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

Когда размеры машин увеличились, стало необходимо исключить использование дерева. Судя по описанию гигантского балансира, сделанного из двадцати еловых деревяшек, установленных комплектами по десять, можно предположить следующие его размеры: ширина 2 фута, толщина 5 футов на концах и 10 футов в центре. К 1787 году Уатт заменил такие нескладные, громоздкие детали чугунными, и его машины стали целиком металлическими. Металлические балансиры могли быть выполнены в виде ферм или ромбов, так что использовались все материалы. Не было никакого ненужного металла.

Мэттью Болтон осознавал, что поршневой двигатель Уатта имеет ограниченное будущее, потому что может работать только как насос. И он предложил Уатту создать машину, в которой возвратно-поступательное движение будет преобразовываться во вращательное. Самый очевидный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное – использовать кривошип и маховик, чтобы провести кривошип через мертвую точку. Такой способ был известен давно (рис. 7.4). Самый ранний известный коленчатый рычаг 850 года (рис. 5.1) был прикреплен к точильному камню, который также служил маховиком. Никто, даже Уатт, по-видимому, не осознавал, что маховик будет поддерживать скорость двигателя практически одинаковой на протяжении одного оборота. Такое недопонимание неудивительно, поскольку маховик действует как накопитель энергии, высвобождающий ее, когда кривошип проходит через мертвую точку, и накапливающий ее во время остального хода поршня. Но только в середине XIX века ученые развили концепцию энергии. Уатт этого не знал.

Рис. 7.4. Ручная мельница с коленчатым рычагом

В любом случае к тому времени, когда Уатт начал серьезно работать над модификацией своего двигателя, Джеймс Пикард из Бирмингема уже запатентовал метод использования паровых машин для «вращения колес». Уатт был прав, утверждая, что применение кривошипа к паровой машине – все равно что использование для резки сыра ножа, предназначенного для резки хлеба. Коленчатые рычаги использовали веками, и Уатт вполне мог не обратить внимания на новые патентные заявки.

Возможно, Уатт опасался за некоторые свои патенты, если оспаривал заявки Пикарда. Претензии Уатта были очень широки и давали ему монополию в области паровых машин. В любом случае Уатт решил не конфликтовать. До того как в 1794 году истек срок патента Пикарда, он использовал «солнечно-планетарную передачу». Представляется, что он так и не нашел общего языка с Пикардом. Планетарная система имела преимущества, но при этом увеличивалось потребление энергии из-за трения, и машина работала очень шумно. Есть свидетельства того, что Болтон и Уатт использовали кривошипный механизм Пикарда еще до истечения срок действия патента, но ограниченно, а после истечения срока действия – широко.

Джеймсу Уатту не хватало средств, чтобы запустить машину в производство, и он нашел инвестора – Джона Робака (1718–1794) с карронского металлургического завода в обмен на две трети доли в бизнесе. А когда у Робака начались трудности и он был вынужден отказаться от проекта, партнером и инвестором Уатта стал Мэттью Болтон (1728–1809) из Бирмингема. Этот обеспеченный человек с радостью взял на себя финансирование. Фирма Болтона и Уатта процветала много лет и продолжала работать в XIX веке под руководством их сыновей, хотя основной патент и монополия Уатта истекли в 1800 году.

Первая машина Уатта, поставленная в порядке эксперимента на фабрике в Созо, в районе Бирмингема, была одинарного действия и имела цилиндр диаметром 18 дюймов. Коммерческие машины, которые фирма построила в 1776 году для металлургического завода Бросли и шахты Блумфилда, имели цилиндры диаметром 38 и 50 дюймов соответственно. Когда владелец металлургического предприятия Джон Уилкинсон в 1774 году создал машину, существенно усовершенствовавшую процесс бурения (сверления), Уатт смог гарантировать диаметр цилиндра 72 дюйма. Цилиндр Уатта диаметром 6 футов в те времена, вероятно, казался фантастикой. На самом деле поршни и цилиндры не слишком увеличились в размерах, и цилиндр диаметром 8 футов считался большим даже после 1900 года. Давление пара и скорость, с которой работали поршневые машины, увеличивали их мощность до величин, немыслимых во времена Уатта. Уатт и подумать не мог, как быстро турбины и двигатели внутреннего сгорания вытеснят его паровые машины.

Использование пара к концу века распространилось так широко, что надо было установить определенные стандарты для определения мощности машин. На помощь пришла лошадиная сила. Севери отмечал, что паровая машина может выполнить работу не только тех лошадей, которых она заменила в данный момент, но и всех тех, которых следует кормить для поддержания непрерывной круглосуточной работы. Смитон определил точнее, что механический эффект от работы одной лошади составляет 22 916 фунтов, поднятых на 1 фут за минуту против силы тяжести. Джон Теофил Дезагюлье увеличил количество до 27 500 футо-фунтов. А Уатт в 1782 году установил экспериментально, что лошадь может производить 32 400 футо-фунтов в минуту. В следующем году Болтон и Уатт стандартизировали цифру – 33 000 футо-фунтов в минуту, чтобы классифицировать свои двигатели для продажи. К 1809 году эта величина была общепринята как эквивалент 1 лошадиной силы. Таковой она остается и сейчас.

К 1800 году, когда истек срок действия основного патента Уатта, работало всего около 500 машин Болтона и Уатта. 38 процентов из них откачивали воду, 62 процента – обеспечивали вращательное движение для самых разных производств. Даже такой известный промышленник, как Джозайя Уэджвуд (1730–1795), хотя и был личным другом Уатта и Болтона, не спешил использовать новый источник энергии и только в 1790 году установил паровую машину на своей фабрике в Этрурии. Другие, такие как Джон Уилкинсон и Генри Корт, проявили больше энтузиазма. То, что машины Уатта имели большое влияние, было очевидно по количеству желающих поучаствовать в работе и внести свои усовершенствования.

Недостатки паровой машины Уатта были очевидны. Она была медленной, не до конца продуманной и громоздкой. Ее составные части были очень большими и неудобными для точного монтажа. Многие из них представляли собой просто грубые отливки, которые приходилось дорабатывать вручную. Кованые изделия делали максимально близко к нужным размерам и не подгоняли механизированным способом. Приспособления отливали и не обрабатывали механизированным способом, поэтому потери энергии из-за трения были велики. Машина работала при низком давлении и, как и машина Ньюкомена, не использовала силу расширения пара. Джеймс Уатт знал о преимуществах высокого давления, но отказывался его использовать, опасаясь взрыва. Американец был одним из первых, кто сконструировал и наладил работу машины, использовавшей пар при давлении выше атмосферного. Работая строителем колесных повозок, Оливер Эванс (1755–1819) из Филадельфии задумался о движении повозок без использования силы животных, а в 1812 году сосед подал ему идею применить силу пара. Они наполнили дуло орудия водой, уплотнили его и опустили казенную часть в огонь. «Грохот был такой, – писал Эванс, – как если бы вместо воды был порох». Маркиз Ворчестерский заметил те же характеристики пара намного раньше.