Михаил Лесников - Джемс Уатт

• Название: Джемс Уатт
• Автор: Михаил Лесников
• Издательство: Журнально-газетное объединение
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1935

В настоящем издании представлен биографический роман о Джемсе Уатте (1736–1819), английском изобретателе, создателе универсального теплового двигателя. Изобрел (1774–84) паровую машину с цилиндром двойного действия, в которой применил центробежный регулятор, передачу от штока цилиндра к балансиру с параллелограммом и др. Машина Уатта сыграла большую роль в переходе к машинному производству.

---

Значительно большим успехом пользовалась стационарная машина Тривайтика, хотя и тут приходилось бороться с огромными техническими трудностями. Очень трудно было построить достаточно прочный котел: Тривайтик сначала строил его из чугунных колец, соединенных друг с другом болтами, а потом перешел к постройке котла из листового железа.

Аисты были очень небольших размеров: 1X3 фута. Соответствующую кривизну им придавали, выгибая их молотками по шаблону. Трудно было добиться хорошей склепки, швы были очень неплотны, и котельная была всегда полна паром. Пытались между листами прокладывать паклю, но это не помогало: пакля от высокой температуры выгорала.

Машина высокого давления имела ряд преимуществ: малый вес, малый объем, более простая конструкция (не было воздушного насоса). Машина была более экономна в расходе топлива, но трудности в постройке ее были все же настолько велики, что она не получила широкого распространения.

Очень характерно отношение. Уатта к смелым попыткам Тривайтика. Уатт сам не верил в практическую возможность применения высоких давлений. Когда ему сказали, что Тривайтик применяет давление в 50 фунтов, то он заметил, что Тривайтик может применять хотя бы и 100, но он, Уатт, тогда никому не посоветует быть машинистом при этой машине. «Тривайтика следует повесить за то, что он ввел машину высокого давления», — как-то обмолвился Уатт. Может быть, последние слова и были шуткой; однако, в Сохо крайне враждебно смотрели на успехи Тривайтика, видя в нем очень опасного конкурента, и даже входили с ходатайством в парламент, прося запретить применение машин высокого давления, как слишком опасных для жизни и здоровья, но эти попытки сохранить за собой монополию постройки машин кончились неудачей.

Независимо от Тривайтика, к идее машины высокого давления пришел американский конструктор Оливер Эванс. Он проектировал машину с давлением 8—10 атмосфер и с применением расширения пара. Его проекты казались столь фантастичными, что ему было отказано в патенте в 1786 году. Первая машина Эванса была поставлена им на своеобразной амфибии в виде лодки на колесах, могущей двигаться и по суше и по воде. Машина могла приводить в движение или колеса, или гребное колесо, прикрепленное к корме лодки. Эванс торжественно проехал на этой странной повозке по улицам Филадельфии, а потом проплыл некоторое расстояние вверх по реке против течения.

Эванс являлся энтузиастом парового транспорта и пророчествовал, что скоро наступит время, когда можно будет позавтракать в Вашингтоне и пообедать в Нью-Йорке. Но эти паровые автомобили так и остались в проекте, зато ему удалось построить несколько десятков стационарных машин на основанном им небольшом заводе. Эванс тщательно изучал все, что было известно о теплоте, и в 1805 году издал руководство для машиниста при паровой машине. В нем он высказал, между прочим, идею, которая была осуществлена лишь много позже, а именно: регулировать ход машины не при помощи паровпускного клапана, а путем изменения степени наполнения цилиндра паром. Последний способ дает значительно меньшие потери пара.

Машины Эванса отличались небольшим весом, они стоили дешево, потребляли мало топлива: в три раза меньше, чем машины низкого давления.

Идею Горнблоуэра о применении двух цилиндров разработал корнуэльский инженер Артур Вульф.

Это — так называемая машина двойного расширения, в которой пар, поступая из котла сначала в один цилиндр (цилиндр высокого давления) и произведя в нем работу, затем переходит в другой цилиндр большего объема (цилиндр низкого давления), где действует только посредством расширения.

Вульф работал и у Горнблоуэра и у Тривайтика и в своей машине пытался совместить преимущества обеих этих систем. Применение давлений в 3–4 атмосферы, заимствованное им у Тривайтика, позволило устранить главный недостаток машины Горнблоуэра — большую конденсацию пара внутри цилиндра вследствие расширения. Ведь как-раз это обстоятельство, как мы помним, и остановило Уатта от дальнейшей разработки принципа расширения пара.

В 1804 году Вульф взял патент на свою машину. Из этого документа видно, что теоретические представления Вульфа о процессах, происходящих в паровой машине, были совершенно фантастичны. Он, например, считал, что пар при расширении в пределах от данного высокого давления, положим в 50 фунтов на кв. дюйм, до атмосферного давления расширяется во столько раз, скольким фунтам равно давление его на кв. дюйм. Вульф почему-то считал это непреложным физическим законом и поэтому советовал делать больший цилиндр по объему во столько раз больше малого цилиндра, сколько фунтов давления пара на кв. дюйм предполагалось применить. Это было, конечно, грубейшим заблуждением, и сам Вульф на практике подобного расчета никогда не применял. Поразительное эмпирическое чутье подсказывало ему очень верно нужные соотношения объемов большего и меньшего цилиндров.

Как на одну из выгод своей машины Вульф указывал на то обстоятельство, что, в случае просачивания пара между поршнем и стенками в цилиндре высокого давления, пар не пропадает, а будет действовать в цилиндре низкого давления.

Вульфовские машины были очень экономны в отношении расхода топлива. Они получили широкое распространение как двигатели текстильной промышленности. Одним из преимуществ машины была возможность сравнительно легко, без каких-либо переделок, значительно увеличивать ее мощность. Один и тот же двигатель, таким образом, мог приводить в движение значительно большее число рабочих машин или давать им большую скорость (на это обстоятельство, между прочим, как-раз и указывал Маркс, опираясь на доклад Нэсмита).

Машины Вульфа долгое время строились эмпирическим путем. Удачный подбор относительных объемов цилиндров высокого и низкого давления составлял коммерческую тайну машиностроительных фирм.

Лишь в шестидесятых годах XIX века были вскрыты процессы, происходящие в цилиндрах машины, и объяснены недостатки и достоинства машины двойного расширения. Заслуга в этой области принадлежит эльзасцу Гирну. Он в своих исследованиях широко применял индикатор, до того времени очень редко применявшийся. Выяснилось, что пар при расширении значительно понижает свою температуру и охлаждает стенки цилиндра. Чем больше расширение, тем больше разность в температурах впускаемого в цилиндр и выпускаемого пара. Вновь поступающий из котла пар поэтому отдает много тепла стенкам охлажденного цилиндра. Поэтому представляется выгодным разбить эту разность температур между двумя цилиндрами так, чтобы расширение пара начиналось в одном цилиндре, а заканчивалось в другом, тогда разность температур впускаемого и выпускаемого пара в каждом цилиндре будет значительно меньше, а поэтому будет меньше охлаждение и потеря тепла вновь поступающего пара.

В машине Вульфа оба поршня движутся или в одном, или в прямо противоположном направлениях, так, что оба начинают и кончают движение одновременно и оба оказываются одновременно в так называемых мертвых точках, т. е. у краев цилиндра. Кривошипы, на которые действуют поршни обоих цилиндров, расположены относительно друг друга или в одну сторону, или под углом в 180 градусов. Недостатком машины и является то обстоятельство, что наибольшая и наименьшая нагрузки обоих поршней совпадают, а не уравновешивают друг друга.

Усовершенствование, устранившее этот недостаток, было сделано уже после смерти Уатта голландским морским инженером Рэнтгэном, в 1834 году, взявшим патент «на машину со многими цилиндрами, которые берут пар один от другого, но каждый из них имеет независимое движение». Усовершенствование состояло в помещении между цилиндрами особого резервуара, так называемого ресивера, для пара, поступающего из одного цилиндра до перехода его в другой. Благодаря этому можно было расположить кривошип под углом в 90 градусов относительно друг друга и, таким образом, удалось избежать одновременного нахождения обоих поршней в мертвых точках. Машины эти известны под названием «компаунд». Усовершенствование было вызвано желанием применить машину Вульфа на судах. Машины «компаунд» долгое время только там и применялись, и лишь в семидесятых годах стали строить стационарные машины этого типа. Рэнтгэн в своем патенте указывал на возможность постройки машины тройного расширения, но это было осуществлено лишь много позже — в середине восьмидесятых годов.

Усовершенствования в паровой машине, созданные еще при жизни Уатта, господствовали вплоть до последних десятилетий XIX века. Новый этап в развитии паровой машины начался тогда, когда на основе изучения ее работы сложилась наука — термодинамика, а практика стала опираться на все более широкое и глубокое применение этой науки.

Но как бы ни были велики все эти изменения — это были лишь отдельные детали, внесенные в машину, созданную гением Уатта.