Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Томас Ньюкомен (1663–1729), кузнец, изобретатель и временами проповедник, создал свой двигатель в 1712 году после многих лет экспериментов. Его первый двигатель был установлен в Дадли-Касл в Стаффордшире для откачки воды из шахты. Партнер Ньюкомена, стекольщик и водопроводчик из Дартмута Джон Калли, выполнял основную часть ручной работы. Вклад Ньюкомена – это гениальное смешение знакомых приспособлений с его собственными идеями (рис. 7.1). Он взял медные котлы и печи пивоваров для производства пара для того же цилиндра и поршня, который использовался для подъема воды еще при римлянах, и конденсации пара под поршнем в цилиндре, чтобы создать там частичный вакуум, который позволит весу атмосферного столба опустить поршень. Вместо того чтобы использовать метод Севери, который лил холодную воду на наружную поверхность, конденсируя пар, Ньюкомен разбрызгивал воду непосредственно в вертикальный цилиндр. Это конденсировало пар, создавало вакуум и позволяло атмосферному давлению двигать поршень вниз. С целью заставить поршень работать при движении вниз он соединил поршневой шток с горизонтальной поворотной балкой – балансиром, а с другим концом балансира был соединен шток насоса. Когда поршень находился в крайнем верхнем положении, закрывали кран, впускавший пар из котла в цилиндр, и вбрызгивали в цилиндр воду. Под действием этой воды пар в цилиндре быстро охлаждался, конденсировался и давление в цилиндре падало. Вследствие создавшейся разницы давления внутри цилиндра и вне его силой атмосферного давления поршень двигался вниз, совершая при этом полезную работу – приводил в движение балансир, который перемещал шток насоса. Затем снова запускали пар в цилиндр. Поршень опять поднимался вверх, и весь цилиндр наполнялся паром. Когда вновь вбрызгивали воду, пар снова конденсировался, а поршень совершал полезное движение вниз.

Рис. 7.1. Паровая машина Томаса Ньюкомена

На концах балансира располагались полукруглые арки, через которые перекатывали цепи, когда балансир качался, и штоки двигались вверх-вниз по вертикали. Для того чтобы открыть и закрыть клапаны в нужный момент, Ньюкомен использовал специальное приспособление. С его помощью он избегал открытия и закрытия клапанов вручную и увеличивал частоту энергетических циклов, как утверждают, от 6–8 до 15–16 в минуту. Говорят, что мальчик Хамфри Поттер, ученик оператора насоса, должен был открывать клапан подачи пара в нижнем положении поршня, а водяной – в верхнем. Он связал ручки клапанов и шток с помощью веревочки и палочки, и получился кулисный механизм. Теперь клапанами управлял сам поршень. История интересная, но не имеющая доказательств. Машина Ньюкомена была громадным шагом вперед по сравнению с машиной Севери. Балансир Ньюкомена в течение некоторого времени был главной чертой стационарных поршневых двигателей. Но штоки работали только под напряжением. Машина функционировала при давлении равном или ниже атмосферного, не используя движущую силу пара. Ее термическая эффективность, или отношение между расходом топлива и производимой мощностью, стала предметом исследования и усовершенствования последователями Ньюкомена.

Границы патента Севери были настолько широки, что Ньюкомен даже не пытался получить патент для себя. Вместо этого компания или партнерство приобрели права Севери после его смерти около 1715 года и в течение следующих восемнадцати лет контролировали производство паровых машин в Великобритании. Хотя детали с приобретением опыта совершенствовались, популярность машин Ньюкомена для осушения шахт оставалась высокой. Она могла работать с поверхности и поднимать воду с больших глубин, чем всасывающий насос Севери. Диаметр парового цилиндра, естественно, был намного больше, чем диаметр цилиндра насоса на противоположном конце балансира. Атмосферное давление, приложенное к большей площади, поднимало пропорционально более высокий столб воды.

В мире узнали, что у англичан есть хорошая машина. В 1722 году насос Ньюкомена был установлен в шахте в Венгрии, еще один поднимал воду в Пасси из Сены для снабжения Парижа. К моменту смерти Ньюкомена в 1729 году его насос был востребован и в Англии, и на континенте. Он практически революционизировал добывающую промышленность. Швед Мартин Тривальд (1691–1747) в 1734 году писал, что машина в шахте Даннемора выполняла работу 528 лошадей, трудившихся 24 часа.

К 1739 году в каменноугольной шахте в Фресне, Франция, уже был насос Ньюкомена с 30-дюймовым цилиндром и 9-футовым ходом поршня, который поднимал воду с глубины 90 футов. Он работал только 48 часов в неделю почти без обслуживания там, где до этого работало 50 человек и 20 лошадей посменно всю неделю. Ему надо было всего двадцать четыре часа, чтобы полностью очистить шахту. Французский инженер Бернар Форест де Белидор (1697–1761) был в восторге. В труде Architecture hydraulique он писал: «Могу поклясться, что это самая чудесная из всех машин. Нет ни одной другой, в которой механизм так сильно напоминал бы организм животного. Тепло – причина движения, круговорот происходит в разных трубах, как кровь в венах, в ней есть клапаны, которые открываются и закрываются в нужный момент. Она кормится, через регулярные интервалы исторгает из себя то, что отработано, она черпает из своей работы все, что ей нужно». В это время уже родился Джеймс Ватт, вскоре ему предстояло создать собственный двигатель, и машина Ньюкомена будет забыта.

Паровые насосы Ньюкомена использовались на шахтах, в плавильных цехах, на металлургических производствах, текстильных фабриках. Постепенно стали проявляться их недостатки. Он сам поместил кожаный диск на поршень и гидравлический затвор, чтобы сократить утечки. Но его ранние цилиндры были сделаны грубо, и, хотя их шлифовали вручную, сила трения и потеря мощности были велики. Из-за разницы диаметров поршень мог застревать или вакуум образовываться лишь частично. Хотя цилиндры из меди могли изготавливать более точно, они были тонкими и очень дорогими и становились только дороже, поскольку увеличивались в размерах с ростом потребности в мощностях. К 1765 году появились машины с цилиндрами диаметром 72 дюйма, длиной более 10 футов и весом почти 7 тонн. Чугунные цилиндры стоили намного дешевле, но они оказались толстыми, слишком толстыми для быстрой смены температуры, что было совершенно необходимо. В процессе Ньюкомена стенки цилиндра сначала охлаждались для конденсации пара внутри и создания вакуума. Сразу после этого впуск свежего пара снова их нагревал. Полный цикл занимал всего несколько секунд. Большое количество тепла терялось.