Паровая машина двойного действия Дж. Уатта

Бурное развитие основных видов промышленности в Англии в первой половине XVIII в. и массовое внедрение в производство рабочих машин, ознаменовавшее собой начало промышленной революции, сделало необходимой революцию в паровой машине. Эта революция означала переход от двигателя частного назначения к универсальному двигателю - основе энергетической базы крупной фабричной промышленности.

Нужда в двигателе, способном приводить в действие любые рабочие машины, особенно остро сказывавшаяся в 1760-1780 гг., ярко выразилась в словах английского предпринимателя Меттью Болтона: «В Лондоне, Манчестере, Бирмингеме люди сходят с ума по паровой мельнице». Требовалась такая «мельница», которая бы передавала работу не только непрерывно, но в форме вращательного однонаправленного равномерного движения и была достаточно экономичной [5, с. 39].

Джеймс Уатт (1736-1819 гг.)

Универсальный паровой двигатель, пригодный для практической эксплуатации, был создан шотландским изобретателем Джеймсом Уаттом. Уатт, еще в детстве мастеривший модели машин, выбрал профессию механика. Пройдя курс обучения в Глазго и Лондоне, он с 1757 г. стал работать в качестве механика в университете в Глазго и тогда же открыл мастерскую для изготовления и ремонта математических и физических приборов. Уатт близко познакомился со многими учеными, в том числе с физиком Джозефом Влеком, изучавшим скрытую теплоту испарения водяного пара, и Джоном Робисоном - тогда еще студентом, а впоследствии профессором физики. Робисон посоветовал Уатту изучить имевшуюся в то время литературу по механике паровых машин: сочинения Деза-гюлье, Леупольда и Белидора. Уатт проводит опыты над свойствами водяного пара и определяет зависимость температуры насыщенного пара от давления. Построенные им кривые близко совпадают с современными данными. Непосредственно работу над паровыми машинами Уатт начал в 1763 г. с починки модели действующей паронасосной установки Ньюко-мена. Однако модель была почти неработоспособной, так как будучи геометрически подобной своему промышленному образцу, она отличалась от него протекающими в ней механическими и тепловыми процессами [14, с. 154; 15]. Установка требовала большего непроизводительного расхода пара, а следовательно, и топлива. После пяти лет упорной работы над моделью Уатт сделал громадный шаг в деле совершенствования паровых двигателей и повышения их экономичности. Первоначально он пришел к выводу, что хорошая работа пароатмосферной машины зависит от выполнения двух условий: во-первых, получения сильного разрежения под поршнем за счет более полной конденсации пара (для этого нужно было как можно больше охладить цилиндр); во-вторых, поддержания цилиндра в горячем состоянии, чтобы избежать непроизводительных потерь пара при выпуске его из парового котла. Выполнение этих условий одновременно в одном цилиндре технически невозможно, и Уатт дал новое решение: заключить цилиндр в паро-ВУЮ рубашку, поддерживая его постоянно в нагретом состоянии, а конденсацию пара осуществлять в отдельном конденсаторе, снабженном насосом для откачивания конденсата и воздуха. В 1765 г. была построена модель нового двигателя, но только в 1769 г. удалось добиться его работы по полному циклу [2, с. 129].

Схема паровой машины Д. Уатта (1775 г.)

Во время своих экспериментальных работ над моделью Уатт получил денежную поддержку владельца Карронского завода Ребека и вместе с ним подал заявление о выдаче патента на «способы уменьшения потреблений пара и вследствие этого - топлива в огневых машинах». Кроме указанных принципиальных нововведений'в двигателе, Уатт запатентовал также применение избыточного давления пара с выхлопом в атмосферу - в случаях недостатка воды для конденсации пара; применение «коловратных» машин с однонаправленно вращающимся поршнем; наконец, работу J неполной конденсацией, т. е. с ухудшенным вакуумом. В последнем пункте патента предусматривалась также конструкция уплотнения поршня.

Усовершенствования Уатта содержали реальную возможность снизить расход пара и топлива более чем в два раза - это был огромный успех на пути создания экономичного теплового двигателя.

Однако первая попытка в 1769 г. построить насосную паровую установку с отдельным конденсатором на Карронском заводе успеха не имела - не удалось обеспечить достаточной точности обработки и плотности соединений. Изготовление таких крупных машин стоило больших средств, которыми Уатт не располагал, а Джон Ребек к тому времени обанкротился.

В поисках финансовых возможностей для постройки двигателей Уатт стал думать о работе за пределами Англии. В начале 70-х годов русское правительство предложило английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» с ежегодным жалованием 1000 ф. ст. Однако поездка в Россию не состоялась. В 1772 г. Уатт заключил контракт с М. Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема [5, с. 146].

Договор между Уаттом и Болтоном стал весьма действенным. Болтон оказался умным и дальновидным человеком и не поскупился на расходы по созданию новых машин. Уатт до конца своей жизни оставался главным механиком завода.

Первая машина с отдельным конденсатором была создана в 1774 г. Интересной представляется конструкция 1777 г., получившая название «Вельзевул», в которой Уатт применил отсечку и расширение пара с целью увеличения экономичности [4, с. 55-57].

К 1780 г. получил распространение тип машин Уатта простого действия, служивших для откачивания воды. Самым надежным потребителем двигателя стали рудники Корнуэлла: в 1778 г. в этом графстве на-тывалось свыше 70 установок Ньюкомена, а в 1790 г. все они, кроме одной, были заменены машинами Болтона-Уатта. Большое их число изго-овлялось также для медных рудников в Корнваллисе [2, с. 130]

Успех новых двигателей объяснялся тем, что их применение значительно удешевило получение механической энергии.

Но к тому времени, когда начался массовый выпуск паровых машин для насосов, выявился большой спрос на более совершенные двигатели текстильной, металлообрабатывающей и других отраслей промышленности. А паровая машина Уатта все еще не была пригодна для привода рабочих машин с вращательным движением.

В 1778 г. Уатт по предложению своего компаньона Болтона приступил к усовершенствованию парового двигателя. Он детально исследовал процесс расширения пара в цилиндре, сконструировав для этой цели специальный индекатор - прибор, замеряющий давление пара в процессе расширения. Определив практически выгодную степень расширения пара для превращения тепла в работу. Уатт предложил в 1782 г. паровой двигатель с расширением и получил на него английский патент. Придя к мысли использовать вторую половину цилиндра, он создал так называемый двигатель двойного действия, в котором был существенно снижен удельный расход пара [16, c. 56].

Вот как описывал свое изобретение 1782 г. сам Уатт: «Мое второе улучшение паровых, или огневых, машин состоит в использовании упругой силы пара для того, чтобы двигать поршень вверх, а также прижимать его вниз попеременно, создавая вакуум над или под поршнем и одновременно используя действие пара на поршень в том конце или части цилиндра, из которой не происходит выхлопа пара; машина, сконструированная таким образом, может дать двойное количество работы или развить двойную мощность в одно и то же время (с цилиндром равных размеров) по сравнению с машиной, в которой активная сила пара действует на поршень только в одном направлении - либо вверх, либо вниз» [5, с. 157].

Это была уже непрерывно действующая машина, в которой источником силы служил пар.

Уатту пришлось также решить задачу преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное; он запатентовал пять устройств, с помощью которых была решена эта задача, в их числе нашедшая применение планетарная передача.

Одновременно Уатт предложил серию устройств, предназначенных для компенсации неравномерной отдачи работы, вызванной расширением пара [3, с. 271].

Патентом Уатта 1782 г. были закреплены многие усовершенствования, которые, казалось бы, окончательно сформировали паровую машину как универсальный двигатель. И тем не менее это было не все.

То, что новый двигатель является действительно универсальным, Уатт понял позже, о чем свидетельствует его патент 1784 г. Именно на этот патент ссылается К. Маркс, вводя в научный обиход определение «универсальный двигатель».

С технической точки зрения это было прежде всего удовлетворительное решение задачи преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.

Вопрос о преобразовании качательного движения балансира в непрерывное круговое движение вала занимало многих изобретателей еще до Уатта. Папен, например, предлагал передачу через зубчатую рейку и зубчатое колесо. Д. Гулль в 1736 г. разработал комбинацию шкивов с канатной передачей применительно к судам, однако эти (так же как и многие другие) попытки успеха не имели [4, с. 80].

Схема парового двигателя двойного действия Дж. Уатта

Наконец, в 1779 г. М. Васбру и в 1780 г. Дж. Пикар запатентовали в Англии кривошипно-шатунные механизмы применительно к паровой машине. Многие механики того времени и в их числе уже упоминавшийся крупный инженер Смитон считали такое сочетание недопустимым: длина хода поршня в цилиндрах тогдашних паровых машин была переменной, и конструкторам казалось, что прямая передача движения с другого конца балансира непосредственно на вал при помощи шатуна и кривошипа невозможна. Очевидно, в плену этих заблуждений до определенного времени находился и Уатт. После же выдачи патента Васбру и Пикару ему пришлось искать иные пути преобразования формы движения.

В чем же заключались трудности? При построении паровой машины возникли проблемы, связанные с кинематикой и динамикой. Связи поршня с балансиром, с одной стороны, и второго конца балансира с валом - с другой, могли быть только жесткими. Между тем непосредственно соединить конец балансира с штоком поршня было нельзя, так как конец балансира описывал дугу, а шток поршня двигался по прямой линии. Первоначально (в патенте 1782 г.) Уатт предполагал произвести передачу от поршня к балансиру, снабдив шток зубчатой полосой, а на балансире поместить зубчатый сектор. Но это соединение в каждом конце хода поршня при перемене направления испытывало удары, и зубцы не выдерживали динамических нагрузок. Поэтому Уатт стал искать другое решение и нашел его. Он применил планетарную зубчатую передачу для соединения с одним концом балансира, а другой конец балансира соединил со штоком двигателя при помощи изобретенного им механизма, получившего название параллелограмма Уатта - это был плоский шарнирный механизм, часть звеньев (рычагов) которого образовывала параллелограмм. Простое на первый взгляд решение потребовало большого труда изобретателя. Знаменитый параллелограмм стал предметом позднейших исследований французского ученого М. Р. Прони и русского ученого, П. Л. Чебышева и послужил материалом для его сочинения «Теорий механизмов, известных под названием параллелограммов» (1854 г.) [17];. Сам Уатт высоко ценил это свое изобретение и писал позднее сыну: «...хотя я не особенно забочусь о своей славе, однако горжусь изобретением параллелограмма более, чем каким-либо из изобретений, которые я сделал» [3, с. 60]. Гениальное изобретение, как его справедливо называют, свидетельствующее о необыкновенно ясной геометрической интуиции Уатта, оказалось лишь временным, преходящим явлением. Впоследствии параллелограмм Уатта был заменен обычным кривошипно-шатунным механизмом.

При создании машины с непрерывным вращательным движением перед Уаттом кроме кинематической задачи встали и чисто динамические проблемы: введение работы пара с двух сторон поршня, применение махового колеса и регулятора, действующего на паровпускной клапан.

Для подачи пара в разные полости цилиндра изобретатель использовал автоматически действующее устройство - золотник; для уменьшения колебаний скорости вращения - маховое колесо, а для автоматического поддержания постоянства скорости вращения двигателя - центробежный регулятор.

Все предложенные усовершенствования, большинство которых закреплялось патентом 1784 г., позволили Уатту в ближайшие годы выработать тип машины двойного действия с непрерывным вращательным движением, который в течение долгого времени оставался неизменным и подвергался лишь частичным доработкам.