черных братьев», поднялось изящное здание с высокой трубой, из которой день и ночь валил густой черный дым (приводивший, кстати сказать, в ужас Уатта, задумывавшегося над способами уничтожения дыма), и день и ночь слышалось шипение паровой машины, сначала одной, а потом двух (всего предполагалось поставить три машины, но третью так и не поставили) и шум целых сорока поставов (по двадцати на машину). Проектировал и устанавливал всю механическую часть мельницы молодой шотландский инженер Джорж Ренни, широко применивший впервые в машиностроении чугун и железо вместо дерева. Получал он за труды по одной гинее в неделю.

Паровую машину проектировал Уатт, а хозяином предприятия было товарищество, главными пайщиками которого были Болтон и Уатт.

Индикатор Уатта.

С паровой машиной пришлось повозиться довольно долго. Сгоряча устроили торжественный пуск ее в присутствии многочисленной публики. Через несколько дней, когда машину нагрузили полностью, на шестернях ее «планетарного движения» выломались зубья: Вилькинсон, как на зло, отлил шестерни из отвратительного материала. Еще немного времениспустя послышался подозрительный стук в цилиндре. Оказывается, шток еле держался в поршне, так как совершенно ослабло закрепление. Было еще множество других мелких неполадок. Все они были вызваны не конструкцией машины, а плохим выполнением ее частей.

Болтон целыми днями до поздней ночи находился на мельнице, вызывал Уатта приехать из Бирмингама, но тот не мог: слишком был занят в Сохо.

Когда мельницу пустили в ход, на нее началось настоящее паломничество.

О ней уже много говорили еще задолго до того, как был положен первый камень ее здания и прежде чем завертелся первый ее жернов. Шум подняли мукомолы: применение пара в мукомольном деле, там, где раньше действовали ветер и вода, создаст опасную монополию, утверждали они, общество пострадает от вздувшихся монопольных цен на муку, а они лишатся своих законных доходов.

Напрасно Болтон ратовал за законность технического прогресса и уверял, что если так рассуждать, то можно, пожалуй, дойти и до первобытного растирания зерен вручную между двумя камнями. Мукомолы все же оказались настолько влиятельными, что учредить акционерную компанию, как рассчитывал первоначально Болтон, не удалось, а пришлось организовать простое товарищество.

Зачем было строить мельницу посреди столицы?

На это Болтон мог прямо ответить – ради прибыльности дела. Но он мог бы еще добавить – ради рекламы.

Лондонцы живо интересовались техническими усовершенствованиями. На паровых водокачках Лондона все время толпились посетители. Но насколько же интереснее простой водокачки была паровая мельница! И действительно, на Альбионскую мельницу повалили толпы посетителей. Побывать там считал своим долгом каждый лондонский дэнди и каждая светская дама. Мельница стала одним из мимолетных капризов моды.

Уатта глубоко возмущало это нашествие светских зевак. Он самым настойчивым образом требовал прекращения доступа посторонним: ведь они только мешают работать, а толку от всех этих джентльменов и лэди все равно никакого не будет.

Об этом, впрочем, мог судить только Болтон.

Паровая машина, конечно, найдет широкий сбыт, но надо, чтобы об ней узнали, надо показать ее работу как-нибудь очень ярко и наглядно, надо, чтобы вокруг нее был бы поднят некоторый шум, чтобы об ней заговорили – реклама даст последний толчок колеблющемуся заказчику.

В машинах мельницы Альбиона был, можно сказать, подведен итог всей предыдущей изобретательской и конструктивной работы Уатта, но в них, кроме того, было впервые применено еще одно небольшое, но очень важное усовершенствование – это автоматическая регулировка впуска пара, а следовательно, и равномерности хода машины при помощи так называемого центробежного регулятора. Он давно уже был известен в мукомольной практике для регулирования расстояния между жерновами; Уатт, вероятно, тут же на мельнице подметил этот остроумный механизм и перенес его на свою машину.

Производительность мельницы, особенно после пуска второй машины, была очень велика. Но дело велось настолько безобразно, что, кроме убытков, она ничего не давала.

Центробежный регулятор.

От большей или меньшей быстроты вращения оси АА, получающей движение от вала машины, шары ВВ, подвешенные на шарнирах и вращающиеся вместе с ней вследствие центробежной силы, отходят дальше или ближе от оси АА и тем самым передвигают муфту С, а вместе с ней систему рычагов, действующих на заслонку D в паропроводной трубе. При слишком быстром ходе машины регулятор вращается быстрее, шары расходятся дальше установленного предела и заслонка D поворачивается так, что уменьшается доступ пapa в цилиндр, машина вследствие этого автоматически замедляет ход. При слишком медленном ходе машины шары сближаются и заслонка поворачивается так, что открывает широкий доступ пара в цилиндр, и машина начинает ускорять свой ход.

Не проработав и пяти лет, в 1791 году мельница сгорела. Говорили о поджоге: пожар окружала ликующая толпа, но Ренни считал причиной катастрофы нагрев одной из машин от плохой смазки.

Болтон потерял на этом предприятии 6 тыс. фунтов стерлингов, Уатт 3 тыс. фунтов стерлингов, но мельница Альбиона сделала свое дело, дело громкой рекламы паровой машины, для которой открывалась широкая дорога.

Едва была пущена в ход мельница, как в Сохо стали поступать заказы на машины от самых разнообразных промышленных предприятий.

За первое десятилетие с того момента, как была выпущена на рынок первая паровая машина Уатта – тогда еще только паровой насос, – с 1775 по 1785 гг. было построено 66 машин общей мощностью в 1238 лош. сил. Главным потребителем машин были, как мы видели, медные и оловянные рудники в Корнуэлсе. На их долю приходится двадцать две машины, т. е. одна треть от всего числа построенных машин. Почти такое же количество было поставлено на литейных заводах и кузницах, главным образом для подъема отработавшей воды снова в верхний резервуар: семнадцать машин общей мощностью в 428 лош. сил. Сравнительно мало было установлено машин на угольных шахтах, всего только пять штук, общей мощностью в 100 лош. сил, да это и понятно: экономия топлива – главное преимущество уаттовского парового насоса перед ньюкомэновским – тут не имела существенного значения.

Всего две машины, общей мощностью только в 9 лош. сил, были установлены на хлопчатобумажных «мельницах» в последнем (1785) году этого десятилетия.

После 1785 года картина резко меняется. На сцену выступает паровая машина с вращательным движением как универсальный двигатель промышленности, и она особенно быстро распространяется в тех отраслях промышленности, где наиболее назрела нужда в таком двигателе, где создана была и необходимая предпосылка его применения – система рабочих машин. Тут на первом месте стоит новая, только-что возникшая хлопчатобумажная промышленность. Из 144 машин, общей мощностью в 2009 лош. сил, построенных за десятилетие 1785–1795 гг., на долю хлопчатобумажных «мельниц» приходится одна треть—47 машин, общей мощностью в 736 лош. сил. Сравнительно много машин было установлено за этот период времени и на угольных копях – 22 машины, общей мощностью в 220 лош. сил. Они служили главным образом для подъема угля из шахт.

В 1800 году, когда истек срок действия патента, распределение паровой машины (как насоса, так и с вращательным движением) по главнейшим отраслям промышленности представлялось в следующем виде:

С 1775 по 1800 год фирмой «Болтон и Уатт» было выстроено всего 289 машин, общей мощностью в 4543 лош. силы. Из них в хлопчатобумажной промышленности было установлено 84 машины, общей мощностью в 1382 лош. силы, на угольных копях 30 машин (380 лош. сил), на литейных заводах и кузницах – 28 машин (618 лош. сил), на медных рудниках – 22 машины (440 лош. сил), на пивных заводах – 17 машин (147 лош. сил) и на шерстопрядильнях – 9 машин (180 лош. сил).

В остальных видах производства можно было встретить только по две, четыре, шести паровых машин. i

Любопытно, как сам Болтон около 1800 года определял эффективность уаттовской паровой машины:

«При помощи паровой машины один бушель (84 фунта) каменного угля может

1) поднять 30 млн. фунтов воды на высоту 1 фута, или

2) перемолоть в муку 10–12 бушелей пшеницы, или

3) вращать в течение одного часа 1000 веретен, или

4) прокатать 4 центнера полосового железа в тонкие прутья для мелких гвоздей, или

5) выполнять в течение одного часа такую же работу, как десять лошадей».