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

Эванс в 1786 году обратился к властям Пенсильвании, желая получить эксклюзивные права на использование своих изобретений в мукомольном деле и на паровых повозках. В марте 1787 года он получил права на удивительное новшество – практически полностью механизированную мельницу. Но законодатели не обратили внимания на его «паровые повозки». Наоборот, его посчитали безумцем. Тем не менее к 1801 году он вернулся к идее двигать повозки и лодки силой пара. Также он планировал использовать «упругую силу» пара в промышленности. В маленькой мастерской в Филадельфии он сконструировал паровой двигатель высокого давления без конденсации за 3700 долларов – все средства, которые он сумел собрать.

Рис. 7.5. Паровая машина Эванса типа «Кузнечик»

Он снабдил машину (рис. 7.5) 6-дюймовым цилиндром и 18-дюймовым ходом поршня, а также деревянным маховиком диаметром 7,5 фута. Но не маховик сделал машину Эванса такой важной. Отличительной чертой являлось то, что двигатель совершал около 30 оборотов в минуту при давлении 50 фунтов на квадратный дюйм, выпуская пар в воздух, таким образом устраняя конденсат. Чтобы получить такое давление, Эванс заключил медный котел в деревянный кожух, скованный железными обручами, а жаровая труба была установлена горизонтально через центр котла, так что больше тепла достигало воды. Он сделал двигатель вертикальным, так что шток поршня двигался прямо к верхней балке (балансиру). Поскольку эта балка имела точку опоры не в центре, а на одном конце и эта точка опоры располагалась на качающейся колонне, не было необходимости в таком сложном приспособлении, как параллельные тяги Уатта. Балансир Эванса соединялся со штоком поршня. Этот проект получил название «Кузнечик» и использовался довольно долго.

Бенджамин Генри Латроб (1764–1820), разносторонне одаренный инженер из Англии, построивший в Филадельфии первую водонапорную станцию, а потом части вашингтонского Капитолия, в 1803 году сделал доклад Американскому философскому обществу о состоянии парового машиностроения в Америке. Джозайя Хорнблауэр в 1753 году ввез в Америку первую машину Ньюкомена для медного рудника в Белвилле, штат Нью-Джерси. Двигатели старой конструкции, говорил Латроб, предположительно имея в виду машины Ньюкомена, были ввезены из Англии за сорок лет до 1803 года. Но затем, после всеобщей апатии, последовавшей за Американской революцией, о полезности паровых двигателей забыли. Далее, по его словам, имела место своего рода мания, связанная с приведением в движение лодок паровыми двигателями, но она сошла на нет. После 1803 года в Америке осталось только пять паровых машин большой мощности. Одна из них, принадлежащая Манхэттенской водной компании, – машина Болтона и Уатта. Еще одна работала в Нью-Йорке на лесопилке мистера Николаса Дж. Рузвельта. Еще две, построенные Рузвельтом, качали воду для города Филадельфия. Пятая, насколько слышал Латроб, была занята на каком-то производстве в Бостоне. В своем втором докладе он отметил усовершенствования, сделанные «изобретательным доктором Кинси», который построил машину в Нью-Йорке, основываясь на «новом принципе» для достижения поставленных целей.

Ясно, что аудитория не могла не понять, что в этом вопросе Америка находится далеко позади Британии. Поскольку не прошло еще и тридцати лет с тех пор, как Соединенные Штаты завоевали независимость от метрополии и больше не подчинялись ограничительным актам парламента, и при этом Англия запретила эмиграцию инженеров, ситуация едва ли могла кого-то удивить. Далее Латроб отметил: «Я не могу не упомянуть маленькую машину, построенную мистером Оливером Эвансом в порядке эксперимента, которая перемалывает гипс в Париже, и паровое колесо мистера Бриггса».

К 1807 году Оливер Эванс основал металлургическое производство «Марс». К 1812 году он сообщил о своих потрясающих успехах: ему удалось измельчать 300 бушелей или 12 тонн гипса за 24 часа и резать мрамор с производительностью 100 футов за 12 часов. Он заявил, что больше нет речи о «спекулятивной теории». Две его машины стоят в Филадельфии и три – на Миссисипи, из них две приводят в действие лесопилки. Еще три или четыре машины находятся в Питтсбурге – они мелют зерно и прокатывают металл. Еще одна машина в Мариетте, штат Огайо, одна – в Лексингтоне, Кентукки, и одна – в Миддлтауне, Коннектикут, работают на текстильной фабрике. В 1815 году Эванс установил машину с 20-дюймовым цилиндром, 5-футовым ходом поршня и 4 котлами для производства пара высокого давления на новую водонапорную станцию в Филадельфии. Последний проект оказался слишком амбициозным. Эксплуатация машины оказалась настолько дорогостоящей, что в 1822 году она была заменена энергией воды. Сделал это Фредерик Графф, помощник и преемник Латроба в Филадельфии. К 1819 году, когда Оливер Эванс умер, пятьдесят его паровых машин работали на побережье Атлантики. Это был год всеобщей паники и депрессии, наступившей после войны 1812 года с Британией. Несомненно, столь быстрая экспансия была лишь частью роста, начавшегося с внедрением машин из Англии и развитием американского производства, в первую очередь текстильного, несмотря на блокады и эмбарго Наполеоновских войн в Европе и второй войны с Британией. Пусть так, но Оливер Эванс быстро догнал британских производителей паровых машин.

Были и другие инженеры, подошедшие так же близко, как Эванс, к Уатту в изобретательности и инженерном воображении. Импульсивный житель Корнуолла Ричард Тревитик (1771–1833) проигнорировал тревогу Уатта относительно высокого давления, одновременно ища способ обойти патент Уатта. В 1798 году он построил так называемый корнваллийский котел – раньше, чем Эванс построил свой в Америке. К тому времени, как информация о работе Эванса достигла Америки, Тревитик создал первый в истории двигатель прямого действия. Тревитик первым поместил цилиндр внутрь котла, и тот, таким образом, стал паровой рубашкой. Потом он избавился от верхней балки – балансира. Для этого он направил поршневой шток вверх к поперечной горизонтальной балке – крейкопфу, который затем воздействовал через соединительные тяги с обеих сторон на коленчатый вал под котлом. Устройство было автономное, компактное и даже переносное. Двигатель прямого действия получился, когда изобретатель расположил цилиндр горизонтально и соединил поршень с помощью тяги с коленвалом. Следующим шагом Тревитика стала постройка локомотива.

Взрыв, случившийся, когда оператор удерживал предохранительный клапан котла, заставил Тревитика сделать два предохранительных клапана. Один из них не контролировался оператором. Предохранительный клапан работал по следующему принципу: известный вес, приложенный к диску, закрывающий отверстие определенных размеров, поднимется и откроет отверстие, тем самым позволив пару вырваться наружу, когда давление достигнет установленного значения. Предохранительный клапан тогда был единственным средством определить степень давления выше нескольких фунтов. Датчики высокого давления появились только в 1848 году. Тревитик также использовал плавкую заглушку из свинца, которая, вставленная в котельное железо, расплавится, если уровень воды в нем станет слишком низким для безопасности. Это приспособление основывалось на принципе, что температура воды в котле не поднимется выше точки кипения при любом данном давлении, пока она остается водой. Когда она переходит в пар, эта защита ликвидируется. Поэтому части котла, соприкасающиеся с открытым огнем, всегда должны быть в контакте с водой, иначе возникает опасность. Пока он покрыт водой, плавкий «предохранитель» остается невредимым. Но если воды недостаточно, он плавится и позволяет пару вырваться через образовавшееся отверстие, подавая звуковой и визуальный сигнал о нехватке воды.