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.

---

Эти эскизы относятся к 1783 году.

Однако, эта система «поршневых клапанов», как они названы на чертеже, почему то не привилась. И вплоть до 1800 года Уатт продолжал пользоваться клапанным распределением. Но Мэрдок стал дальше разрабатывать идею «поршневого клапана» и в 1799 году взял патент на так называемый D — образный золотник. Самый золотник, т. е. деталь, закрывающая и открывающая соответствующие окна, представлял собой трубку D-образного сечения, помещенную в золотниковой коробке и передвигающуюся при помощи штока от эксцентрика на валу машины. Средняя часть плоской стороны золотника не примыкала плотно к стенке цилиндра, а опиралась на нее только широкими выступами по краям золотника так, что в некоторых положениях между одной частью цилиндра и золотниковой коробкой, наполненной паром из котла, открывалось сообщение, а в это время пар из другой части цилиндра, по другую сторону поршня, выходил в конденсатор, проходя внутри самого золотника как по трубопроводу. Золотник, т. е. одна деталь, таким образом, заменял собой четыре клапана с целой системой рычагов. Несмотря на свою простоту, это золотниковое парораспределение привилось не сразу, и машины с ним стоили дороже, нежели с клапанным, так как трудна была обработка сравнительно больших плоскостей, что затрудняло также и ремонт.

Итак, в середине восьмидесятых годов паровая машина сложилась в своих основных элементах как двигатель с вращательным дижением, с конденсатором, с поочередным действием пар» на обе стороны поршня, с параллелограмом, с планетарным движением, которое, по окончании патента Пикара, будет заменено Кривошипом с центробежным регулятором (см. рис.). Такой будет выпускать ее в течение многих десятков лет фирма «Болтон и Уатт», которая вскоре будет сама строить свои машины и изготовлять все детали и долго будет удерживать свое монопольное положение уже не как собственница патента, а как первый по времени, оборудованию, большому техническому опыту машиностроительный завод.

Но в этой машине не могло найти себе применение одно из самых замечательных практических приложений действия пара, открытых Уаттом, потому что оно оказалось в противоречии с техническими возможностями, с которыми приходилось считаться Уатту в своей работе. Это — использование расширения пара.

Если закрыть доступ пара в цилиндр, когда поршень еще не дошел до конца цилиндра, то пар будет продолжать производить давление на поршень, правда, постепенно уменьшающееся, согласно закону Бойля-Мариотта (давление газов обратно пропорционально объему).

Мысль эта пришла в голову Уатту еще в 1769 году, и он о ней писал Смоллу: «Я уже говорил вам о способе удвоить действие пара и притом довольно легко, используя силу пара, устремляющегося в пустоту. Теперь эта сила теряется. Она почти вдвое усилит его действия, но для полного ее использования потребуется слишком большой резервуар. Она особенно применима к паровому колесу и может заменить отсутствие конденсатора там, где применяется только сила пара, так как, если открыть один из клапанов и пустить пар, пока он не заполнит одной четверти пространств между этим клапаном и следующим, и затем закрыть клапан, то пар будет продолжать расширяться и давить на колесо с уменьшенной силой».

Была ли совершенно нова эта мысль? На нее могла натолкнуть Уатта ньюкомэновская машина.

Отсечка пара, т. е. преждевременное закрытие доступа его в цилиндр до того момента, как он совершенно наполнит его, применялась на ньюкомэновских машинах для того, чтобы постепенно остановить поршень и избежать резких толчков, а не ради экономии пара. Но использовать отсечку и дальнейшее расширение пара в машинах Уатта было нельзя, пока они сохраняли старую систему клапанов, применявшуюся на ньюкомэновских машина^. Дело в том, что паровпускной и паровыпускной клапаны были соединены так, что преждевременное закрытие впуска пара слишком рано открывало сообщение с конденсатором. Уатт довольно долго бился над этой проблемой, пока не додумался до системы отдельного закрывания и открывания впускного и выпускного клапанов.

В Сохо построили специальную экспериментальную машину для этой цели. Она была пущена в ход в апреле 1777 года, но уже через несколько месяцев Уатт усумнился в целесообразности расширения пара, зато Болтон очень уцепился за эту идею. Машина работала прескверно. Уатт не довел до конца своих опытов и не добился хороших результатов. Но года через два появился опасный соперник для Уатта в лице Джабеза Горнблоуэра с его двухцилиндровой машиной, в которой пар из одного цилиндра последовательно поступал в другой и действовал расширением. Надо было преградить путь Горнблоуэру.

В своей спецификации к патенту 12 марта 1782 года Уатт подробно изложил принцип использования расширения пара и снабдил ее даже диаграммой, показывающей кривую давления пара, согласно закону Бойля-Мариотта. Но практически он этого принципа так и не применил.

Почему?

Виноватыми, по его словам, оказались рабочие, те невежественные и упорные машинисты, которых никак нельзя было научить рациональному управлению машиной. «Целый ряд усовершенствований, усложняющих машину, нельзя ввести, — жаловался Уатт, — пока эти невежественные и упрямые люди, которым вверяется забота о машине, не станут более развитыми и лучше знакомыми с машиной». Так он писал в 1781 году.

Но то же самое он рассказывал и в старости. «Мы иногда ставили цилиндр вдвое большего размера, нежели требовалось, и отсекали пар на половине хода поршня. Пока за машиной ухаживали монтеры из Сохо, все шло хорошо, но когда к ней приступали местные машинисты, то они, желая ее улучшить, часто давали ей больше пара. Машина работала лучше, но котел не мог давать нужного количества пара, к нам поступали жалобы на недостаток пара и приходилось снова посылать своих монтеров».

Чертеж машины Уатта (1787 г.), установленной на мельнице Альбиона.

А — цилиндр (диаметр 34 дюйма); В — поршень (ход 8 футов); С — шток поршня; Е — наружный цилиндр (кожух); пространство между А и Е заполнено паром (паровая рубашка); J — пароотводная труба; камеры с тарелочными клапанами: С — верхняя паровпускная; Н — верхняя паровыпускная; К — нижняя паровпускная; L — нижняя паровыпускная; G н К соединены паропроводом (не изображен на чертеже); Н н L соед" чены пароотводной трубой; М — конденсатор, погруженный в резервуар с холодной водой; N — инжекционный кран; Р — воздушный насос; Т и V насоом, подающие горячую конденсационную воду в котел; Z — брус, регулирующий движение клапанов; W — центробежный регулятор (m — муфта, q — шары); х и t — рычаги к паровыпускному клапану; 1, 2 — рычаги к тарелочным клапанам; с, d, f — параллелограм; е — регулирующий радиус.

(Точка a на звене f есть точка С на чертеже параллелограма Уатта).

Но дело было не в машинистах, а в физических законах. Закон Бойля-Мариотта, правильный для газа, оказывался совершенно неверным для пара, как показали Уатту его же собственные наблюдения.

«Это рассуждение совершенно ошибочно, — писал оч, — если оно применяется к пару, так как пар охлаждается благодаря расширению, теряет часть своего объема и частично превращается в воду, если не может заимствовать тепла из окружающих его тел».

Действительно, при тех давлениях и при тех температурах пара, которые Уатт применял, расширение пара не могло дать сколько-нибудь значительных выгод. Введение же высокого давления было связано с такой огромной работой, казалось столь мало осуществимым технически, конечные результаты его были столь еще неопределенны, что Уатт не решился вступить на этот путь. Ему было уже довольно и того длинного пути, который он прошел, и тех целей, которых он достиг.

«Пора уже прекратить опыты с новыми изобретениями, — писал он, — и в особенности не следует ничего пробовать, что (упряжено с какой-либо опасностью неудачи или может причинить нам затруднение при исполнении».

В заключение этого обзора главнейших изобретений Уатта нужно сказать два слова об одном изобретении, обыкновенно приписываемом ему, — об индикаторе. Этот прибор, служащий для измерения и записи колебаний давления пара в цилиндре, в современной нам форме не является изобретением Уатта.

Прибор, который Уатт называл индикатором, есть скорее манометр или вакуумметр. Это — трубка, сообщающаяся с цилиндром машины. Внутри ее ходит поршень, шток которого соединен рычажком со спиральной пружиной, оказывающей сопротивление давлению атмосферы на поршень с другой стороны. Свободный, выходящий из трубки конец штока выступает больше или меньше в зависимости от колебаний давления пара и соединен со стрелкой, показывающей на циферблате эти колебания давления пара в тот или иной момент движения поршня цилиндра. Таким образом, нужно было наблюдать одновременно и за стрелкой, и за положением поршня в цилиндре.