Завоевание природы

Когда появилась первая паровая машина?

Приборы, которые приводились в движение силой пара, были известны довольно давно, но они долгое время оставались только забавными игрушками. Настоящие же паровые машины начали появляться всего лет 200—250 тому назад. К этому времени стала развиваться промышленность, которая нуждалась в двигателе.

Первую такую машину построил французский врач; Денис Папин в 1690 году. Родился он во Франции, там учился, а потом занимался лечением. Но так как Папин был более свободных религиозных убеждений чем те, которые господствовали тогда во Франции, то его стали преследовать попы и он принужден был покинуть родину. Пришлось ему жить и в Англии, и в Италии, и в Германии. Везде Папин с увлечением занимался наукой и особенно интересовался техникой. Изобретенная им паровая машина работала следующим образом (рис. 13).

В металлическом цилиндре мог двигаться плотно пригнанный поршень. К поршню привязывалась веревка, перекидывалась через блоки, а на другом конце веревки подвешивался груз. Внутрь цилиндра, под поршень, Папин наливал воды и нагревал ее снизу. Получавшийся из воды пар давил на поршень и поднимал его, при чем груз, конечно, опускался. После этого Папин быстро убирал из под цилиндра огонь. Тогда охлаждавшийся пар снова сгущался в воду, под поршнем получалась пустота, а снаружи ведь на него давил воздух. Этим давлением поршень опять вгонялся глубоко в цилиндр и тянул за собой груз, т.-е. поднимал его.

Само собой разумеется, что такая машина работала очень медленно и плохо. Однако Папин пытался приспособить ее и для полезной работы. Пробовал он заставлять работать машину и с помощью взрывов пороха. Тут ему опять не повезло. При одном из опытов, производившихся в тогдашних владениях "великого герцога Гессенского", цилиндр разорвало, при чем пострадало несколько зрителей. Герцог стал преследовать Папина и последнему пришлось бежать в Англию. Там он попробовал приспособить свою машину для движения лодки и истратил на это все свое состояние. Дело было пошло на лад, но темные лодочники, боявшиеся лишиться заработков, разгромили "дьявольское изобретение" Папина. После этого у него уже не оставалось средств на продолжение опытов и он умер в бедности, всеми позабытый.

А между тем наступало время, когда применение паровой машины начинало становиться насущной необходимостью. В Англии сильно развивалась промышленность, требовавшая все большего и большего количества топлива. Уничтожение лесов приняло угрожающие размеры. Для того чтобы избежать полного обезлесения страны, пришлось приняться за разработку запасов другого топлива—залежей каменного угля. Каменный уголь, как известно, лежит довольно глубоко в земле, и для извлечения его нужно прокладывать глубокие шахты. В шахтах скопляется подземная вода, которая мешает работе: ее нужно откачивать. Сначала для откачки воды из шахт применяли силу людей и лошадей. Но чем глубже становились шахты, тем труднее было устранять воду из шахт силами людей и животных. Нужда заставила приспособить для этого силу пара.

После многих и трудных опытов это удалось впервые сделать англичанину Ньюкомену. Он поставил в 1712 году для откачки воды паровую машину, которая делала всего на всего десять подъемов в минуту. Но эта машина заменяла уже работу 50 лошадей и требовала в шесть раз меньше расходов. Устроена она была так (рис. 14).

Необходимый для приведения машины в движение пар получался уже не под поршнем (как у Панина), а в отдельном котле (внизу), в котором нагревалась вода. Пар по трубке проходил в цилиндр и гнал поршень вверх. Как только поршень доходил до верху, внизу поворотом особого крана закрывали доступ пара в цилиндр, а цилиндр обливали холодной водой. Тогда от охлаждения пар сгущался в воду, под поршнем образовывалась пустота, а сверху на поршень давил воздух. Поэтому поршень снова шел вниз. Как видно из рисунка, поршень своим движением качал коромысло, которое опускало и поднимало связанную с ним штангу водяного насоса и таким образом откачивало воду.

Обливать каждый раз цилиндр снаружи холодной водой было неудобно, а потому скоро придумали впрыскивать холодную воду из особого сосуда через трубку прямо под поршень. Вскоре было сделано и другое усовершенствование.

Краны, открывающие и закрывающие доступ пара или холодной воды в цилиндр, приходилось каждый раз открывать и закрывать вручную. Эту работу выполняли обычно мальчики. И вот рассказывают, что один из этих мальчиков, по имени Гэмфри Поттер, придумал, как облегчить себе скучную работу. Он соединил краны с коромыслом веревками так, что при качании коромысла краны открывались и закрывались сами собой, автоматически. Приходит раз мастер и видит, что мальчик мирно спит, а машина тем не менее исправно работает. Посмотрели внимательно, что устроил мальчик, да потом и начали применять его приспособление во всех других машинах.

Так работали первые паровые машины при откачке воды из английских каменноугольных шахт. Но очень малое количество затрачиваемого на них тепла превращали они в полезную работу. Всего какую-нибудь сотую часть и даже того меньше. Остальное тепло бесполезно улетало в трубу топки, тратилось на нагревание охлаждаемых каждый раз стенок цилиндра, уходило из машины с теплой водой и так далее. Но скоро и тут были сделаны большие усовершенствования.

В университете города Глазго (Шотландия) приборами, служившими для производства разных научных опытов, заведовал молодой механик Джемс Уатт (рис. 15). Попала к нему как-то в починку модель [4] паровой машины Ньюкомена. Она так заинтересовала Уатта, что он потом всю жизнь свою посвятил усовершенствованию паровой машины. И можно даже сказать, что только благодаря усовершенствованиям Уатта паровая машина начала широко применяться в технике. В чем же состояли эти усовершенствования?

4

Моделью машины называется прибор, изображающий машину в сильно уменьшенном виде.

Прежде всего Уатт заметил, что в машине Ньюкомена много тепла теряется даром на нагревание стенок цилиндра, охлаждаемых каждый раз холодной водой. Для устранения этого он придумал сгущать пар не в цилиндре, а в соединенном с ним приборе, так называемом конденсаторе, или холодильнике. А чтобы цилиндр не охлаждался, он окружил его сохраняющими тепло веществами. Этим уже достигалась довольно большая экономия в топливе. Через несколько лет, однако, а именно в 1769 году Уатт совсем иначе перестроил всю паровую машину. Да перестроил так удачно, что главнейшие ее части сохраняются и до сих пор почти в каждой паровой машине, только, конечно, еще более улучшенные и усовершенствованные.

В машине Ньюкомена пар действовал на поршень только с одной стороны; в обратную сторону, после сгущения пара, поршень гнался давлением наружного воздуха. Уатт же заставил пар высокого давления действовать на поршень попеременно с обеих сторон. Достиг он этого с помощью особого приспособления, называемого золотником. Действие золотника будет понятно из рисунка 16.

На рисунке изображен стоячий паровой цилиндр, для ясности как бы разрезанный пополам.

К цилиндру (справа) наглухо прикреплена коробка с помещающимся в ней золотником. Смотрите теперь на левую часть рисунка.

Сжатый горячий пар, образовавшийся в котле, поступает через трубу, обозначенную буквой Л. Из рисунка видно, что цилиндр сбоку имеет два отверстия, одно из которых (верхнее) закрыто подвижной крышкой—золотником. Пар может пройти в цилиндр только через нижнее отверстие, т.-е. под поршень. Он погонит поршень вверх.

Воздух или пар, который находился вверху, будет выгоняться поршнем через верхнее отверстие цилиндра под крышку золотника, а оттуда, через отверстие, обозначенное кружочком (а), наружу. Все это показано на рисунке стрелками.

Как только поршень дойдет доверху, крышка золотника передвинется вниз, откроет верхнее отверстие и закроет нижнее. Получится то, что показано на правой половине рисунка. Здесь легко увидеть, что пар из котла будет теперь уже гнать поршень вниз, а отработавший, мятый пар будет уходить из цилиндра через нижнее отверстие. Передвижение золотника вниз и вверх производится самой машиной, т.-е. автоматически.

Благодаря этому приспособлению паровая машина стала работать гораздо лучше, и стало возможным применять более сильно сжатый пар, имеющий высокое давление. Кроме этого Уатт улучшил действие машины применением масла и воска для более плотного смыкания частей, применением особого регулятора для равномерного и правильного хода машины и целым рядом других приспособлений. Благодаря им паровая машина Уатта потребляла уже в четыре раза меньше угля, чем требовала для той же работы машина Ньюкомена.