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

В машине Ньюкомена не было вращательных движений. Все ее подвижные части совершали возвратно-поступательные движения. Во вращательных движениях не было никакой необходимости. Коленчатые рычаги издавна использовались для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное в насосах, приводимых в движение энергией воды, и других машинах, приводимых в движение руками (рис. 7.2), ногами или животными. Возвратно-поступательное движение, возникшее под влиянием мускульной силы человека, преобразовывалось во вращательное с помощью коленчатых рычагов, чтобы изготавливать гончарные изделия, молоть муку (рис. 7.4), месить тесто и т. д. Но ни Севери, ни Ньюкомен, ни любой другой изобретатель не адаптировали коленчатый рычаг или маховик к паровой машине, имея в виду преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное. Чтобы получить вращательное движение, они в некоторых случаях использовали поршневой двигатель для подъема воды в расположенные на высоте резервуары, откуда она выливалась на верхненаливные водяные колеса.

Несмотря на то что паровой насос Ньюкомена стал гигантским шагом вперед по сравнению с изобретениями его предшественников, он был медленным и неэффективным. Как уже было сказано, он работал при давлении равном или меньше атмосферного. Он использовал пар только для создания вакуума путем конденсации, что позволяло атмосферному столбу давить на поршень. Его балансир был сделан так, что двигался снова, когда вакуум нарушался, и пар снова подавался в цилиндр. Внушительная сила, заключенная в паре, не использовалась, чтобы тянуть или толкать. Машина потребляла гигантское количество угля, несопоставимое с выполняемой ею работой. Критики утверждали, что необходима шахта железной руды, чтобы построить машину Ньюкомена, и угольная шахта, чтобы она работала. Потери топлива могли составлять 99 %. И все же Томас Ньюкомен открыл неисчерпаемые возможности для инженеров, которые пришли после него, чтобы работать в горнодобывающей промышленности и на других производствах.

Рис. 7.2. Четырехцилиндровый насос для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное

Британскому инженеру Джону Смитону (1724–1792) было пять лет, когда умер Томас Ньюкомен. Еще мальчиком он собрал действующую модель пожарной машины и так увлекся механикой, что отказался пойти по стопам отца и стать юристом. Смитон начал с изготовления инструментов, но в возрасте двадцати девяти лет уже зарекомендовал себя знающим инженером, имеющим обширный круг интересов. Он первым назвал себя гражданским инженером (в отличие от военного), хотя в то время был более известен своими каналами, Эддистонским маяком, исследованиями свойств цемента и экспериментами с энергией воды. Смитон построил несколько машин Ньюкомена на Карронском металлургическом заводе в Шотландии, причем значительно повысил их механическую эффективность более точным изготовлением цилиндров, лучшим выбором пропорций частей и общими усовершенствованиями организации труда. Утверждают, что он добился наивысшей производительности, на которую способна эта машина. Одна из его самых крупных машин в 1775 году отправилась в Россию для осушения сухих доков Екатерины II в Кронштадте. Она заменила два гигантских ветряка высотой 100 футов, установленных голландскими инженерами в 1719 году. По имеющейся информации, ветрякам понадобился год на выполнение поставленной задачи, а машина Ньюкомена, построенная Смитоном, справилась за две недели.

Через сорок лет после смерти Ньюкомена Джеймс Уатт (1736–1819) внес такие важные и фундаментальные изменения, что по праву считается одним из творцов паровой машины вместе с Ньюкоменом и Севери. Как и Смитон, Уатт начал с изготовления инструментов и только потом стал практикующим инженером. Идея пришла к нему во время работы в лаборатории университета Глазго, где шотландский ученый Джозеф Блэк (1728–1799) читал лекции о теплоте. Уатт обратил внимание на потери тепла между ходами поршня в модели насоса Ньюкомена, который он ремонтировал, поскольку стенки цилиндра должны были охлаждаться и снова нагреваться в каждом цикле. Он продолжал применять пар при атмосферном давлении и частичный вакуум, но использовал отдельную камеру для конденсации пара, связанную, но изолированную от цилиндра, который он окружил паровой рубашкой, чтобы стенки оставались горячими. Тем самым он сэкономил три четверти топлива, которое тратил Ньюкомен.

Между 1765 годом, когда Уатт придумал отдельный конденсатор, и 1769 годом, когда он получил первый патент, Уатт внес еще два важных усовершенствования в машину. Он добавил воздушный насос, чтобы поддерживать вакуум в конденсаторе, выкачивая воду, конденсированный пар и воздух. Он также закрыл доселе открытый верхний конец цилиндра, построил вокруг поршневого штока то, что сегодня называется сальник, и заставил пар, а не воздух толкать поршень вниз. В патенте 1769 года он утверждал: «Я намерен во многих случаях использовать усилие расширения для давления на поршни или то, что может использоваться вместо них, таким же образом, как сегодня используется давление атмосферы в пожарных машинах или двигателях Ньюкомена».

Рис. 7.3. Машина Уатта двойного действия мощностью 8 лошадиных сил

Четыре новые идеи заключены в его патенте – отдельная камера для конденсации, паровая рубашка для цилиндра, воздушный насос и использование силы расширения пара.

Как и насос Ньюкомена, эта машина Уатта была одинарного действия и могла использоваться только как насос. В 1782 году, однако, Уатт запатентовал машину двойного действия (рис. 7.3), в которой пар и вакуум направляются на противоположные стороны поршня попеременно. Эта новая машина подвергала поршневой шток и сжатию, и растяжению. Поэтому цепь, которой Ньюкомен соединял поршневой шток с балансиром, больше не использовалась. Вместо нее Уатт придумал приспособление из параллельных тяг для придания поршню паровой машины примерно прямолинейного движения. Он очень гордился своим изобретением, которое запатентовал в 1784 году, считал его своей лучшей работой, но на этом не остановился и совершил еще много более важных открытий.

Джеймс Уатт также создал ртутный вакуумметр, водомерное стекло в конденсаторе, дроссельный клапан для впуска и выпуска пара, манометр и многое другое. Он разработал счетчик для учета числа ходов поршня и устройство, которое графически показывает давление в цилиндре на протяжении всего хода поршня. Он стал делать выемки на краю поршня и забивать их пенькой в жире, чтобы уменьшить утечки и трение. Для контроля парового дросселя, а значит, скорости машины Уатт приспособил центробежный регулятор с мукомольных мельниц, где он использовался для регулировки расстояния между верхним и нижним жерновом. Он даже придумал и запатентовал в 1782 году устройство для прекращения подачи пара в начале хода поршня, чтобы можно было использовать расширение пара. Этот механизм используется и сегодня в большинстве поршневых двигателей, хотя сам Уатт не применял его с высокой эффективностью в своих машинах низкого давления. Он был экономичен только при более высоких давлениях, чем Уатт мог допустить.