Михаил Лесников - Джемс Уатт

• Название: Джемс Уатт
• Автор: Михаил Лесников
• Издательство: Журнально-газетное объединение
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1935

В настоящем издании представлен биографический роман о Джемсе Уатте (1736–1819), английском изобретателе, создателе универсального теплового двигателя. Изобрел (1774–84) паровую машину с цилиндром двойного действия, в которой применил центробежный регулятор, передачу от штока цилиндра к балансиру с параллелограммом и др. Машина Уатта сыграла большую роль в переходе к машинному производству.

---

Наконец-то Болтон увидел первую паровую мукомольную мельницу, о которой он так мечтал!

«Машина идет лучше, чем когда-либо, но сжигает слишком много угля», — записал Уатт.

Первой машиной двойного действия, выпущенной на рынок, была ротативная машина для маслобойни Коте и Джаррет в Гулле. Она была построена в 1784 году. Она замечательна еще в одном отношении.

На одном из чертежей ее общего вида, карандашом рт руки легким штрихом, проведено несколько прямых линий, идущих от конца коромысла, с которым сцепляется конец поршня. Эти три-четыре небрежно проведенные линии, поверх аккуратно вычерченных зубчиков рейки штока и зубчатой дуги на конце коромысла, являются первым наброском приложения на практике одного из остроумнейших изобретений Уатта.

Необычайный грохот, производимый машиной, и то и дело выламывающиеся из рейки и коромысла зубья ежедневно и ежечасно убеждали Уатта, сколь далека от совершенства эта конструкция. Но довольно долго он не мог придумать, чем бы можно было ее заменить. Задача, действительно, была нелегка: надо было соединить строго прямолинейное движение конца штока поршня с дуговыми движениями конца балансира. Непосредственно соединить их было, очевидно, невозможно. Устроить двухшарнирное соединение штока с шатуном, а этого последнего с концом балансира было технически почти невыполнимо, ведь для этого нужно было установить длинные прямые направляющие, а единственно возможным в то время способом точной обработки больших плоскостей была обработка вручную зубилом и пилой. Можно себе представить, какая это была дорогая и кропотливая работа. Последняя комбинация, таким образом, отпадала сама собой. Уровень производственной техники здесь, как и во многих других случаях, тяжело подавлял размах воображения конструктора-механика.

Общая руководящая мысль, на которой в конце-концов остановился Уатт, заключалась в том, чтобы осуществить соединение при помощи системы рычагов, вращающихся вокруг осей. Из нескольких предложенных и запатентованных Уаттом комбинаций самая простая оказалась наиболее удачной.

Этот механизм требует некоторых пояснений.

Представим себе два стрежня ОА и O1B, лежащие в одной плоскости и вращающиеся вокруг осей точек О и O1. При таком вращении их концы А и В будут описывать дуги, обращенные выпуклостями друг к другу.

Если соединить их свободные концы стержнем AB, то на этом стержне будет некоторая точка С, которая при этом движении стержней будет двигаться по прямой[6]. Если считать, что ОА—плечо балансира машины, a O1B вспомогательный рычаг, «регулирующий радиус», как его называл Уатт, то можно конец штока поршня присоединить на шарнире в этой точке С, и в то время, как конец балансира будет описывать дугу, шток поршня будет двигаться прямолинейно.)

«Уклонение от прямой линии, — определял Уатт в своем патенте от 24 августа 1784 года свой механизм, — движущегося конца одного из этих стержней компенсируется подобным же уклонением, но в обратном направлении конца другого стержня».

«Так как выпуклости дуг, описываемые концами балансира и регулирующего радиуса (вспомогательный рычаг), лежат в противоположных направлениях, то на соединяющем их стержне имеется точка, которая имеет очень мало заметные уклонения от прямой линии». Так описывал Уатт свое приспособление Болтону.

Схема параллелограма Уатта.

В общих чертах эта комбинация возникла у Уатта, может быть, уже в конце 1783 года. Через несколько месяцев она выкристаллизовалась совершенно отчетливо.

«Я, кажется, убил нового зайца, «меня осенила идея о новом способе придать штоку поршня перпендикулярное движение вверх и вниз, прикрепив его только к куску железа на балансире без всяких цепей или препендикулярно направляющих, без всякого трения, без дуг на коромысле и всяких прочих неуклюжих вещей, и это приспособление полностью соответствует всем ожиданиям… Оно годится и для двойных машин и для простых. Я пока попробовал его только на небольшой модели, поэтому не могу сделать окончательных выводов, но я думаю, что весьма вероятно, что эта вещь удастся. Это одно из самых остроумных простых механических приспособлений, которые я когда-либо придумал, но я прошу вас ничего об этом не говорить, пока я не подам спецификацию».

Вскоре он сделал большую модель «этой замены зубчатки и сектора, которая, как мне кажется, оправдывает все ожидания. Шток поршня идет вверх и вниз совершенно в перпендикулярном направлении».

Это был так называемый неполный параллелограм, или, как Уатт называл его впоследствии, трехрычажное движение. Немного времени спустя, осенью 1784 года, в Сохо испытывали уже машину для маслобойни Котса — первую, снабженную этим остроумнейшим механизмом.

«Новое центральное перпендикулярное движение полностью оправдывает все наши ожидания. Оно не производит даже и намека на шум», — писал Уатт Болтону.

Это было в октябре, а в ноябре он уже наносил на чертеж машины, заказанной лондонским пивоваром Уайтбрэдом, дальнейшее усовершенствование этого трехрычажного движения, так называемого «параллельного движения». Механизм этот теперь известен под названием «параллелограм Уатта». Действие его следующее (см. чертеж).

Продолжим мысленно рычаг ОА до точки G и построим параллелограм OGHJ, причем OJ и GH параллельны AB. Проведем диагональ ОН. Она пройдет через точку С.

Если двигать точку С по прямой уу, а это, как мы знаем, вполне возможно, то вся система придет в движение, и точка Н пойдет при этом тоже по прямой хх и параллельной уу, и все вообще точки пересечения диагонали с линиями, параллельными AB, например точка F на DE или на КМ, будут двигаться по прямым, параллельным уу.

Если принять, что OG плечо балансира машины и к нему подвешен параллелограмм (из металлических стержней на шарнирах) AGHB, то в точках С и H можно подвесить концы штоков поршней, и они при качании балансира будут двигаться по прямым параллельным линиям.

Уатт считал этот механизм своим самым остроумным изобретением. Задача соединения балансира с штоком поршня была блестяще разрешена.

Другую, довольно сложную задачу в машине Двойного действия представляло устройство парораспределения. В своих прежних машинах он применял клапанное парораспределение. В машине двойного действия Уатт устроил две распределительные камеры (прототип будущих золотниковых коробок), по одной у верхнего и нижнего конца цилиндра. Каждая камера имела сообщение с котлом, цилиндром и конденсатором. Открывая соответствующие отверстия (окна), можно было выпускать пар из котла в ту или иную часть цилиндра (над или под поршень) или выпускать его из цилиндра в конденсатор. Эго достигалось при помощи так называемых тарелочных клапанов, т. е. металлических дисков, поднимавшихся или опускавшихся над соответствующими окнами и частично входивших в них. Клапаны приводились в движение путем довольно сложной системы рычагов, действующих от балансира. (Впоследствии от эксцентрика на коренном валу машины). Одновременно всегда действовали два клапана, например, паровпускной в части цилиндра над поршнем и паровыпускной из нижней части цилиндра под поршнем.

Уатт, но главным образом его сотрудники, в особенности Мэрдок, долгое время работали над упрощением системы. Задача состояла в том, чтобы при помощи одной детали машины иметь возможность впускать пар в часть цилиндра (по одну сторону поршня), одновременно выпуская его из другой части. В бумагах Уатта сохранились чертежи (см. рис.) другой системы парораспределения при помощи двух поршней, надетых на один стержень и плотно прилегающих к стенкам коробки. При том или ином их положении устанавливалось сообщение цилиндра с котлом или конденсатором — в этом случае через коробку, в которой двигались поршни (см. рис.).

Схема парораспределения при помощи поршневого клапана.

Чертеж составлен одним из помощников Уатта в 1783 году (буквы поставлены для пояснения). В и В — поршни, соединенные между собой трубкой С и двигающиеся в трубе D, соединенной с конденсатором Н и трубками Е и F с цилиндром A; G — паропровод; К — шток, служащий для передвижения ВВ.

В изображенном на чертеже положении поршней ВВ пространство трубы D между поршнями В и В, а также нижняя часть цилиндра А под поршнем (не изображенном на рисунке), примыкающая к F, заполнены паром, тогда как в верхней части цилиндра А, над поршнем, сообщающейся через Е и через С с конденсатором Н — состояние разрежения; при подъеме ВВ выше F и E нижняя часть А через F будет сообщаться с H, а верхняя часть через Е и D — с паропроводом.