Текст книги "Путешествие к истокам машиностроения"

Пароатмосферный двигатель Томаса Ньюкомена

– Когда же мы увидим реально действующую паровую машину и встретимся с ее изобретателем? – Дима уже стал привыкать к исторической несправедливости, но хотелось продолжить путешествие.

– В 1705 году, еще до нашей беседы с Дени Папеном, Томас Ньюкомен начал испытания своей первой машины, а в 1711 году он наладит промышленный выпуск пароатмосферных двигателей. Спустя всего лет десять его машины станут применять не только в Англии, а в совершенствовании конструкции машины примут участие и другие изобретатели. С этими скромными тружениками тоже не мешало бы встретиться. Пожалуй, вот что мы сделаем, – отправимся не в Англию, а в Словению и посмотрим действующую промышленную установку. А еще мне хочется познакомить тебя, Дима, с твоим сверстником Гемфри Поттером, который своим поступком положил начало автоматическому управлению машиной.

Они шли по каменистой местности, и окружал их довольно унылый пейзаж. В полукилометре от них виднелись черные насыпи. Магик объяснил, что это каменный уголь, добытый из-под земли. А когда они подошли поближе, он сделал землю под ними прозрачной, и Диму ужаснула увиденная картина: прямо под ними полуголые рабочие с черными от пыли лицами кирками долбили каменный уголь.

– Видишь, здесь слой угля не больше метра, поэтому шахтерам приходится работать в штреке (горизонтальной горной выработке) полулежа. Затем уголь грузят на деревянные салазки и волокут к вагонеткам, а из вагонеток его выгружают в бадьи, которые поднимают на поверхность земли, – стал пояснять Магик.

– Теперь я понял, почему люди стремились создать паровую машину: для того чтобы облегчить труд шахтеров, – обрадовался Дима собственной догадке.

– Ты, пожалуй, прав. Но механизировать процесс добычи полезных ископаемых начали задолго до изобретения паровой машины. Если бы у нас с тобой было достаточно времени, я показал бы тебе интереснейшие иллюстрации из книги, написанной Георгом Агриколой еще в 1556 году. Там приведен ряд машин, помогающих доставать руду из шахт или откачивать воду.

Робику надоело брести по каменистой дороге, и он хотел попросить возчиков, которые везли уголь, подвезти их. Диму не обрадовала перспектива быть испачканным черной угольной пылью, и он просительно взглянул на Магика. Магик жестом показал на громадную установку высотой с трехэтажный дом, сказав, что они уже у цели. Из кирпичной трубы, встроенной в стену, валил черный дым. Внизу в топку непрерывно загружали уголь, который подвозили на повозках. Возчики, высыпав уголь, разворачивались и ехали за новой порцией угля для ненасытного, пышущего огнем чудовища. Примерно на уровне второго этажа Дима увидел огромный котел с полукруглой крышкой. А еще выше, на котле, стоял цилиндр, из которого вырывались клубы пара. Цилиндр пыхтел и ухал, как живой (рис. 113). Над цилиндром качалось большое коромысло. Судя по всему, именно цилиндр заставлял его качаться. Магик, не дожидаясь вопросов, начал пояснять:

– Смотри, Дима, коромысло заставляет двигаться вверх-вниз шток (стержень, соединяющий поршень с коромыслом) поршневого насоса, откачивающего воду из шахты. Чтобы приводить в движение насос, и создана эта машина.

Рис. 113. Пароатмосферный двигатель Томаса Ньюкомена

– О, это великолепная машина! Она позволяет откачать за год более двух миллионов литров воды, – послышался голос неожиданно подошедшего молодого худощавого человека. От суетившихся вокруг установки людей его отличала строгая и элегантная, а главное, чистая одежда. Их новый собеседник представился: – Меня зовут Айзек Поттер, я конструктор этой замечательной машины. А с кем я имею честь?

Магик представил своих друзей, кратко объяснил цель их путешествия и попросил объяснить принцип действия машины. Однако Дима не дал конструктору даже рта открыть и решил уточнить:

– Так вы и есть изобретатель паровой машины? Кстати, это паровая машина или все же пароатмосферная?

Магик напомнил ему, что о разнице в названии у них уже был разговор.

Смущенный конструктор не совсем понимал, в чем дело. Подумаешь, название, чем плохо называть эту установку «огнедышащей машиной», главное, чтобы она приносила людям пользу.

– Не я изобретатель данной машины: она сконструирована по схеме, разработанной Томасом Ньюкоменом. Принцип работы ее заключается в следующем: в нижнюю полость цилиндра под поршень впускают пар, ненагруженный поршень легко поднимается вверх до упора, затем в цилиндр впускают немного холодной воды. А дальше следует главное: при охлаждении пар быстро конденсируется, и под поршнем образуется разреженное пространство. Под действием атмосферного давления поршень опускается и тянет за собой конец коромысла, поворачивая его. В это время противоположный конец коромысла поднимает поршень насоса из-под земли вместе с водой, часть которой выливается и отводится по лотку в сторону от шахты. Далее цикл повторяется: в нижнем положении поршня открывают кран, впускающий пар в цилиндр, а в верхнем положении открывают кран с холодной водой. Давайте поднимемся на второй этаж, и я покажу, как это делается, а заодно познакомлю со своим сыном Гемфри, именно ему поручено периодически открывать кран с водой.

Когда они подошли к крану, конструктор, заметив отсутствие сына, рассердился:

– А где же Гемфри, куда он делся?

Один из рабочих подошел и сказал, что тот отправился играть со своими сверстниками, привязав проволокой к коромыслу рукоятку крана. Теперь кран открывался сам при натяжении проволоки, когда коромысло поднимается в самый верх.

Да они и сами видели, что машина не останавливалась ни на минуту.

Тут прибежал запыхавшийся вихрастый мальчуган. Он был чуть старше Димы. По его виду можно было понять, что за играми он забыл о порученном ему простом, но важном деле и ожидал наказания. Но его отец погладил мальчугана по голове и обрадованно сказал:

– Ты еще не понимаешь, какое великолепное сделал изобретение. Если мы соединим тягами и рычагами оба крана с коромыслом, то они будут сами открываться и закрываться в нужное нам время.

Конструктор отдал несколько поручений и вместе с сыном поспешил приступить к решению данного вопроса. Диме, конечно, было обидно, что ему так и не удалось поговорить с Гемфри Поттером, Магик ободрил его:

– Видишь, Дима, в жизни бывает и такое, что еще совсем молодой человек сумел предложить способ автоматического действия машины. Но обычно для таких решений кроме таланта требуется совокупность знаний и опыта, которой, несомненно, обладал изобретатель первой паровой машины Джеймс Уатт.

Что же изобрел российский механик Иван Ползунов?

– Подожди, Магик, мне кажется, ты забыл о Ползунове, ведь во многих книжках я читал, что именно он изобрел паровую машину, – возмутился Дима, на что Магик ответил:

– Я уже говорил тебе, чем отличается паровая машина от пароатмосферной. Так вот, Иван Ползунов усовершенствовал пароатмосферный двигатель Ньюкомена, о котором он узнал из книги И. А. Шлаттера. Он родился через 17 лет после создания Ньюкоменом первой промышленной установки, а умер за 16 лет до того, как Джеймс Уатт в 1782 году придумал свою паровую машину.

– Так что же все-таки изобрел Ползунов? – Диме не терпелось все узнать побыстрее.

– Для своего времени он сделал важное предложение присоединить к машине Ньюкомена не только насос для откачивания воды, но и воздуходувки рудоплавильных печей. Для этого ему потребовалось изменить механизм преобразования движения поршней и установить воздушный аккумулятор для независимого подключения потребителей энергии. Еще не менее интересное предложение заключается в использовании в одной машине двух цилиндров. Причем поршни цилиндров соединены таким образом, что при рабочем ходе одного другой совершает холостой ход. Мало того что они помогают друг другу, но еще и обеспечивают более плавную работу непрерывной сменой одного рабочего хода другим, – продолжал пояснения Магик.

– Так что же мешает встретиться с ним и посмотреть его установку? – решил уточнить Дима.

Ответ Магика был категоричен:

– Позволь мне самому решать, с кем встречаться, а с кем нет, мы же не встречались ни с Христианом Гюйгенсом, ни с Томасом Севери, ни с Робертом Бойлем, ни с другими учеными и изобретателями, благодаря трудам которых стало возможным создание паровой машины. Нам не хватит ни времени, ни знаний, чтобы по достоинству оценить вклад каждого, поэтому мы пока будем лишь знакомиться с изобретателями машин. Да, кстати, мы уже в Шотландии, и сейчас идет 1784 год.

Джеймс Уатт и его гениальные изобретения

Не успел Дима что-либо сообразить, как они оказались в здании заводоуправления фирмы «Уатт и Болтон» и вошли в кабинет Джеймса Уатта. Это был, пожалуй, не кабинет, а настоящая лаборатория, так как все стены были завешаны чертежами машин, а на столах стояли различные модели механизмов. Хозяин кабинета стоял у окна и держал в руках устройство с двумя шарами и рычагами, соединенными между собой в виде ромба (как показалось Диме). Он о чем-то размышлял, периодически разводя шары в разные стороны, а потом стараясь их приблизить.

Уатт бросил взгляд на вошедших гостей и от удивления вначале не мог произнести ни слова. Потом он, видимо, решил, что перед ним обычные механические игрушки, принадлежащие какому-то странному юноше, но когда Магик вышел вперед и заговорил, он снова обомлел. Магик коротко объяснил, кто они и для чего прибыли сюда:

– Нам известно, что вы самый знаменитый изобретатель, и спустя много лет после вашей смерти каждые два года, начиная с 1932 года, одного из лучших и всеми признанных механиков в мире награждают медалью вашего имени. Поэтому мы и хотим узнать о ваших гениальных творениях, и прежде всего о главном из них – паровой машине.

Маховик впервые был предложен в XI веке Теофилом Пресбиттером. Он уменьшает неравномерность вращения выходного вала

Джеймс Уатт был польщен столь высокой оценкой его деятельности:

– Вы, наверное, имеете в виду паровую машину, в которой пар впускается в цилиндр поочередно – то с одной, то с другой стороны относительно поршня. Я называю ее машиной двойного пара или двойного действия. Но до этого были и другие не менее значимые изобретения.

– Давайте начнем с того момента, как вам поручили исправить действующую модель машины Ньюкомена, – попросил Магик.

Глаза Уатта засветились – наверняка его первое детище было самым любимым:

– О, это был перелом в моей жизни. В 1764 году я работал в университете города Глазго лаборантом, или, как меня называли, «мастером математических инструментов». Починить модель для меня не составляло труда. Но мне не нравилось, что в одном и том же цилиндре приходится иметь сначала горячий пар, а затем его охлаждать. Представляете, какие это неоправданные потери энергии! Однажды во время прогулки мне пришла мысль выпускать пар из цилиндра в специальную конденсационную камеру, где его можно охлаждать и конденсировать. Процесс при этом должен ускориться, а расход количества теплоты уменьшиться. Пока я дошел до конца аллеи, у меня в голове полностью сформировался проект новой машины (рис. 114).

Рис. 114. Паровая машина Джеймса Уатта (1781 г.)

Уатт подошел к одному из чертежей, показал, как связан цилиндр с конденсационной камерой (конденсатором), и продолжил:

– Кроме использования конденсатора, я окружил цилиндр второй стенкой (паровой рубашкой), чтобы не допускать даже небольшого охлаждения пара. Но конденсатор (или «холодильник», как я его называю) оставался основной частью машины, запатентованной мною в 1769 году. Кстати, это решение оказалось не таким простым: потребовалось разработать систему подачи воды для охлаждения, создания разрежения в цилиндре и отвода конденсата. Для этих задач прорабатывались различные конструкции. В итоге мне удалось в 2,7 раза уменьшить расход топлива при той же мощности, что и у Ньюкомена.

– А когда вы заставили пар совершать рабочий ход? – вступил в разговор Дима.

– Машина, созданная мною по патенту 1782 года, отличается от всех предшествующих не только тем, что в ней работает пар, а поршень движется как в одном, так и в другом направлении под давлением пара. Поступление пара в цилиндр прекращается до окончания хода благодаря высокому давлению. Тем самым удалось еще уменьшить расход топлива.

– Скажите, пожалуйста, как вам удалось превратить паровую машину в универсальный двигатель? – спросил Магик.

Джеймс Уатт вместо ответа пригласил своих гостей посмотреть уже изготовленную машину в действии.

Они спустились в цех, где в это время проводили испытание новой машины. Первое, на что Дима обратил внимание, это паровой цилиндр. Его диаметр был не менее полуметра. При каждом движении поршня из цилиндра вырывались клубы пара. Дима с удивлением заметил:

– Вы же говорили, что не выпускаете пар наружу? Это замечание не смутило Уатта:

– Пар вырывается через зазор между поршнем и цилиндром. Его потери невелики, хотя желательно было бы их исключить.

– Так уменьшите зазор или поставьте более надежное уплотнение! – подсказал Дима.

Уатт взглянул на него так, как будто хотел сказать: «Ну что за наивный этот молодой человек», но произнес следующее:

– Нужно повысить точность изготовления цилиндра, сделав его внутреннюю поверхность идеально круглой. А вообще-то по этому вопросу я советую вам встретиться с изобретателем новых станков Вилкинсоном. Это он для нас изготовляет крупные металлические детали. У него на заводе можете увидеть разработанный и запатентованный мной паровой молот. Но все же давайте не будем отвлекаться от темы разговора.

Дима воспользовался данным предложением:

– Мне непонятно, что нагорожено между коромыслом и штоком поршня, разве нельзя установить простой шатун? С противоположной стороны я вижу какие-то шестеренки. И здесь не стоит ли тоже упростить соединение коромысла с валом?

Казалось, такого вопроса Уатт ожидал, и он уже с уважением посмотрел на Диму, оказывается, этот молодой человек довольно умен, а затем стал рассказывать:

– Эти конструктивные решения вынужденные. Представляете, некоторые господа подсуетились и запатентовали кривошипно-коромысловый механизм применительно к паровой машине. Это несправедливо, так как он известен многие века и применяется в токарном станке (в нем, качая ногой коромысло, через шатун передают движение кривошипу). Получить в наши дни патент на такой механизм равноценно признанию изобретением применение для резания сыра ножа, которым режут хлеб. Но вы знаете, в какой-то мере я даже рад этому обстоятельству, иначе мне не пришлось бы создать такие замечательные изобретения, как прямолинейно-направляющий механизм и планетарную передачу.

После этих слов Магик заявил, что его замечательный механизм носит имя автора и его называют параллелограммом Уатта. Его применяют в целом ряде машин. А планетарная передача стала первой в широком ряду целого семейства зубчатых механизмов. Уатт обрадовался такому повороту истории в будущем, но все равно про себя решил, что, когда кончится срок злополучного патента, упростит механизм своей машины (рис. 115).

Рис. 115. Паровая машина двойного действия (1784 г.

В это время Дима задал еще один вопрос:

– А что это за вертушка такая с шарами? Мне кажется, мы ее видели у вас в кабинете, – и указал на заинтересовавшее его устройство.

Уатт отвечал с благоговением:

– Посмотрите на центробежный регулятор (рис. 116). С его помощью удается поддерживать постоянной частоту вращения выходного вала. Смотрите, регулятор приводится во вращение от вала через зубчатую передачу. Если частота вращения увеличивается, то шары расходятся и перемещают ползун, который через систему рычагов слегка прикрывает заслонку в паропроводе. Поступление пара уменьшается, и процесс стабилизируется.

– Это изобретение, по сути, является началом новой эпохи автоматического регулирования, а самое главное, его более 200 лет будут широко применять во многих машинах. Правда, затем появятся миниатюрные датчики угловой скорости, но до полной замены центробежных регуляторов еще так далеко, – подвел итог Магик.

Рис. 116. Джеймс Уатт на фоне его паровой машины двойного действия и с центробежным регулятором в руках

Он поблагодарил великого изобретателя, и друзья попрощались с ним. Джеймс Уатт вернулся к своим делам, сразу же забыв о забавных посетителях, а вот Дима расстроился:

– Неужели у такого изобретателя больше нет ничего интересного, с чем стоило бы нам познакомиться? Интересно, много ли он создаст за последующие годы, ведь он совсем еще не старый.

– Действительно, ему только 48 лет, и проживет он еще 35. Но, как ни странно, он уже сделал все то, что его так прославило, и заниматься он будет лишь улучшением прежних конструкций. Он будет методично брать патенты на свои новые изобретения, но не осуществлять их. Более того, его последующая жизнь полна судебных споров с изобретателями других машин. Иногда его поступки будут препятствовать дальнейшему развитию техники, но все это не идет ни в какое сравнение с его великими заслугами перед человечеством. Ведь не случайно на памятнике, установленном на его могиле, начертано «Увеличил мощь людей», а его именем названа единица мощности ватт (Вт). В продолжение начатой темы (паровой машины) давай, Дима, познакомимся с первым паромобилем.

– А как же Вилкинсон, ведь он где-то рядом, да и Уатт советовал с ним встретиться? – напомнил Дима, хотя и знал, что Магик будет поступать по-своему.

– Нам не составит труда вернуться к изобретателям станков, а сейчас мы уже во Франции в 1769 году.

Первый паромобиль создан Жозефом Кюньо

Робик бежал впереди, Дима шел за ним, а Магик, не торопясь, ковылял сзади. Навстречу им шли праздно прогуливающиеся люди, явно ожидавшие чего-то. Вдруг Дима увидел, что по улице движется громадная повозка на трех больших колесах (рис. 117), рядом с которой шагали мальчишки. Их постоянно отгоняли взрослые: не дай бог попадут под колеса этого страшилища. Повозка издавала сильный шум, а впереди из трубы валил черный дым. Более того, откуда-то снизу буквально выстреливали струи пара. Дима успел рассмотреть, что над передним колесом повозки нависал большой круглый котел, а на достаточно высоком сиденье восседал человек лет сорока. Странно было видеть на нем элегантный костюм и белую рубашку с бабочкой.

Рис. 117. Первый паромобиль (артиллерийский тягач), созданный и испытанный Жозефом Кюньо (1769 г.)

Когда повозка поравнялась с нашими друзьями, Магик сказал:

– Это и есть Жозеф Кюньо – изобретатель первого паромобиля. Мы еще успеем с ним познакомиться, а пока на всякий случай отойдем подальше, так как предстоит самое неприятное.

Повозка благополучно проехала мимо них до самого поворота улицы. Дима увидел, что водитель пытается повернуть переднее колесо. Он налегал на рулевой рычаг, но колесо уже въехало на рыхлую почву, и его трудно было сдвинуть с намеченного направления. Все усилия были напрасны. Изобретатель растерялся и даже не сообразил перекрыть пар из котла в цилиндры. Машина упрямо лезла вперед уже по грязи и приближалась к каменной стене. Нервы изобретателя не выдержали, и он спрыгнул на землю. А тем временем котел врезался в каменную стену. Последовал довольно сильный взрыв, полетели куски кирпичей и ошметки грязи. Весь перепачканный, но живой изобретатель поднялся с земли и с отсутствующим взглядом поплелся назад по дороге. Прохожие провожали его сочувственными взглядами. Магик необычно быстро пошел вслед за ним, не отставали и Дима с Робиком.

– Ведь все шло так хорошо! Зачем я выехал за ворота, ведь машина удачно проехала целый круг по двору, – бормотал удрученный изобретатель, – теперь вряд ли мне дадут денег на дальнейшую доработку машины.

– Если мои слова хоть чуть облегчат ваше состояние, то осмелюсь сказать, что, несмотря на неудачу, вы уже вошли в историю. Ваш восстановленный паромобиль окажется в музее, но работы над совершенствованием транспортных средств на основе паровой машины отодвинутся лет на тридцать, и вы в них не будете участвовать.

Изобретатель прислушивался к словам Магика, не понимая, с кем имеет дело.

Магик растолковал цель их появления, и Жозеф Кюньо, успокоившись, пригласил гостей к беседе. Она ему была даже нужнее, чем нашим друзьям, чтобы поделиться горем и, обсуждая, понять причину неудачи. Ему не хотелось возвращаться к своему разрушенному детищу, и поэтому он стал пояснять устройство машины на красочном рисунке с изображением поперечного разреза машины (рис. 118). Два задних колеса были видны по бокам, а переднее колесо – ведущее – расположено посередине. Его вращение обусловлено работой паровых цилиндров. Пар под давлением поочередно поступает то в левый, то в правый цилиндр и давит на поршни. Поступление пара регулируется поворотным распределителем. При опускании поршня штоки поочередно действуют на зубья храпового колеса и вращают его. При подъеме штока собачка свободно проскакивает через скошенные зубья храпового колеса. Колесо установлено в поворотной вилке, шарнирно соединенной с рамой машины. Вся машина весит 3,5 тонны, и ее расчетная скорость составляет 4,5 километров в час. Такая машина может использоваться в качестве тягача для артиллерийских орудий. Главное, что она успешно прошла первое испытание в присутствии заказчика, и вот неудача.

Рис. 118. Схема устройства первого паромобиля с поперечным разрезом двигателя

– Могу указать на недостатки машины, но вы об этом забудете, как только мы выйдем отсюда, – предложил Магик и, не дожидаясь ответа, продолжил: – Нельзя было так сильно нагружать переднее колесо.

– Хотелось увеличить сцепление с дорогой, – оправдывался изобретатель, а Магик уточнил:

– Вы переусердствовали, и вот результат – переднее колесо стало почти неуправляемым. Кроме того, при повороте машина могла и опрокинуться. И, самое главное, применяя пар под высоким давлением, котел стоило снабдить предохранительным клапаном. Тем не менее ваше решение интересное и смелое, – как только Магик закончил фразу, наши герои уже покинули огорченного изобретателя и сразу же стерлись в его сознании.