Машина для заводских нужд И. И. Ползунова

В начале XVIII в. задача создания универсального двигателя еще не созрела, но мысль о таком двигателе уже проявлялась в ряде конкретных предложений. Наиболее рациональное из них представлялось тогда в объединении положительных особенностей водяного колеса и паровой машины.

В таких комбинированных теплогидравлических установках паровой насос подавал воду на водяное колесо, которое могло быть использовано для непрерывной отдачи работы в форме вращательного движения. Водяное колесо играло роль передаточного механизма. Подобные установки были запатентованы еще в начале XVIII в., но преимущественное распространение получили в середине и в конце столетия и действовали даже в начале XIX в., когда нужда в универсальном двигателе проявилась особенно остро [9, с. 21].

Известно, что в 1742 г. чугунолитейная фирма «Дерби», сыгравшая в свое время заметную роль в техническом прогрессе Англии, установила двигатель Ньюкомена для подачи воды на 10 водяных колес. Подобное же устройство применялось в гончарнях в 50-60-х годах. Во второй половине XVIII столетия этим способом поднимали уголь: паровой двигатель откачивал воду из шахты, а вода вращала колесо, приводившее в движение углеподъемник. В процессе использования водяного колеса оно заметно совершенствовалось. Неуклонное повышение мощности рабочих машин требовало тщательного сравнительного анализа влияния всех факторов на устройство и мощность приводов. Наступил момент, когда одних эмпирических способов оказалось недостаточно.

В разработку новых методов конструирования водяного колеса заметный вклад сделал Джон Смитон, один из выдающихся инженеров своего времени. В 1752-1753 гг. он создал лабораторные модели водяных колес и, исследовав зависимость их мощности от формы и пропорций деталей, сильно изменил конструкцию и добился значительного повышения коэффициента полезного действия. К концу столетия простое водяное колесо прошло весь путь своего развития. Само собою разумеется, что оно находило преимущественное применение в гидросиловых, а не в комбинированных теплогидравлических установках, которые возникали спорадически и в целом не решали задачи удовлетворительно, имели низкий КПД и были громоздкими.

Идею создания теплового двигателя, свободного от гидравлического колеса, со всею определенностью высказал и осуществил в своем проекте «огнедействующей машины» русский механик Иван Иванович Ползунов [10]. Он получил техническое образование в горнозаводской школе в Екатеринбурге (ныне Свердловск), а затем прошел практику на заводах Урала и Алтая, занимаясь в свободное время физикой и механикой. Есть основания предполагать, что, работая в Барнауле, Ползунов ознакомился с наиболее фундаментальными для того времени сочинениями Леупольда и Белидора по прикладной механике, а также с книгой «Наставление по рудному делу» И. А. Шлаттера, президента Берг-коллегии, в которой описывались водоподъемные паровые машины [4, с. 40-41].

Схема заводской паросиловой установки И. И. Ползунова. 1763 г

В 1763 г. Ползунов, будучи тогда шихтмейстером Колывано-Воскре-сенских заводов, представил расчеты и детальный проект парового двигателя (мощностью 1,8 л. с.), в котором предлагал «сложением огненной машины водяное руководство пресечь» и создать двигатель, который мог бы «по воле нашей, что будет потребно, исправлять» [11, с. 119].

Машина Ползунова отличалась от известных в его время паровых двигателей прежде всего тем, что предназначалась не исключительно для подъема воды, а для привода заводских машин - воздуходувных мехов, и кроме того, в отличие от ньюкоменовского насоса, в котором рабочий ход сменялся холостым, представляла собой машину непрерывного действия. Непрерывность передачи работы достигалась применением двух цилиндров вместо одного: поршни цилиндров двигались навстречу один другому и действовали поочередно на общий вал, т. е. Ползунов предложил и осуществил метод суммирования, нашедший позднее самое широкое распространение в тепловых поршневых двигателях.

Как известно, принцип суммирования работы нескольких цилиндров на одном валу применяют в современных многоцилиндровых двигателях. О возможности использования двух цилиндров до Ползунова упоминалось лишь в сочинении Леупольда, вышедшем в свет в Лейпциге в 1724 г., но эта идея не была осуществлена автором [12].

По проекту Ползунова пар из котла подавался в один из двух цилиндров и поднимал поршень до крайнего верхнего положения, после чего из резервуара в цилиндр впрыскивалась холодная вода, что приводило к конденсации пара. Под давлением атмосферы на поршень он опускался, в то время как в другом цилиндре в результате давления пара поршень поднимался. С помощью специального устройства осуществлялись автоматический впуск пара из котла в цилиндры и автоматическое поступление холодной воды. Система шкивов передавала движение от поршней насосам, нагнетавшим воду в резервуар, и воздуходувным мехам.

Модель паровой установки И. И. Ползунова

Исследователи творчества Ползунова отмечают, что его докладная записка с изложением проекта бтличалась чрезвычайной ясностью мысли и точностью проведенных расчетов силы давления пара. В записке было указано, что необходимо на опыте подтвердить некоторые величины сопротивлений, которые не могли быть тогда определены расчетом [4, с. 43]. Проект Ползунова был передан на отзыв президенту Берг-коллегии И. А. Шлаттеру, который отметил оригинальность его замысла. Однако он не оценил главного преимущества предложения Ползунова - об устранении водяного колеса, игравшего в традиционных западноевропейских установках роль передаточного звена. Шлаттер рекомендовал возврат к старым схемам: комбинации парового котла с водяными колесами.

Ползунов, не приняв этого замечания Шлаттера, сконструировал новую установку в 32 л. с. - самую мощную в то время для централизованного воздухоснабжения группы плавильных печей Барнаульского завода. Двигатель приводил в действие громадные меха.

Интересны и оригинальны были разработанные Ползуно-вым новые детали и устройства, в том числе сконструированный им регулятор прямого действия для поддержания постоянного уровня воды в котле.

В 1764 г. по решению Канцелярии Колывано-Воскресенских заводов Ползунов с помощью учеников приступил к постройке своей огнедействую-щей машины, и весной 1766 г. она была почти закончена, несмотря на ограниченность отпущенных средств. Но дожить до пуска машины Ползунову не удалось: в мае 1766 г. он умер от скоротечной чахотки. Уже тяжело больной в апреле 1766 г. Ползунов писал в Петербург о готовности двигателя и просил дальнейшие работы над его установкой поручить лучшим мастерам Д. Левзину и И. Черницыну. Испытания и работа по устранению недостатков начались неделю спустя после кончины Ползунова. Обнаружились дефекты двигателя, явившиеся следствием недостаточно высокого уровня машиностроительного производства на Барнаульском заводе: неточная обработка поверхностей цилиндров, наличие в металлических деталях раковин, неплотность воздуходувных мехов и т. п. Сказалось также отсутствие сведений о теплоте конденсации, без которых невозможно было рассчитать необходимое количество охлаждающей воды.

В июне 1766 г. была успешно испытана установка с мехами, после чего началось строительство печей. В августе того же года установка была пущена в действие. Но в ноябре 1766 г. была обнаружена течь в котле (Ползунов считал этот котел пригодным лишь для пробного пуска), и машину остановили. Был заказан новый котел, но руководители канцелярии все еще сомневались в работоспособности установки и особенно в том, под силу ли постройка мощных паросиловых агрегатов Барнаульскому заводу. Установку забросили, несмотря на благоприятные показатели ее работы в течение 43 дней (была получена прибыль 12 418 р. при использовании всего трех печей), и в 1780 г. совсем разобрали. Модель двигателя, переданная после смерти Ползунова Академии наук, исчезла.

Привод заводских агрегатов от тепловых двигателей без помощи водяных колес, предложенный Ползуновым, был совершеннейшей новинкой. Но лишь немногие знавшие о его замыслах поняли важность изобретения русского механика. В 1765 г. посетивший Барнаульский завод русский естествоиспытатель Э. Г. Лаксман, писал, что Ползунов «муж, делающий честь своему отечеству... Он строит теперь огневую машину, совсем отличную от венгерской и английской. Машина сия будет приводить в действие мехи или цилиндры в плавильнях посредством огня» [13, с. 108].

Ползунов, правда, не решил технической задачи привода машин и механизмов, требовавших вращательного движения, ибо в его время и в его условиях более 90% всего заводского оборудования (мехи, песты, молоты, дробилки и т. п.) работало на принципе возвратно-поступательного движения и не было настоятельной необходимости превращать прямолинейное движение в круговое [9, с. 25].

На судьбе изобретения И. И. Ползунова со всей очевидностью сказались условия феодально-крепостнической России, еще не готовой для перехода к крупному машинному производству.