Водооткачівающая машина перетворюється в тепловій двигун

А. Моравський, М. Файн

Перший універсальний тепловий двигун був створений в Росії видатним винахідником, механіком Воскресенських заводів на Алтаї І. І. Ползуновим.

І. І. Повзунів народився в 1728 р. на Уралі в родині солдата. У 1742 р. закінчив арифметичну школу і почав служити на Єкатеринбурзькому заводі. Коли йому виповнилося 19 років, був переведений на Алтай на Коливано-Воскресенські заводи, належали царській родині, де обіймав нижчі технічні посади.

Але потім його призначили в Барнаульський комісарські управління, де в 1754 р. він отримав чин шіхтмейстера, вирівнюєш його в правах з першим обер-офіцерським чином.

Ні в Єкатеринбурзі, ні на Алтаї машин, що діють «за допомогою рушійної сили вогню », не було. Але відомо, що в 1762 р. Повзунів та інші фахівці зобов'язані були вивчити «Повчання рудному справі», написаний президентом берг-колегії і головним суддею монетної канцелярії І. А. Шлаттером, в якому описувалися водооткачівающіе парові машини.

Є підстави вважати, що Повзунів вивчив також книги Леупольда і Белідора, в яких також містилося опис водооткачівающіх парових машин. Обидві ці книги переклав на російську мову той же Шлаттер. Але описані в них установки не годилися ні для чого, крім відкачки води.

Винахідливість Ползунова не може не викликати захоплення. Він першим зрозумів, що можна змусити парову машину приводить в рух не тільки насос, але і ковальські міхи. Робочі органи його машини передавали рух валу відбору потужності. Це якість надавало машині Ползунова властивість універсальності.

Проект своєї машини Повзунів виклав в 1763 р. у записці, що адресована начальнику Коливано-Воскресенського гірського округу А. И. Порошину.

Не маючи досвіду роботи з огнедействующімі машинами, Повзунів проте не просто копіює машини, описані в книгах, а вносить в проект своєї машини істотні відмінності від атмосферних машин того часу. Схема його машини представлена на рис. 1.

Два поршня пов'язані з головним валом за допомогою ланцюгів. До другого (вільного) кінця кожній ланцюга прикріплений балансир. Водораспределітельний кран по черзі подає охолодну воду в подпоршневие порожнини. Парораспределітельний кран служить для з'єднання цих порожнин з котлом.

Машина була атмосферної. Коли одна з подпоршневих порожнин поєднувалася з котлом, поршень під дією тиску пари піднімався вгору, після чого парораспределітельний кран повертався і відтинав подпоршневую порожнину від котла. Через трубку впорскується вода, пара конденсувався і під поршнем створювався Вакуум. Під дією атмосферного тиску поршень опускався і здійснював корисну роботу. У цьому машина Ползунова нагадувала машину Ньюкомена.

Але на цьому схожість закінчувалося. У ній вперше передача від двох поперемінно діючих поршнів здійснена не до балансири, а до шківа за допомогою ланцюгів, а передача від шківів здійснена не тільки до насоса, а й до ковальським бурдюки, т. тобто вперше робочі органи двигуна і споживач його потужності не пов'язані один з одним.

Крім того, Повзунів вніс серйозні удосконалення в конструкцію робочих органів двигуна, застосував оригінальну систему паро і водораспределенія, і на відміну від машин Ньюкомена вісь вала його машини була паралельна площині циліндрів.

Свою машину І. І. Повзунів почав будувати в 1764 р. До нього відрядили чотирьох учнів, яких він повинен був навчити не тільки теорії, але і ремесел.

Але Барнаульский завод був металургійним і не мав у своєму розпорядженні за потрібне металообробним обладнанням, і слід думати, що Ползунова доводилося винаходити способи обробки деталей своєї машини. Машина була виготовлена в грудні 1765 А в травні 1766 її творець помер від сухот. Машина була випробувана вже після його смерті в жовтні 1766 і працювала, в Загалом, задовільно.

Як всякий перший зразок, вона потребувала доопрацювання, до того ж у листопаді виявилася текти котла. Але винахідника не було в живих, а без нього усуненням недоліків ніхто не займався. Машина не діяла до 1779 р., а потім була розібрана.

Історія з машиною Ползунова в першу чергу свідчить про обдарованість винахідника. Розрахунки виконані дуже точно з вказівкою на необхідність досвідченого визначення деяких опорів. Але головне, за допомогою ланцюгової передачі і двох циліндрів вперше було здійснено перехід до безперервного обертання, тобто був створений перший універсальний двигун.

До жаль, через непоінформованість широких кіл про цей винахід і ранньою смерті винахідника його створення не справило помітного впливу на процес розвитку теплових двигунів.

Патенту на свій винахід в царській Росії І. І. Повзунів НЕ просив, і перший патент на універсальний тепловий двигун був виданий в Англії Джеймсу Уатту 5 січень 1769 р, на шість років пізніше, ніж датована записка І. І. Ползунова.

Д. Уатт народився в 1736 р. в Шотландії. У 1754 р. він був відправлений у Глазго для навчання професії механіка, але перебрався до Лондона, а потім знову повернувся в Глазго і працював там як університетського механіка. Там він підтримував відносини з багатьма вченими і грунтовно вивчав літературу з паротехніке.

Вже близько 1760 Уатт починає займатися самостійними розробками в області паротехнікі. Відомо, що він прочитав книги Дезагюлье і Белідора про парових машинах, брав участь у дослідах Кевендіша і Прістлі з аналізу води, вимірював теплоту випаровування води і склав таблицю пружності водяної пари.

Вклад Уатта у створення парових машин дуже великий. Завдяки успішній роботі машин Півночі і Ньюкомена досвід Папена з винесення процесу конденсації за межі машини був забутий. Але в 1765 р. Уатт, виготовивши макет машини Ньюкомена в Глазго на замовлення місцевого університету та проводячи на ньому досліди, зрозумів, що основний причиною її низької економічності є охолодження розширюється пара стінками циліндра.

І Уатт вирішує винести процес конденсації за межі циліндра. Це був крок, завершив формування робочого циклу парової машини.

Вважається, що ідея винесення конденсації за межі циліндра осінила Уатта раптово. Але діяльність Уатта не підтверджує цього. Якби Уатт не вивчив глибоко властивості води і пари, то навряд чи він зрозумів би причину низької економічності макета машини Ньюкомена і став шукати шляхи усунення цієї причини.

Всі його помисли були націлені на пошуки вирішення конкретного завдання. Ось як писав про це згодом сам Уатт: «Проте все ж таки це завдання настільки оволоділа моїм розумом, а мої обставини настільки вимагали повернути витрачений час і гроші, що я не міг кинути цієї справи.

Після того, як я всіляко обдумав питання, я прийшов до твердого висновку, що, для того щоб зробити досконалу парову машину, необхідно, щоб циліндр був завжди гарячий, як і що входить до нього пар; але з іншого боку, конденсація пари для утворення вакууму повинна була відбуватися при температурі не вище 30 |».

Зрозумівши, що процес охолодження пара слід винести за межі циліндра, Уатт бере свій перший патент на парову машину.

Перед подачею заявки на патент Уатт провів велику експериментальну роботу. Він почав з створення моделі, керуючись тим, що саме на моделі машини Ньюкомена найбільш яскраво проявилися її недоліки. Він оточив циліндр моделі дерев'яної теплоізоляційної оболонкою і приєднав до нього за допомогою труби окремий посудина - конденсатор (рис. 2).

Одночасно Уатт вніс ще одне важливе вдосконалення. У машинах Ньюкомена на поршень діяв завжди один і той же перепад тисків 'різниця між атмосферним тиском і тиском конденсації при температурі близько 30 |.

Уатт прийшов до висновку, що тепер здається цілком очевидним, потужність машини можна збільшити, якщо використовувати не атмосферний тиск, а тиск пари. Це відкривало більш широкі можливості: тиск пари можна збільшити вище атмосферного; змінюючи тиск, можна регулювати потужність машини.

Крім того, Уатт відразу вирішив будувати свою машину як універсальний тепловий двигун і не пов'язував її воєдино ні з яким споживачем потужності.

Затративши на виготовлення машини всі наявні у нього кошти, Уатт зміг вже наприкінці 1765 продемонструвати її роботу.

Але для виготовлення машин на продаж були потрібні не тільки гроші, але й виробництво з дуже високим на ті часи культурою, і за порадою своїх друзів Уатт звертається до власника знаменитих Карронскіх заводів доктору медицини Ребека.

Карронскіе заводи мали потребу у вугіллі, і Ребека на той час придбав кам'яновугільні копальні, на яких відразу зіткнувся з необхідністю відкачування води. За таких обставин він був дуже зацікавлений в угоді з Уаттом. За договором він брав на себе всі витрати з умовою, що йому будуть належати дві третини прибутків.

Уатт отримав кошти і міг зайнятися підготовкою виробництва. Але фінансові справи Ребека дуже швидко прийшли в занепад, і він припинив фінансування робіт над машиною. У цей час Уатт отримав пропозицію продовжити роботу над машиною від Метью Болтона, багатого фабриканта, власника металообробного заводу в Сохо. Що стоїть на межі розорення Ребека легко поступився свої права Болтону, і в 1773 Уатт впритул приступив до реалізації своїх ідей.

Справа виявилося не таким простим, і до випробувань машини Уатт зміг приступити лише в Наприкінці 1774 р., а перші результати отримав в 1775 р. Його машина, другий зразок якій він назвав «Вельзевул», за економічністю перевершувала атмосферні машини Ньюкомена в 2 рази.

Можна було зайнятися її виробництвом і почати отримувати прибуток. Але треба було зацікавити споживачів, які звикли до добре зарекомендували себе машинам Ньюкомена. І Уатт з Болтоном пропонують купувати в них машини на дуже привабливих умовах. Вони дають свої машини безкоштовно.

Більше того, вони беруть на себе витрати з монтажу нової машини та демонтажу машини Ньюкомена. А замість плати кожен власник нової машини протягом 25 років буде відраховувати їм одну третину вартості вугілля, зекономленого в порівнянні з атмосферної машиною. Не відразу після придбання машини покупці починали розуміти, як вони помилилися.

Але, для того щоб не втратити прибуток, Уатту і Болтону доводилося утримувати штат висококваліфікованих інженерів, що стежили за справністю і правильною експлуатацією. Крім того, потрібно було подбати про термін дії патенту, оскільки він був виданий на 14 років, з яких вже пройшло 6, і Уатт зайнявся клопотами про його продовження. Після довгих клопотів 22 травня 1775 його патент був продовжений ще на 25 років.

Уатт взагалі був добре знайомий з особливостями патентного права. Про це перш за все свідчить формулювання його першого патенту № 013 від 5 січня 1769 р, наведена в книзі члена-кореспондента АН СРСР А. А. Радциг, по праву вважається творцем вітчизняної школи паротурбостроенія Патентна формула, як ми сказали б зараз, складається з шести пунктів:

Циліндр або посудину з парою зберігається на весь час роботи настільки ж нагрітим, як і що входить до нього пар, і саме внаслідок того, що циліндр, по-перше, оточують оболонкою з дерева або з іншого матеріалу, погано проводить теплоту, по-друге, внаслідок того, що його оточують парою або іншими нагрітими тілами, і, по-третє, внаслідок того, що ні вода, ні інше яке-небудь тіло, більш холодну, ніж пар, не приходить у зіткнення з циліндром під час його роботи.

В машинах, які повинні повністю або частиною працювати за допомогою конденсації пара, звернення пара у воду має відбуватися в судинах, відокремлених від циліндра, але можуть приходити з ним іноді в зіткнення Ці судини я називаю конденсаторами, і їх потрібно під час роботи машини за допомогою води або іншого холодного тіла зберігати холодними з температурою не нижча за температуру навколишнього повітря.

Повітря та інші газоподібні пружні тіла, не згущені внаслідок низької температури конденсатора і заважають роботі машини, повинен вилучатися з конденсатора за допомогою насосів, що приводяться в дію самої машиною або іншим яким-небудь чином.

Під багатьох випадках я розраховував застосувати пружну силу (тиску) пара на поршень або інші частини, що замінюють його, таким же чином, як застосовується атмосферний тиск у теперішніх звичайних вогняних машинах. У тих випадках коли не вистачає холодної води, машини можуть працювати виключно силою пари, причому останній за скоєння роботи випускається прямо в атмосферу ».

В п'ятому пункті формули йдеться про ротаційних парових машинах, в яких поршень обертається Така конструкція має ряд переваг, зокрема відпадає потреба в перетворювачі поступального руху поршня на обертальний.

В шостому пункті йдеться про неповну конденсації (погіршеному вакуумі), про ущільненнях і про інші частини машини.

Звичайно, наведена вище формула винаходу не відповідає сучасним вимогам до її викладу, але вона чудово виконує свої функції: дає повне уявлення про суть винаходу і надійно захищає права винахідника.

Захисту своїх винахідницьких прав Уатт приділяє багато уваги У 1781 р. він бере патент на зв'язок поршня з валом за допомогою шестерний передачі, що з'явилася прообразом планетарного редуктора. Поява цього патенту, так само, як і більше пізнього патенту на широко відомий «паралелограм Уатта», пов'язана з тим, що патент на застосування шатунно-кривошипного механізму в парових машинах вже був виданий раніше в 1779 р. винахідникам Вайсброу і Пікара.

Видачу патенту на застосування відомого на той час механізму Уатт вважав абсолютно неправомірною. Він писав: «Справжній винахідник кривошипного механізму був особа, яка зробила звичайний токарний верстат. Застосувати його в паровий техніці було так само легко, як скористатися ножем, призначеним для різання хліба, для розрізання сиру ».

В 1782 він патентує розширення пари в циліндрі. До 1784 відносяться останні великі винаходи Уатта, описані в знаменитому патенті № 1432: подача пари з обох боків поршня - подвійне дію пари; Двоциліндрова машина; відцентровий регулятор і параллелограммний механізм для передачі руху осі поршня до балансир.

До цього часу було остаточно налагоджено виробництво на заводі Болтона, розроблені інструкції по складанню, монтажу та експлуатації парових машин.

Подальша діяльність великого винахідника звелася до незначних удосконаленням конструкції і технології машин, вирішення поточних питань, пов'язаних з фінансами і конкуренцією. У 1785 р. Уатт схиляється до того, щоб «припинити досліди нових винаходів ».

Він Болтону пише: «... особливо не варто нічого пробувати, що зв'язане з який-небудь небезпекою невдачі або може заподіяти нам утруднення при випробуванні. Будемо надалі виготовляти ті речі, які ми вміємо робити, і надамо інше молодим людям, яким не загрожує втрата ні грошей, ні імені ».

Треба сказати, однак, що патенти Уатта стримували діяльність цих «молодих людей ». Тут доречно згадати історію з Джонатаном Горнблоуером, який в 1781 отримав патент на машину високого тиску з подвійним розширенням. Однак, після того як Горнблоуер почав в 1793 р. будівництво своєї машини, Уатт і Болтон порушили проти нього процес про порушення прав, що випливають з патенту № 1432.

Цей процес закінчився в 1799 р. на користь позивачів, не дивлячись на те, що патент № 1432 був виданий на три роки пізніше, ніж патент Горнблоуера. Щоб не порушувати права Уатта, Горнблоуер не міг після рішення суду застосовувати конденсатор і використовувати пар високого тиску. Його машини не могли у зв'язку з цим конкурувати з машинами Уатта.

Уатт і Болтон взагалі дуже уважно стежили за тим, щоб конкуренти не порушували їх патентних прав. Так відбувалося і в тих випадках, коли вони самі не збиралися використовувати запатентовані технічні рішення, наприклад, машину високого тиску, описану в першому патенті 1769 р., але не втілену Уаттом.

Його машини, як відомо, працювали при низькому тиску (1,2-1,5 ат), але перша патент Уатта, по суті, блокував розвиток машин високого тиску на весь період дії патенту.

Цікаво, що Уатт і Болтон намагалися провести через парламент закон про заборону іО ПРОДАЖУ пара високого тиску, мотивуючи це міркуваннями громадської безпеки. Скептично ставився Уатт до ідеї локомотива, хоча вона і була запатентована їм у 1784 р.

Близько 1800 Уатт віддаляється від справ. Незабаром минає Термін дії його перші патенту, і парові машини починають випускати багато заводів. Їх вдосконалення прискорюється.

Винахідник парового молота Нес-мит писав: "Люди, що володіють достатніми засобами і підприємливістю, стали застосовувати систему підвищеного тиску пари в усій її повноті і ввели у вжиток відповідно побудовані парові котли, розвиваючі тиск в 30, 40, 60 і 70 фунтів на 1 кв. дюйм - тиск, який змусило б інженерів старої школи втратити свідомість від страху ".

Але так як економічний результат цього підвищеного тиску пари з очевидністю обернувся в абсолютно недвозначною формі фунтів, шилінгів, пенсів, парові котли високого тиску при конденсаційних машинах отримали майже загальне розповсюдження ».

Серед таких людей перш за все слід згадати інженерів Тревітік і Вульфа, які свого часу, будучи на службі у Уатта і Болтона, стежили за належної експлуатацією водопідйомних машин. Зокрема, коли закінчився термін дії контрактів у Корнуелл, за якими винахідник отримав частину зекономленого в процесі експлуатації вугілля, інженерний контроль був припинений і парове господарство рудників швидко занепало.

Відновлення і модернізацію цього господарства доручили Тревітік і Вульфу. Систематично удосконалюючи парові машини головним чином шляхом збільшення тиску пари і ступеня розширення в циліндрах, вони в 1874 р. довели продуктивність найкращих Корнуельського машин (що вважалися в той час найбільш економічними) до 141 000 кгм на 1 кг вугілля, що відповідає ефективному ккд 4,1%.

Парова машина - предок всіх сучасних двигунів. Протягом багатьох років, незважаючи на велику вагу і невисокий ККД, вона була єдиним пристроєм для перетворення теплоти в роботу.

Створення парових машин призвело до виникнення нової виробничої бази, а досвід і знання, накопичені в процесі їх розробки та експлуатації, дозволили згодом отримати більш досконалі двигуни. Саме в процесі розробки парових машин були пізнані і вивчені основні закони перетворення тепла в роботу і багато інших законів природи.

Однак з розвитком капіталізму все більше зростала потреба в інших приводних двигунах. Паровий двигун задовольняв підприємства з безперервним виробничим процесом (текстильна, гірнича промисловість та ін.)

На тих же підприємствах, де парова машина використовувалася нерегулярно, вона була просто нерентабельним, а тому необхідний був двигун принципово нового типу: без котла, з малим часом запуску і з порівняно невисокою потужністю одиничною силової установки. Робочим тілом такого двигуна не міг бути пар. Почалися спроби створення двигунів, що працюють на інших робочих тілах.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://subscribe.ru/archive/tech.dvigatel