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.