2. Паровая машина двойного действия

2. Паровая машина двойного действия

Уатт

Нынешняя крупная фабричная и заводская промышленность родилась в Англии в последней трети XVIII века. Начало ей положили Кэй, Харгривс и другие. В 1771 году на берегу Дервента, в местечке Кромфорд, была построена первая фабрика. Вслед за прядильной машиной появились ткацкий станок и ряд других машин. Толчок, данный изобретением этих станков, отразился на всех отраслях промышленности.

Применение машин в производстве повело к тому, что эти машины стали изготовлять на заводах, а спрос на металл для них вызывал рост металлургической промышленности. Механическое прядение и ткачество увеличили размеры хлопчатобумажного, льняного и шелкового производства. Огромный спрос на вырабатываемые предметы чрезвычайно поднял значение транспорта.

С самого начала развитие фабрично-заводской промышленности пошло так стремительно, а последствия его оказались настолько серьезными для мировой истории, что вся эта эпоха получила название промышленной революции. Дальнейшее развитие промышленной революции оказалось всецело связанным с паровой машиной, превратившейся в универсальный двигатель.

Прядильные и ткацкие станки, мельницы и лесопилки, воздуходувные мехи и всякие другие машины нуждались в силе, которая приводила бы их в действие. На первых порах фабрики и заводы обслуживались еще приводом от водяного колеса.

Но не везде есть налицо вода, и очень неудобно для предпринимателя зависеть от воды, строить фабрику или завод обязательно на берегу реки, а не там, где имеются сырье, рабочие руки, удобные пути сообщения, торговый центр. Можно было, конечно, ставить и ветряные двигатели, типа мельничных крыльев, но ветер еще непостояннее, чем вода, и зависеть от силы и направления ветра еще неудобнее. Продолжали применять и конный привод, но все это было не то, в чем остро нуждалось быстро развивающееся фабричное производство. Фабрикам нужен был механический двигатель, достаточно мощный для того, чтобы приводить в движение в любом месте любой исполнительный механизм, то есть машину, производящую самый предмет потребления.

Но того, что было так ясно русскому гению уже на самой ранней поре развития фабрично-заводской промышленности, Уатт не видел. Он думал только о том, чтобы извлечь доходы из своего предприятия, а это как раз ему и не удавалось.

Получение патента на усовершенствованную водоотливную машину доставило Уатту душевное удовлетворение, однако ничего не изменило в его положении. Робак оказался уже не в состоянии строить машины. Даже разобранную для переделки первую машину не удалось вновь собрать. Компаньон Уатта окончательно разорился. Заводу грозила полная остановка. Рабочие бежали. Осуществление изобретения отодвигалось в неизвестное будущее.

К довершению всех несчастий у Уатта умерла жена, оставив ему двух маленьких детей. В это время Уатт едва не покинул Англию. Старый его друг Робиссои, бывший тогда директором морского училища в Кронштадте, передал Уатту предложение русского правительства приехать в Петербург. Робиссон сулил своему другу огромное жалованье и пост директора завода паровых машин, который Уатт должен был построить в России.

Уатт готов был согласиться на отъезд. Ему хотелось вырваться из тяжелой обстановки. Друзья отговорили его. Среди этих друзей наибольшее влияние на Уатта оказал инженер Мэтыо Болтон. Это был богатый фабрикант и владелец одной из крупнейших в Англии металлообрабатывающих мануфактур — в Сохо.

Уатт впервые встретился с ним в то счастливое время, когда сам он занимался постройкой своей машины по договору с Робаком. Заинтересовавшись предприятием Болтона, Уатт приехал в Сохо запастись опытом. Хороша организованная мануфактура поразила Уатта. В разговоре с владельцем изобретатель заметил, что в Сохо его машина, вероятно, давно уже была бы построена.

Болтон не скрывал от Уатта интереса к его изобретению. Он намекнул ему, что был бы рад войти с ним в компанию вместо Робака. Дела Робака были явно плохи, и Болтон предполагал, что выполнить свои обязательства по договору тот уже не сможет. Уатт пообещал переговорить с Робаком об изменении или расторжении договора. Но Робак согласился лишь на привлечение в их компанию Болтона.

Робаку не удалось поправить свои дела. В конце концов его объявили несостоятельным должником, а имущество передали кредиторам. Робак задолжал и Болтону значительную сумму. В уплату этого долга Болтон забрал с Карронского завода машину Уатта, валявшуюся там в разобранном виде. Вместе с тем Болтон предложил Уатту заключить с ним такой же договор, как и с Робаком.

Летом 1773 года машину Уатта перевезли в Сохо. Весною следующего года, покончив со своими инженерными работами, приехал в Сохо и Уатт, заключив договор с Болтоном. Выполненные на Карронском заводе, части машины Уатт сделал заново. Паровой цилиндр, доставлявший столько неприятностей, был заменен новым, сделанным на заводе Вилкинсона в Честере, где только что был поставлен механический станок для расточки пушек. Вилкинсону удалось изготовить цилиндр, приведший изобретателя в восторг. Заново собранную машину подвергли самым тщательным испытаниям. Они дали отличные результаты. Ободренный успехом, Уатт писал отцу:

«Дело, для которого я приехал сюда, идет довольно хорошо. Огневая машина, изобретенная мной, пущена в ход и дает гораздо лучшие результаты, чем все такие машины, до сих пор строившиеся. Я надеюсь, что от этой машины получу еще много добра!»

Вилкинсон заказал Уатту машину для поршневой воздуходувки. Уатт засел за чертежи, не сомневаясь в возможности применить свое изобретение для новой цели. Последовало еще несколько заказов от владельцев шахт. В это же время для завода в Сохо Уатт построил машину, получившую кличку «Вельзевул» — вероятно, за шум и скрежет, которые она производила. Эту машину вскоре уничтожил пожар, но поставленная вместо нее другая такая же машина, по прозванию «Старая Бесс», доныне хранится в Кенсингтонском музее в Лондоне.

Казалось, что теперь Болтон и Уатт могли приступить к массовому производству машин. Однако, не в пример Робаку, новый компаньон Уатта был очень осторожен, предвидя огромные производственные расходы и возможные неудачи. Он предложил Уатту сначала продлить патент, срок которого близился к концу.

Заявление о продлении срока Уатт подал в парламент в 1775 году. Комиссия, назначенная для рассмотрения вопроса, вызвала, между прочим, и Робака. Он заявил:

— Паровая машина Уатта по сравнению с обыкновенным огневым насосом Ньюкомена производит по крайней мере вдвое большую работу при том же расходе топлива.

Робак указывал далее, что продление срока патента необходимо: изобретатель и его компаньоны не оправдали и десятой доли расходов, понесенных ими, а дальнейшие опыты потребуют еще втрое больше средств.

«Это дело стоило мне многих тревог и больших расходов, — писал своему отцу Уатт по поводу отсрочки патента, — и без помощи влиятельных и многочисленных друзей мне никогда бы не удалось его выиграть».

Уатт не ошибался. Во главе его противников стоял политический деятель того времени Берк. Он считал вредной монополию Уатта на машину, в которой так нуждалась промышленность. Защищая интересы государства, Берк на деле отстаивал только интересы промышленных капиталистов, стоявших за его спиной. Они же боролись не только с Уаттом, но и друг с другом.

Новое изобретение не нравилось предпринимателям, которые уже вложили средства в машины Ньюкомена. У них не было охоты менять уже работающие машины Ньюкомена на новые. А к этому их принудила бы конкуренция других предприятий, пользующихся более экономичными машинами Уатта. Еще больше негодовали на Уатта промышленники, строившие машины Ньюкомена и продававшие их. Распространение новых машин Уатта грозило им полным крахом. Таким образом, оказалось достаточно людей, готовых поддержать всякое начинание, направленное против Уатта и его изобретения.

Однако самыми ожесточенными противниками продления патента Уатта были предприниматели, которые, зная преимущества новых машин, намеревались ими пользоваться или собирались их строить. Они желали смотреть на пар, как на воздух и свет, как на силу, ничьей собственностью не являющуюся. Они возмущались необходимостью что-то платить изобретателю. Заводчики хотели бы и устанавливать и строить машины, не считаясь с правами изобретателя. При этом говорилось, что, так же как никем не запатентованное водяное колесо, паровую машину Уатта нужно предоставить в безвозмездное пользование всем предпринимателям во имя развития национальной промышленности. Патент Уатта, по их утверждениям, грозил гибелью промышленной Англии, судьба которой была неразрывно связана с судьбой горного дела.

Несмотря на то что при решении вопроса в парламенте Берк горячо выступал в защиту «свободы против монополий», вопрос был решен в пользу изобретателя. Срок действия патента был продлен еще на двадцать пять лет.

Парламентские прения вокруг этого вопроса подняли интерес к машине. Нужда в новой водоотливной машине была исключительно велика в это время.

Некоторые рудники даже прекратили работы в ожидании, пока компаньоны начнут выпуск своих машин. Завод Болтона еще до решения парламента уже был завален заказами.

С продлением патента ничто не мешало компаньонам начать выполнение заказов. Прежде всего Уатт сдал машину заводу Вилкинсона, затем выполнил заказ для Бирмингамского канала. Замечательно, что эта вторая машина бесперебойно работала до 1898 года — более ста лет. В 1919 году, во время чествования памяти Уатта по случаю столетия со дня его смерти, ее привели в порядок и снова пустили в ход.

Затем завод Болтона и Уатта сдал машины медным рудникам в Корнуэльсе. В течение пяти лет завод установил здесь около сорока машин. Несмотря на это, финансовые дела компаньонов не слишком улучшились. Производство требовало все нового, усовершенствованного оборудования.

В то время как Болтон вел коммерческую часть предприятия, искусно выпутываясь из затруднений, Уатт занимался установкой машин на местах. Здесь же он вел с покупателями сложные расчеты.

На заводе в Сохо не было достаточного количества опытных рабочих. Уатту приходилось заниматься и чертежами, и испытанием машин, и установкой их. Только с поступлением на завод талантливого инженера Вильямса Мердока Уатту удалось избавиться от поездок в Корнуэльс.

Освободившись от деловых сношений с заказчиками, Уатт занялся дальнейшим усовершенствованием своей машины. В течение десяти лет у него не было иных забот, иных мыслей. За эти годы постепенно ему и удалось, идя навстречу нуждам и запросам промышленности, превратить водоотливную паровую машину в универсальный двигатель.

В своих первых машинах Уатт применял, конечно, пар низкого давления. В его паровых котлах оно было чуть-чуть выше атмосферного. Но даже при таком незначительном давлении пар при выходе из котла имеет способность расширяться, стремясь занять как можно большее пространство. Если впустить некоторое количество такого пара в цилиндр через паропровод с краном и, закрыв быстро кран, «отсечь» дальнейший приток его, то пар, поступивший в цилиндр, будет, подобно пружине, толкать поршень. По мере того как поршень будет отодвигаться, давление расширяющегося пара, естественно, будет падать.

Если не закрывать крана в паропроводе, то есть не производить отсечки пара, то в цилиндр все время, пока отходит поршень, будет поступать свежий, «острый» пар из котла. В этом случае в цилиндре сохранится полное, как и в котле, давление. Движение поршня при этом будет более мощным, но потребуется значительно больше пара, чем раньше, когда движение поршня происходило за счет расширения. А заказчики требовали от водоотливных машин именно экономичности.

Уатт нашел, что наиболее экономичной и выгодной работа машины станет, если пар «отсечь» в тот момент, когда поршень сделает четверть своего хода в цилиндре. Остальной ход в таком случае будет совершаться за счет расширения пара, а не за счет поступления свежего пара из котла.

В 1776 году Уатт построил такую машину нового типа. Впуск пара в цилиндр автоматически отсекался в нужный момент, и дальнейшая работа шла за счет расширения пара. Расширение оказывалось настолько значительным, что к моменту выхода в конденсатор пар имел давление даже меньше атмосферного, почти равное давлению в конденсаторе.

Новая экономическая установка, однако, не встретила сочувствия у машинистов. Они видели, что без отсечки машина мощнее, и предпочитали работать без расширения, так как нисколько не интересовались расходом топлива. Но паровой котел Уатт рассчитал на работу с расширением, и, когда машина работала без отсечки, пара не хватало. На этой почве постоянно возникали недоразумения с покупателями, и машины, работающие расширением пара, не скоро вошли во всеобщее употребление.

С некоторого времени к Уатту от различных заказчиков стали поступать просьбы сделать паровую машину, которая могла бы приводить в действие мельницы, ткацкие и прядильные станки, круглые пилы. Для всех этих рабочих машин нужно было не прямолинейно-возвратное движение двигателя, как для насоса, а вращательное. И вот над этой задачей преобразования качательного движения коромысла в непрерывное вращательное движение вала или колеса стал задумываться Уатт.

В своем дневнике изобретатель 5 сентября 1779 года отметил:

«Можно было бы устроить в огневой машине вращательное движение посредством кривошипа…»

Но, пока Уатт сооружал модель, чтобы испробовать кривошипный механизм, рабочий его же завода, Пикар, стоя за своим токарным станком, напал на ту же идею. Без долгих размышлений Пикар взял патент «на применение кривошипа к паровой машине». И, хотя, по справедливому замечанию Уатта, «истинным изобретателем кривошипного механизма был человек, создавший обыкновенный токарный станок, и применить его к огневой машине было так же легко, как воспользоваться хлебным ножом, для того чтобы разрезать сыр», все-таки, согласно законам о патентах, Уатт лишился возможности применять кривошип для своих машин.

Делать было нечего. Приходилось или покупать патент у Пикара, или придумывать что-нибудь другое. Взбешенный Уатт предпочел второе. Он придумал целых пять способов преобразования прямолинейно-возвратного движения во вращательное и запатентовал их все сразу в 1781 году.

Однако только последний из них, а именно «планетносолнечная передача», состоящая из зубчатых колес, нашел себе применение, и то лишь до тех пор, пока не истек срок патента Пикара.

Новые заказчики требовали более мощных двигательных механизмов.

В машинах простого действия давление пара толкало поршень только вниз. Вверх он поднимался, не совершая никакой работы, отчасти под влиянием давления пара, отчасти под действием противовесов. В новых машинах Уатт стал впускать пар поочередно по ту или другую сторону поршня. Сначала пар впускался в верхнюю часть цилиндра, над поршнем, и вакуум возникал внизу. После этого путем перестановки клапанов пар впускался в нижнюю часть цилиндра, под поршень. Верхняя часть цилиндра соединялась в этот момент с конденсатором, и вакуум, в свою очередь, образовывался там.

Таким образом, в одном и том же цилиндре получалась двойная мощность, а движение поршня стало более равномерным.

Двойное действие машины потребовало изменения способа передачи движения от поршня к балансиру. Прежняя гибкая, цепная передача уже не годилась: ведь посредством цепи можно только тянуть коромысло вниз. Толкать его вверх мог бы только твердый шток. Непосредственно же наглухо соединить конец коромысла со штоком поршня Уатт считал невозможным, так как коромысло, качаясь, описывает дугу, шток же поршня движется прямолинейно, и при жестком их соединении машина не могла бы работать.

Это была трудная задача, и разрешение ее явилось не сразу.

Сначала Уатт испробовал механизм из зубчатой полосы и зубчатого колеса. Он оказался неудовлетворительным. Только после многих опытов Уатту удалось разрешить задачу, сконструировав так называемый «параллелограмм Уатта».

Благодаря этому «параллелограмму Уатта», несмотря на дугообразные качания конца коромысла, шток поршня, соединенный с ним, имел близкое к прямолинейному движение.

Надо отметить, что и в данном случае Уатт все же стал жертвой предвзятой мысли, привычного мышления. Долго ломая голову над тем, как соединить конец коромысла со штоком поршня, Уатт не заметил простой вещи: коромысло в его машинах было ненужным, явно лишним, оно лишь загромождало конструкцию машины. Можно было, выбросив вовсе коромысло, соединить шток поршня с кривошипным механизмом посредством промежуточного стержня-шатуна и получить вращательное движение на валу двигателя с насаженным на него маховиком. Но прошло несколько десятков лет, прежде чем эта простая мысль пришла в голову людям.

Новая паровая машина «двойного действия» имела теперь два равномерных хода поршня: вверх и вниз. Оба они были рабочими. Достижению общей плавности хода машины способствовало также и введение в конструкцию центробежного регулятора, изобретенного Уаттом. Он автоматически регулировал скорость движения машины при неизбежном колебании давления пара в котле и изменении нагрузки в рабочих машинах, приводившихся в движение двигателем.

Применяемый и до сего времени во всех паровых машинах центробежный регулятор Уатта вращается вместе с осью вала. При увеличении скорости шарики регулятора под действием центробежной силы отходят от оси и поднимают муфту. Соединенный с ней рычаг прикрывает заслонку, регулирующую впуск пара в цилиндр машины. Вследствие этого впуск пара уменьшается, и скорость перестает возрастать. При уменьшении скорости шарики сближаются, муфта опускается, рычаг открывает заслонку, впуск пара в цилиндр увеличивается, и скорость вновь возрастает.

Этот саморегулирующийся механизм сделал лишним участие человека, который бы открывал и прикрывал заслонку. Теперь его заменила машина, но не только в том смысле, что ему не нужно делать движения рукой, затрачивать физическую энергию. В данном случае машина заменяет уже не только руки человека, но и его внимание.

После введения регулятора для полной автоматичности работы машины Уатту осталось только улучшить органы парораспределения. В этом ему помог Мердок. Он сконструировал коробчатый золотник, распределяющий пар в цилиндре, и предложил эксцентрик — особый диск, насаженный на вал для приведения его в движение.

Новое, очень остроумное парораспределительное устройство представляло собой коробку без крышки, скользящую по гладкой поверхности, называемой «зеркалом». Коробка приводилась в движение самой машиной при помощи тяги от эксцентрика. В зеркале имелось два паровпускных окна, из которых каждое вело к тому и другому концу цилиндра. Между этими паровпускными окнами имелось еще третье окно, ведущее уже не в цилиндр, а к трубе, соединенной с конденсатором. Открытая часть коробки золотника была обращена к зеркалу, по которому она скользила. Весь этот аппарат Мердок заключил в золотниковый ящик, прикрепленный к цилиндру и соединенный паропроводом с котлом.

Золотниковое парораспределение, существующее и доныне, работает следующим образом. Когда в золотниковый ящик поступает пар из котла, коробка золотника находится в одном из концов ящика так, что паровпускное окно на противоположном конце открыто и свежий пар поступает в цилиндр, где и толкает поршень. Машина начинает работать, и золотник, приведенный эксцентриком в действие, соединяет эту часть цилиндра с паровыпускным окном, направляя отработавший пар в конденсатор, и в то же время открывает второе паровпускное окно, так что пар из золотникового ящика поступает во вторую часть цилиндра и толкает поршень обратно. Таким образом, золотник автоматически распределяет пар в машине двойного действия, подавая его попеременно по обе стороны поршня, и в то же время направляет отработавший пар в конденсатор. Золотник имеет также приспособление в виде «лап», благодаря которому автоматически отсекается пар, и работа в цилиндре идет на три четверти за счет расширения пара.

В результате всех этих изменений конструкции получилась совершенно новая машина. Каждое отдельное изменение отвечало требованию тех или иных заказчиков. Но в новом своем виде машина Уатта могла применяться для любой цели, она стала универсальным двигателем.

В окончательном своем виде паровая машина Уатта, патент на которую был взят в 1784 году, представляла вертикальный стационарный паровой двигатель. Чугунное коромысло приводилось в качательное движение от штока поршня посредством параллелограмма Уатта. Другой конец коромысла при помощи шатуна и кривошипа приводил во вращательное движение маховое колесо, делавшее около тридцати — сорока оборотов в минуту. Через бесконечный приводной ремень маховик вращал рабочую машину или несколько таких машин: прядильных станков, пил, жерновов.

Отработавший в цилиндре пар шел в конденсатор, представлявший ящик с трубками, по которым циркулировала холодная вода: на стенках трубок конденсировался пар. Насос, приводимый в действие от коромысла, выкачивал воду, образующуюся из охлажденного пара.

Паровой котел Уатта несколько отличался от обыкновенных, круглых котлов. Это была продолговатая железная коробка, снабженная не только предохранительным клапаном Папена, но и водомером, указывавшим уровень воды в котле.

Размеры двигателя Уатта были очень значительными. Для установки его приходилось строить специальные здания такой величины, какую у нас сейчас имеют мощные электростанции. Один ход поршня в цилиндре достигал трех метров. Непомерно большие размеры двигателя были следствием тогдашнего состояния техники. Машина Уатта была тихоходной, работала паром низкого давления: кроме того, конструкторы не знали свойств металла, точных расчетов делать не умели и строили предположительно, с огромными запасами прочности.

Несмотря на свои размеры, двигатели Уатта были маломощными: мощность самого большого из них равнялась примерно пятидесяти лошадиным силам.

Сравнивать мощность машин с силой лошади предложил Уатт. В 1784 году он произвел опыты над работой лучших лондонских лошадей, после чего и ввел в употребление понятие «лошадиная сила». Одна лошадиная сила соответствует усилию, нужному для того, чтобы поднять на один метр за одну секунду 75 килограммов.

Выпустив несколько двигателей для мельниц и пивоваренных заводов, завод Сохо установил показательную машину Уатта на мельнице Альбион, в самом центре Лондона. Любопытство англичан было возбуждено так сильно, что мельница эта долгое время считалась модным местом для посещения. Работала мельница прекрасно, но через пять лет конкуренты сожгли слишком опасного соперника.

Введение парового двигателя не обходилось без жертв и борьбы. Однако очевидные его преимущества перед «живыми» двигателями — перед водяными и ветряными колесами — были настолько велики, что самые разнообразные предприятия — бумажные, прядильные и ткацкие фабрики, мельницы, лесопильные заводы, прокатные станы и воздуходувки, — все переходили на универсальный двигатель Уатта.

В этих двигателях расход угля составлял около трех килограммов на одну лошадиную силу в час. Большой, с нашей точки зрения, расход был все же вчетверо меньше, чем в машине Ньюкомена. На языке современной техники коэффициент полезного действия машины Уатта не превышал двух с половиной процентов.

Паровой двигатель Уатта чрезвычайно способствовал развитию промышленности. Земледельческая, помещичья Англия превращалась в индустриальную страну. Известный шведский путешественник Сведеншерна, посетивший Англию в 1802 году, пришел в изумление, увидев, какое количество паровых двигателей занято в промышленности. «Не будет преувеличением сказать, — писал он, — что эти машины встречаются в Англии так же часто и даже чаще, чем у нас водяные и ветряные мельницы».

Вслед за распространением машин отдельные страны сами начали производство паровых двигателей. Появились заводы паровых машин в Германии, Бельгии, Америке, Франции. В 1800 году в Петербурге шотландец Берд основал завод паровых машин, просуществовавший вплоть до Октябрьской революции под названием «Франко-русский завод».

Задача, поставленная промышленным капитализмом перед техникой, была разрешена.

Однако паровая машина двойного действия, вышедшая из рук Уатта, не была в полном смысле слова универсальным двигателем, хотя Уатт и называет ее в своем патенте 1784 года применимой для всякой цели. Для целей транспорта эта машина была совершенно не пригодна.

Термин «универсальный двигатель» впервые употребил Маркс, характеризуя патент Уатта. Но начиная с Папена все конструкторы двигателей, предлагая свои машины, объявляли их применимыми для самых разнообразных нужд производства.

Как стационарный двигатель паровая машина Уатта сыграла огромную роль в развитии промышленной революции.

Старая Англия с ее мануфактурами, водяными колесами и ветряными мельницами, та Англия, в которой родился и вырос Уатт, распалась, исчезла на его глазах.

На смену ей пришла новая, индустриальная Англия, созданная промышленной революцией и паровым двигателем. Новая Англия дымила трубами фабрик и заводов, покрывалась сетью железных дорог, сдвигалась с юго-востока на северо-запад и на прежних полях земледельцев выращивала огромные промышленные центры с новым укладом жизни.

Англия, страны Европы, Америка — весь мир вступил в новую фазу своего промышленного развития, но XIX век справедливо стал называться не только веком паровой машины, но и веком железных дорог.