Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений

Большое значение имело творчество французского физика Дени Папена, изобретателя парового котла и предохранительного клапана. Он первым в 1690 г. правильно описал пароатмосферный цикл, в котором использовалось атмосферное давление.

Сущность пароатмосферного цикла заключалась в следующем. В цилиндр наливалась вода, до уровня которой опускался поршень. Подогревая воду, получали пар, поднимавший поршень до верхнего положения. Затем упоркой заклинивался шток, огонь убирался, и цилиндр поливался водой. В результате создавались конденсация пара и безвоздушное пространство. Когда убиралась упорка, то поршень под давлением атмосферы опускался, что и позволяло поднимать груз на определенную высоту.

Впервые практически решил эту проблему англичанин Т. Сэвери, создав машину, предназначенную для откачки воды из шахт. Паровой насос «Друг рудокопов» – так называлась машина Сэвери (патент на нее был получен изобретателем в 1698 г.) – состоял из котла и сосуда. Они соединялись между собой трубой, имевшей кран. Пар, поступая из котла в сосуд, вытеснял оттуда воздух через всасывающую трубу. Затем закрывался кран, а сосуд обливался холодной водой из бачка, в результате чего пар конденсировался. Под давлением атмосферы вода по всасывающей трубе поднималась в сосуд. Открывая кран снова, подавали в сосуд пар, выталкивавший воду по нагнетающей трубе на поверхность. Затем все операции повторяли вновь.

Новое в машине Сэвери по сравнению с паровым котлом Папена заключалось в том, что у Сэвери паровой котел был отделен от рабочего пространства. Но работа пара и его конденсация по-прежнему происходили в одном и том же сосуде. Машина Сэвери была крайне не экономична, ибо попеременное нагревание и охлаждение одного и того же сосуда требовали большого количества топлива. Она расходовала до 80 кг угля на 1 л. с. в час.

Эта машина обладала рядом серьезных недостатков. Глубина всасывания в ней не превышала 10 м, т. е. высоты, соответствующей атмосферному давлению. Высота подачи воды в машине достигала 30 м, что определялось давлением пара, которое по условиям прочности котла не могло превышать 3 атмосфер. Для откачивания воды с большей глубины нужно было ставить несколько машин одну над другой. Насос был небезопасен в работе из-за частых взрывов.

Но машины Сэвери все же довольно широко применялись на протяжении всего XVIII в. как в Англии, так и в других странах. В 1707 г. одна из машин Сэвери была приобретена Петром I и установлена в Петербурге в Летнем саду для приведения в действие фонтанов.

Дальнейший шаг в деле совершенствования паровых машин сделал английский кузнец Томас Ньюкомен, в 1711 г. предложивший использовать для привода шахтных насосов свою конструкцию пароатмосферной машины.

Принцип работы машины Ньюкомена состоял в следующем: внутри цилиндра двигался поршень, связанный с одним концом балансира. Другой конец балансира был соединен со штангами водоотливного насоса. Поступающий из котла в цилиндр пар, для чего открывали кран, поднимал поршень, который уравновешивался собственным весом насосной штанги и добавочного груза. Затем для конденсации пара в цилиндр из резервуара через кран впрыскивалась холодная вода. Атмосферное давление обеспечивало движение поршня вниз и, соответственно, подъем насосных штанг (откачку воды). Сконденсировавшийся пар вместе с охлаждающей его водой удалялся из цилиндра по трубе. Излишний пар из котла выходил через предохранительный клапан.

Мощность пароатмосферной машины Ньюкомена составляла 8 л. с. Она обеспечивала подъем воды с глубины 80 м. Хотя в насосе Ньюкомена котел был отделен от парового цилиндра, однако он все же выполнял двойную функцию, т. е. рабочий цилиндр был в то же время и конденсатором. Чередование охлаждения цилиндра холодной водой и нагревание его горячим паром по-прежнему требовали огромного количества топлива. Машина расходовала в час около 25 кг угля на 1л. с.

Много важных усовершенствований в пароатмосферную машину внес в 1772 г. инженер Смитон. Не меняя основного принципа действия, он рассчитал правильное соотношение между размерами частей машины. Это способствовало лучшему изготовлению машины. Кроме того, Смитон сделал более целесообразной конструкцию отдельных частей машины.

Машины Ньюкомена получили в XVIII в. довольно широкое распространение в Англии, Франции, Германии. Они работали главным образом в горной промышленности; иногда применялись в качестве машин для снабжения водой водопроводов больших городов. В 1722 г. шесть таких машин были установлены на рудниках Банской Штявницы в Словакии. В 1728 г. шведский механик М. Тривальд построил пароатмосферную машину. В 1750 г. машины Ньюкомена появились в Америке, правда, там их усовершенствовали.

В России первая пароатмосферная машина Ньюкомена была установлена в 1772 г. в Кронштадте для откачки воды из дока.

Несмотря на довольно широкое практическое применение, машина Ньюкомена не могла удовлетворить потребность промышленности в мощном универсальном двигателе. Она была громоздка, имела неравномерный ход, потребляла много топлива. О пароатмосферных машинах говорили, что для их изготовления нужен железный рудник, а для обслуживания – угольная копь. Поэтому они служили лишь узкоспециальным целям (например, для подъема воды или соляного раствора) и совершенно не годились для роли универсального двигателя машинной индустрии.

Между тем к 60-м годам XVIII в. в интересах развития промышленного производства отчетливо вырисовывалась потребность в более совершенном двигателе.

Первый универсальный тепловой двигатель был изобретен в России в 60-х годах XVIII в. выдающимся русским теплотехником Иваном Ивановичем Ползуновым.

Ползунов был знаком с описанием машин Сэвери и Ньюкомена, а также с работами М. В. Ломоносова по теплотехнике.

В результате своих исследований И. И. Ползунов в 1763 г. разработал проект создания «огнедействующей машины для заводских нужд». Он предполагал построить двухцилиндровую пароатмосферную машину. По проекту Ползунова пар из котла подавался в один цилиндр, где поднимал поршень до крайнего верхнего положения. Затем из резервуара в цилиндр впрыскивалась струя холодной воды, что приводило к конденсации пара. В результате давления атмосферы на поршень он опускался, в то время как во втором цилиндре в результате давления пара поршень поднимался. Водо– и парораспределение в машине Ползунова осуществлялось специальным автоматическим устройством. Непрерывное рабочее усилие от поршней машины передавалось на шкив, насаженный на вал, с которого движение передавалось водо-парораспределительному устройству, питательному насосу, а также рабочему валу, от которого приводились в движение воздуходувные меха.