Историческая справка

Лк 12

ПРАВО НА БЛАГОПРИЯТНУЮ ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Это одно из естественных основных прав человека. Оно, как и право на жизнь, признанное ст. 20 Конституции РФ, - право, данное самой природой.

 

Применение пара для получения работы ведет свое начало с очень далеких исторических времен. Можно назвать многих изобретателей, работавших над созда­нием паровой машины, и показать многочисленные созданные ими устройства, носившие в себе зачатки и элементы паровых машин.

Известно, что попытки создать двигатель, работающий на водяном паре, восходят еще к Архимеду, древнегреческому ученому Герону Александ­рийскому и Леонардо да Винчи.

Но все эти попытки долгое время не имели успе­ха, так как в ту эпоху еще не назрела необходимость в машинах-двигателях. В дальнейшем увеличение производст­венной мощности промышленных пред­приятий вызвало острую необходи­мость в машинах-двигателях, обладаю­щих большой мощностью.

XVII и особенно XVIII века оказались временем зна­чительного ускорения в развитии техники. Причинами этого явилась замена в наиболее экономически развитых странах феодального общественного строя капиталистическим и большие успехи, достигнутые к тому времени наукой, создающие осно­ву развития техники.

Быстрое развитие промышленности во многих странах требовало создания достаточно мощных, экономичных и удобных для использования источников энергии, которые могли бы приводить в действие все нуждающиеся в этом машины. С давнего времени распространение получили водяные и ветряные колеса.

Количество гидросиловых установок (рис. 15), их мощ­ность непрерывно росли. Они получали применение на многих производствах, где до этого машины и орудия приводились

Рис 1. Гидравлическое колесо

в действие вручную или силой животных. В связи с ростом мощности колес все шире стал применяться металл для валов и некоторых других деталей. Во Франции на р. Сене в 1682 г. была сооружена крупней­ая для того времени установка, состоящая из 13 колес диаметром по 8 м, служившая для привода более 200 насосов, подававших воду на высоту свыше 160 м, и обеспе­ивавшая питание водой фонтанов в Версале и Марли. Во второй половине XVIII в. под руководством русского изобретателя К. Д. Фролова были построены уни­кальные гидротехнические сооружения для откачки воды на серебряных рудниках Алтая, подъема руды из шахт и привода в действие лесопилки. Горный инженер А. Карпинский так описал свои впечатления: «Удивленный путешественник спросит невольно: кем устроены в глубоких храминах земли сии огромные колеса, каких не существует ни в одном из российских рудников, приводимые в движение водою, протекающей через длинные каналы, высеченные в камне? Изобретатель сего механизма есть берг-гауптман 6 класса Козма Дмитриевич Фролов»

Наряду с водяными колесами широкое применение находили ветряные колеса. Задачи они выполняли раз­личные, но чаще всего служили для привода в действие мельниц. Перед водяными колесами их преимущество заключалось в том, что место их расположения менее связано с природными условия­ми. Недостатком их являлось большое (в большинстве случаев) непостоянство скорости ветра, а также существенные колеба­ния стока воды в реках, главным образом сезонные и годовые.

Поэтому одним из главных факторов технического прогресса рассматриваемого периода была паровая машина, пред­ставлявшая собой первый универсальный двигатель, не связанный с названными ограничениями.

Цилиндр насоса Папина

Применение пара и создание па­ровой машины разрешили эту задачу. Папин в 1680 г. (Франция) изобрел паровой котел, опыты с которым привели его к идее устройства пароатмосферной машины, подъем поршня которой совершался паром, а опускание его (после конден­сации пара) — атмосферным давле­нием.

Папин подогревал цилиндр; образующиеся при этом водяные пары заполняли все пространство под поршнем, когда последний находился в своем крайнем верхнем положении. Через специальный клапан пар выталкивал воздух из цилиндра. После этого подогревание цилиндра прекращалось, водяные пары охлаждались, и в цилиндре путем кон­денсации водяного папа образовывалось под поршнем разреженное пространство. Давление под поршнем в цилиндре становилось значительно ниже наружного атмосферного давле­ния. Таким образом создавалась разность давлений извне и внутри ци­линдра. Наружное атмосферное давление с силой двигало поршень вниз. Опускаясь вниз, поршень тянул за собой прикреп­ленную к нему через блок веревку и привязанный к ней груз. Этот двигатель мог выполнять полезную работу только при движении поршня вниз, и так как он выполнял полезную работу в результате атмосферного давления, его называют атмосферным двигателем.

Сущность изобретения Папина заключалась в том, что он приводил в движение поршень своего двигателя действием атмосферного давления. Но двигатели Папина не получили применения на практике.

Первые паровые двигатели («друг ру­докопа»), получившие практическое применение, были конструированы в самом копне XVII в. английским инже­нером Томасом Севери (1650—1715). В патенте, полученном им 25 июля 1698 г., говорилось: «Это новое изобретение для подъема воды и для получения движения для всех видов производства при помощи движущей силы огня».

Идея использования энергии пара Папина и Сэвери нашла практическое решение. Насос Сэвери получил применение, в частности один из насо­сов был установлен для подачи воды к фонтану в Летнем саду в Петер­бурге.

Паровой двигатель Томаса Сэвери	Схема двигателя Сэвери.

В 1702 г. Сэвери издал книгу, в которой описывает машину, значи­тельно усовершенствованную по сравнению с его первым патентом. На схеме ра­боты этой машины справа видны два котла. Меньший из них предназначался только для питания водой большего котла, игравшего роль парового котла. Слева видны два сосуда в разрезе; каждый из них работает самостоятельно, чтобы обеспечить непрерывное действие машины. Рассмотрим работу сначала одно­го из этих сосудов. Через кран впускали из парового котла в сосуд пар, пока сосуд не наполнялся па­ром. Затем закрывали кран и обливали снаружи сосуд холодной водой. Пар в сосуде охлаждался, конденсировался, вследствие чего в нем создавалось разреженное пространство.

 

 

В это пространство давлением внешнего воздуха нагнеталась вода через нижний клапан в водоподъемной трубе. После этого опять откры­вали кран и пускали пар в сосуд.

 

Рис. 16. Схема машины Севери	Рис. 17. Схема машины Ныокомена

 

 

На рис. 16 пред­ставлена паровая маши­на, созданная также Сэвери. Назначением машины была откачка воды из шахт; она использовалась также на водокачках. Принцип ее работы следующий. При заполненном водой баке 2 открывался вентиль А, и водяной пар из котла 1 заполнял бак 2, выжимая находившуюся в нем воду через открывавшийся клапан С (при закрытом клапане В) в сосуд 4. Когда вся вода из бака 2 перетекала в сосуд 4, вентиль А иклапан С закрывались, бак 2 снаружи охлаждал­ся водой, так что в нем образовывалось давление гораздо ниже атмосферного. Клапан В открывался и под воздействием атмосферного давления бак 2 запол­нялся водой из сосуда 3, после чего цикл работы машины повторялся. В результате вода из нижнего сосуда 3 (например, из шахты) поступала в верхний сосуд 4 (нап­ример, на поверхность). Однако практическое использо­вание машина Севери получила очень небольшое.

Значительно больший успех имела пароатмосферная машина английско­го изобретателя Томаса Ньюкомена(1663—1729), схема которой приведена на рис. 17. Машина была построена Ньюкоменом (Англия) в 1712 г. Эта машина получила широкое распространение на угольных копях для откачки из них воды.

Свой первый двигатель Ныокомен применил на каменноугольных рудниках в Варвикшире. Двигатель Ныокомена пред­ставлял значительный шаг вперед по сравнению с двигателями Папина и Севери. Машина Ньюкомена дей­ствовала следующим образом. В положении, представлен­ном на рисунке, поршень насоса 1 под действием собствен­ной тяжести опускался в нижнее положение, переместив находившуюся в цилиндре насоса 1 воду в верхний со­суд 3. При этом клапан А был, конечно, открыт, а кла­пан В — закрыт. В это время рабочий цилиндр 5 был заполнен паром, поступавшим из парового котла 7. При этом вентиль D был открыт, а вентиль С — закрыт. Коро­мысло 4, как показано на рисунке, было наклонено влево. Вслед за этим в рабочий цилиндр 5 из сосуда 6 впрыскива­лась холодная вода, пар в цилиндре 5 конденсировался, и давление становилось значительно ниже атмосферного. При этом во время впуска холодной воды из сосуда 6 в ра­бочий цилиндр 5вентиль С был, естественно, открыт, а вентиль D — закрыт. Вследствие создавшегося в ра­бочем цилиндре 5 вакуума его поршень под действием атмосферного давления опускался вниз, коромысло 4 поворачивалось вправо, поршень насоса 3 поднимался вверх, его цилиндр при закрытом клапане А и откры­том клапане В заполнялся водой из сосуда 2. Далее цикл машины повторялся. Результатом работы машины Ньюко­мена, именовавшейся атмосферной, являлся подъем воды с более низкого уровня на более высокий.

Первая машина Ньюкомена была построена в 1705 г., но уже к 1770 г. на севере Англии, главным образом в Ньюкаслском угольном бассейне, действовало около 100 таких машин, а к 1780 г. на Корнуольских оловянных рудниках (юго-запад Англии) было не менее 70 машин..

Схема двигателя Ньюкомена

В нем была применена, как и у Папина, поршневая конструкция, но паровой котел был отделен от рабочего пространства (см. рис.) и помещался над паровым котлом. Поршневой шток парового цилиндра был соединен гибкой связью с концом балансира. С другим концом балансира был соединён шток насоса. Поршень поднимался к концу цилиндра под действием противовеса, прикрепленного к противо­положному концу балансира. Кроме того движению поршня вверх по­могал пар, впускаемый в это время в цилиндр. Когда поршень находился в крайнем верхнем положении, закрывали кран, впускавший пар из кот­ла в цилиндр, и вбрызгивали в цилиндр воду. Пар в цилиндре охлаждался, конденсировался, и давление в цилиндре падало. Силой атмосферного давления двигался поршень вниз, совершая полезную работу. Последняя выполнялась только при движении поршня вниз. Затем снова пускали пар в цилиндр и цикл повторялся. Таким образом из каж­дых двух движений поршня только одно движение совершало работу. Так как при этом действовала не сила пара, а атмосферное давление, эти двигатели все еще принадле­жали к «атмосферным». Эти двига­тели, в которых работа произво­дилась лишь при движении поршня вниз, годились только для узкой задачи — водоотлив­ной машины.

Однако функция цилиндра оставалась еще двоякой: рабочий цилиндр в то же время был конденсатором. Это соединение рабочего цилиндра с конденсатором было основным недостатком двигателя Ньюкомена. Расход топлива в двигателях Ньюко­мена был очень велик: на 1 л. с. в час расходовали свыше 25 кг угля. Были случаи, когда при двигателе приходилось держать 50 лошадей, едва успевавших подвозить необходимое топливо.

Одна из машин Ньюкомена была установлена для откачивания воды из доков в Кронштадте. Поршень этой машины был соединен тягой с одним из концов особого балансира, другой конец которого тягой соединялся с поршнем насоса.

Машины Ньюкомена использовались также в других евро­пейских странах,

Шестидесятые годы XVIII столетия ознаменовались в России важным событием в развитии паровой техники. На алтайских заво­дах в 1766 г. был сконструирован и построен талантливым изобре­тателем Иван Иванович Ползуновым (1728—1766) первый универсальный двигатель, не нашедший, к сожалению, практического применения, - паровая машина мощностью около 40 л. с. оригинальной конструкции, существенно отличавшаяся от атмосферных машин того времени.

Ползунов родился на Урале, в семье вышедшего из крестьян солдата. Окончил горнозаводскую школу в Екатеринбурге, работал на уральских заводах, а в 1762 г. был назначен на Барна­ульский завод. Здесь Ползунов много занимался самооб­разованием, изучал труды Ломоносова, ознакомился с работами английских изобретателей Севери и Ньюкомена и французского физика Папена. Ползунов задался целью создать совершенный паровой двигатель. Он хотел, гово­ря его же словами, «сей славы (если силы допустят) Отечеству достигнуть и чтоб то во всенародную пользу, по причине большого познания о употреблении вещей, поныне не весьма зна­комых (по примеру наук прочих), в обычай ввести».

В 1763 г. Ползуновым были представлены записка, расчеты и проект первой в мире универсальной паровой машины мощностью 1,8 л. с. В отличие, например, от машины Ныокомена, которая не могла непрерывно про­изводить работу и использовалась поэтому для привода орудий прерывногодействия (например, насосов для от­качки воды из шахт), машина, предложенная Ползуновым в виде проекта, могла бы (будучи построенной) производить работу непрерывно, т. е. была спроектирова­на как универсальная.

В проекте своей машины Ползунов достигал непрерыв­ности ее работы, т. е. универсальности, путем примене­ния двух цилиндров, поршни которых поочереднопереда­вали работу на общий вал. Впервые выдвинутый Ползу­новым принцип сложения работы нескольких цилиндров на одном валу нашел в дальнейшем широкое применение, в том числе и для двигателей внутреннего сгорания.

Модель парового двигателя русского механика Ползунова 1763 г. (по Южакову}

Машина Ползунова являлась первой машиной, предназначавшейся не для откачки воды, а для за­водских целей. Машина, имея два попеременно действовавших ци­линдра, представляла собой соединение двух одноцилиндровых машин. Поршни машины посредством сконструированной Ползуно­вым особой механической передачи были соединены с мехами, вдувавшими воздух в металлургические печи. Машина имела автома­тическое парораспределение и автоматическое распределение подачи воды. В мае 1766 г. машина Ползунова была испытана. После не­скольких месяцев работы машина была остановлена и больше в ра­боту не включалась. Пуск машины состоялся после смерти И. И. Ползунова.

Общие условия, в которых работал Ползунов, и отношение к его изобретению администрации не только не способствовали развитию, усовершенствованию и распространению его машины, созданной им совершенно самостоятельно и при отсутствии какой-либо технической помощи, но, наоборот,

тормозили и мешали ее построению. После безвременной смерти Ползунова машина его не нашла применения и была забыта.

Однако записки и расчеты, оставленные Ползуновым, свидетельствуют о том, что он был не только гениальным изобретателем, но и теоре­тиком, хорошо осведомленным о современном ему состоянии науки и прогрессивных идеях и достижениях.

Ползуновым также было разработано специальное автоматическое устройство, производившее распределе­ние пара и воды.

Ползунова заслуженно называют первым русским теплотехни­ком. При Всесоюзной академии наук СССР были учреждены премии имени И. И. Ползунова за лучшие работы в области теплотехники. Имя Ползунова присвоено Сверд­ловскому горно-металлургическому техникуму и Центральному научно-исследовательскому котлотурбинному инсти­туту (ЦКТИ) в Ленинграде.

Через несколько лет после создания машины Ползунова, а именно в 1776 г., был построен универсальный тепловой двигатель - паровая машина Уатта.

Английский изобретатель Джеймс Уатт (1736—1819) — создатель ряда конструкций паровых машин, в том числе универсальной паровой машины, имевших очень большое значение для промышленности и транспорта.

Уатт родился в г. Гренокле (Шотландия). Его деятельность началась в открытой им мастерской, в которой изготавливались и ремонтировались различные приборы. Он исследовал свойства воды и водяного пара, опытным путем опреде­лил зависимость между давлением и температурой на­сыщенного водяного пара, довольно хорошо отвечающую современным данным.

Так как наибольший спрос на паровые машины был в то время для использования их в качестве двигателей, приводящих в действие водяные насосы, особенно для откачки воды из шахт, то усилия Уатта были сначала направлены именно в эту сторону. Внимательно изучив машину Ньюкомена, попавшую в его мастерскую на ре­монт, Уатт правильно (как это видно с позиций сегод­няшнего дня) определил большой ее недостаток: вслед­ствие впрыскивания воды для конденсации пара цилиндр машины периодически и существенно охлаждался, а при впуске в него новой порции пара из котла цилиндр снова необходимо было нагревать. Непроизводительно расхо­довалось много лишнего тепла, а значит, и топлива. Уатт сумел этот недостаток устранить.

 

Рис. 18. Схема машины Уатта	Рис. 19. Цилиндры двойного действия

 

 

На рис. 18 представлена схема действия насосной па­ровой машины Уатта. Из рисунка видно, что Уатт внес два важных усовершенствования. Во-первых, он ввел спе­циальное устройство — конденсатор пара5, так что пар в машине Уатта конденсировался не в цилиндре машины, как то было раньше (например, в системе Ньюкомена), а в конденсаторе. Во-вторых, Уатт устроил паровую ру­башку2 вокруг цилиндра, заполнявшуюся во время рабо­ты машины паром из котла 1. Эти два усовершенствова­ния существенно повысили экономичность машины.

Машина Уатта действовала следующим образом. Пар из котла 1 поступал в цилиндр; в это время поршень собственно паровой машины шел вверх (клапан 3 был зак­рыт, а клапан 4 открыт), в то время как поршень насо­са шел вниз (клапан 8 был закрыт, а клапан 9 — открыт) и ранее наполнявшая цилиндр насоса вода подавалась потребителю. Когда пар из котла 1 заполнял цилиндр машины, клапан 4 закрывался, а клапан 3 открывался, вследствие конденсации пара в цилиндре машины созда­вался вакуум, поршень машины под действием атмосфер­ного давления опускался вниз, а поршень 7 насоса поднимался вверх (клапан 8 был открыт, клапан 9 — закрыт), засасывая новую порцию воды в цилиндр насоса. Из описания действия насосной паровой машины Уатта следует, что она, как и машина Ньюкомена, отно­силась к атмосферным машинам.

Насосная паровая машина Уатта оказалась удачной, но только в 1769 г., т. е. приблизительно через четыре года после постройки модели, он получил на нее патент. На Корнуольском оловянном руднике в 1778 г. насчиты­валось около 70 машин Ньюкомена, а к 1790 г. все они, кроме одной, были заменены машинами Уатта. Область применения паровых машин расширялась, большие заказы поступали, в частности, со стороны развивающей­ся текстильной промышленности, требовались универ­сальные паровые двигатели для привода вращающихся станком и других машин. Патент на универсальный паровой двигатель Уатт получил в 1781 г. Он разработал и создал паровую машину с цилиндрами двойного дейст­вия, принцип работы которых изображен на рис. 19. В этой последней пар впускали то с одной, то с другой сторо­ны поршня, причем пространство на стороне, противопо­ложной впуску пара, соединя­лось каждый раз с конденса­тором (рис. 71). Уатту также принадлежит разработка центробежного регуля­тора и индикатора.

Таким образом, первым этапом в деятельности Уатта было усовершенствование ма­шины Ньюкомена, вторым — создание паровой машины простого дей­ствия, третьим и завершающим этапом — создание паровой ма­шины двойного действия.

Рис. 68. Схема двигателя Уатта 1776 г.

Рис. 68 показывает устройство двигателя Уатта простого действия. Пар поступает в цилиндр из котла по боковой трубе (на рис. слева). Цилиндр сообщается с конденсатором трубой, снабженной.паро­выпускным клапаном. Несколько выше этого клапана и ближе к цилин­дру расположен второй, уравновешивающий клапан. Допустим, что откры­ты оба клапана, тогда пар, впускаемый из котйа, наполняет все простран­ство над поршнем и под ним, вытеснив воздух по трубе в конденсатор. После этого закрывают оба клапана, и вся система продолжает оставаться в равновесии. Когда открывают нижний выпускной клапан, отделяющий пространство под поршнем от конденсатора, пар из этого пространства направляется в конденсатор, охлаждается здесь и конденсируется. При этом под поршнем создается разреженное пространство, и давление па­дает. Над поршнем же давит с полной силой острый пар из котла. Давление его толкает поршень вниз. Только при этом движении поршень со­вершает полезную работу, которая при помощи балансира передается штоку насоса, расположенного под противоположным концом баланси­ра.

Когда поршень опустился до своего крайнего нижнего положения, открывают верхний, т. е. уравновешивающий клапан, оставляя закрытым выпускной клапан. Пар снова заполняет про­странство над поршнем и под ним. Давление над поршнем и под ним вырав­нивается. Под действием противовеса, помещенно­го на конце балансира, противоположном цилин­дру, поршень свободно поднимается вверх (не выполняя при этом ни­какой работы). Затем цикл повторяются в той же последовательности.

В этом двигателеУатта из двух движений поршня рабочим было только одно, а именно то, при котором пар двигал поршень вниз. Однако принципиальным новшеством в двигателе простого действия Уатта было то, что рабочее движение поршня вызывалось не атмосферным давлением, как у Ньюкомена, а давлением пара. Это позволяло повышать мощность двигателя так как давление пара - величина переменная, при этом в разы выше, чем давление атмосферы.

Двигатели простого действия работали рывками. Они были непригодны для рабочих машин, требовавших равномерного кругового дви­жения и быстроходности. Удовлетворить этим условиям мог только паровой двигатель с равномерным круговым рабочим движе­нием. Для равномерности вращения прежде всего необходимо было перейти к двум рабочим ходам поршня, т. е. к машине двойного действия.

Кроме того требовалось ввести между двигателем и рабочей машиной механизм, превращающий прямолинейное движение во вращательное.

Этот механизм был известен: универсальный двигатель с вра­щательным движением его рабочего органа — коренного вала с маховым колесом. Прерывистые, возвратные движения поршня превращались в самом двигателе в непрерывное круговое движение в одном направле­нии. Уатт был прекрасно осведомлен о кривошипном механизме и пони­мал все значение его для превращения прямолинейных движений поршня во вращательное движение вала. Он писал по этому поводу: «Изобрета­телем кривошипного механизма был в сущности тот... кто первый построил обыкновенный токарный станок. Применить этот механизм к паровой машине было так же легко, как воспользоваться для разрезания сыра но­жом, предназначенным для резки хлеба».

Однако, несмотря на то, что задача была уже разрешена лучшим из возможных в то время способов, Уатт не мог использовать это решение. Когда Уатт со своими сотрудниками взялся за разрешение этой проблемы, уже был известен способ кривошипной пе­редачи, который применялся во всевозможных ножных.станках (прялка, точильный, токарный станок и т. д.). Надо было лишь применить это уже известное решение для нового случая. Но тут-то и выступило на сцену обстоятельство, чудовищное по своей нелепости, но вместе с тем крайне характерное для капиталистического производства. Еще в 1780 г. Пикар взял патент на применение кривошипного механизма к «огненной машине» ². Приходилось либо купить этот патент либо изы­скивать новые пути для решения задачи.

Обстоятельства разрешения этой задачи Уаттом весьма характерны для капи­талистической техники.

Схема параллелограмма Уатта

Уатт со своими сотрудниками стал на второй путь и уже в 1781 г. взял патент на пять новых способов превращения колебательных движений балансира во вращательные дви­жения коренного вала. Но гибкая связь поршня с ба­лансиром при помощи цепей, как она применялась во всех атмосферных двигателях и в машине простого действия Уатта, ока­залась непригодной для двига­теля двойного действия. Для передачи работы при движе­нии поршня вверх требова­лось жесткое соединение пор­шневого штока с балансиром. Это была сложная задача, так как поршневой шток и поршень движутся прямолинейно, а ко­нец балансира движется по дуге. Уатт разрешил эту задачу с помощью так называемого параллелограма.

Как показано на схеме, конец коромысла А шарнирно соединен тягой ADB с точ­кой В рычага ВС, соединенного шарниром с неподвижной точкой С на какой-либо неподвижной части двигателя. Итак во всей системе имеются две неподвижные точки вращения — центр балансира (на рис. слева),. вокруг которого совершает колебательные движения балансир, и точка С, вокруг которой может вращаться рычаг СВ. Точка А на конце балан­сира и точка В на конце рычага СВ совершают движения по дугам, опи­санным из центра балансира и из точки С. Уатт показал, что некоторая точка D на тяге ADB, соединяющей точки A и В, совершает движения, очень близкие к вертикальным прямолинейным движениям. Эту точку D Уатт соединил со штоком поршня.

Другими способами являлись так называемые «солнечное и планетарное зацепления», они применя­лись в паровых двигателях до истечения срока патента Пикара. После этого перешли к кривошипным механизмам.

Паровой двигатель Уатта двойного действия с вращательным движением, вы­пускавшийся с завода в Сохо в 1787—1800 гг. (по Фарею)

Для автоматического регулирования равномерного хода своей ма­шины Уатт ввел центробежный регулятор, описанный им в патенте 1784 г.

В 1784 г. Уатт получил также патент на паровую машину двойного действия, которая после ряда усовершенствований получила широкое применение в различных отраслях промышленности и на железнодорожном и вод­ном транспорте.

Созданием машины Уатта надежно разрешилась многовековая проблема использования энергии пара для получения работы. Карл Маркс, говоря о значении изобретения паровой машины, писал: «Только с изобретением второй машины Уатта, так назы­ваемой паровой машины двойного действия, был найден первичный двигатель, который, употребляя уголь и воду, сам производит двига­тельную силу и мощность которого находится всецело под контролем человека; двигатель ..., который будучи городским, а не сельским, как водяное колесо, позволяет концентрировать производство в городах вместо того, чтобы рассеивать его в деревне; двигатель универсаль­ный по своему техническому применению и сравнительно мало зави­сящий в своем местопребывании от тех или иных локальных условий. Великий гений Уатта обнаруживается в том, что патент, взятый им в апреле 1784 г., давая описание паровой машины, изображает ее не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности». ¹

Характерно, что к концу деятельности сам Уатт превратился в тормоз технического прогресса. Монополия на производство паровых двигателей Уатта (его патенты действовали до конца XVIII века) часто тормозила работу других изобретателей. Сам Уатт уже прекратил на определенном этапе дальнейшее усовершенствование своих двигателей, не желая нести расходы на новых конструкциях, раз его старые конструкции все еще пользовались монополией, а в них был вложен большой капитал.

Создание новых конструкций паровых машин, их совершенствование, изобретение отдельных — иногда мелких, а иногда крупных (но всегда важных) — нов­шеств было, конечно, делом многих талантливых людей. Повышалась быстроходность паровых машин, увеличи­валось давление свежего пара, для преобразования возв­ратно-поступательного движения поршня машины во вращательное все более широко применялся давно уже известный кривошипно-шатунный механизм, схема дейст­вия которого, представленная на рис. 20, не требует пояснений.

В XVIII в. возникло вполне понятное стремление

 

Рас. 20. Схема паровой машины с кривошишю-шатунным . меха­низмом J — поршень; 2 — шатун; 3 — колен­чатый вал; 4—маховик	Рис. 21. Паровоз Саефеысоиа «Ракета»

 

использовать паровую машину па наземном и водном транспорте. Хотя первые практические успехи в этой области относятся к началу (первой четверти) XIX в., но, вероятно, будет уместно остановиться на этом здесь как на непосредственном продолжении сказанного выше.

Было сделано немало попыток разработки парового локомотива (от лат. loco moveo — сдвигаю с места), были построены действующие модели, но обычно выделяется построенный талантливым английским изобретателем Джорджем Стефенсоном (1781 —1848) в 1829 г. паровоз «Ракета», изображенный па рис. 21.

Стефенсон родился в рабочей семье, работал па угольных копях Ньюкасла, где работали также его отец и дед. Он много занимался самообразованием, изучал физику, механику и другие науки, всегда интересовался изобретательской деятельностью. Выдающиеся способности Стефенсопа привели его на должность механика, а в 1823 г. он был назначен главным инженером компа­нии но строительству первой железной дороги общего пользования Стоктон—Дарлингтон; это открыло ему большие возможности конструкторской, изобретательской работы.

Модель первого русского паровоза Черепанова (Музей ж.-д. транспорта в Ленинграде)

В начале XIX столетия паровые машины оригинальных конст­рукций в России были построены на уральских заводах: Вяткиным (1815) на Верхне-Исетском заводе, Черепановыми (отец и сын) на Нижне-Тагильских заводах (1824). Ими же в 1833 г. был построен первый рус­ский паровоз.

Ме­ханик Михаил Черепанов, побывав в 1833 г. в Англии, построил при участии своего от­ца на Нижне-Тагильском заводе «сухопут­ный пароход», двигав­шийся по специальным «колесопроводам», т. е. рельсам, на протяже­нии около 850 м. Этот «сухопутный пароход» вез до 3,2 т груза са скоростью до 15 км в час.

Изобретение паровой машины обязано работе не одного поко­ления изобретателей. Первая машина, создав большие возможности для увеличения мощности энергетических установок, имела в конце XVIII и в начале XIX столетий быстрое распространение в самых разнообразных про­изводствах.

Интенсивные темпы внедрения в XIX столетии паровых машин в промышленно-

сти и на транспорте иллюстрируются статистическими данными, приведенными в табл. Эти данные показывают, что суммарная мощность паросиловых установок промышленности и транспорта увеличилась за период 1840—1890 гг., т. е. за 50 лет, поч­ти в 40 раз.

Годы Мощность паросило­вых установок

про­мышленности и транс­порта,

тыс. л. с.

1840 1650

1850 3999

1860 9380

1870 18 460

1880 34 150

1890 60 150

Однако, несмотря на исключительное развитие строительства паровых машин во многих странах и широкое применение их, они оставались вследствие своих особенностей машинами сравнительно небольших мощностей, работавшими паром низкого давления, с не­высоким к. п. д. В дальнейшем давление пара непрерывно увеличивалось и к концу XIX столетия было доведено до 10—12 ат .

Паровая машина, способствовавшая в XIX столетии высокому развитию и концентрации промышленности, к концу этого столетия ста­ла терять свое ведущее значение как основного двигателя силовых установок. Паровая 'машина, являющаяся тихоходной и маломощной, не могла уже обеспечивать должную мощность крупных предприятий, возникших за этот период, в результате дальнейшего развития и объ­единения их. Паровая машина в известной степени стала даже тор­мозить их рост. Силовые установки крупных предприятий, оборудо­ванных паровыми машинами, становились громоздкими, дорогостоя­щими, неудобными и малоэкономичными в эксплуатации. Так, например, на одном из крупнейших по тому времени бельгийских за­водов было установлено 350 паровых машин общей мощностью 20 тыс. л. с. Легко себе представить условия обслуживания и экс­плуатации этих 350 паровых машин.

В этот период в связи с ростом промышленности и мощности отдельных предприятий назрела острая необходимость в реконструк­ции силового хозяйства и создании новых мощных, быстроходных и экономичных двигателей. Эта необходимость вызывалась также тем, что, начиная с 90-х годов прошлого столетия, в производственных процессах стала широко использоваться электрическая энергия. Элек­тричество быстро стало основным видом энергии в производственных процессах, вызвавшим не только коренные изменения в их организа­ции, но и полную реконструкцию энергетического хозяйства пред­приятий.

Внедрение электричества и мощных первичных двигателей привело не только к объединению силового хозяйства отдельных предприятий, но и к созданию мощных центральных электрических станций для снабжения энергией целых промышленных районов. Это послужило одним из оснований к дальнейшему развитию предприя­тий и их производственной мощности. Новым силовым быстроходным двигателем большой мощности, в котором остро нуждалась промыш­ленность, явилась паровая турбина. С изобретением паровой турби­ны началась новая эра в развитии паросиловых и электрических установок.

Вытеснив в начале XX столетия из многих отраслей производст­ва поршневую паровую машину, турбина, являющаяся величайшим изобретением XIX столетия, стала единственным двигателем круп­ных теплосиловых электрических станций, открывшим широкие воз­можности для дальнейшего роста их мощности. Эту ведущую роль на тепловых электрических станциях турбина сохраняет и в настоящее время.