История развития паровых машин

История развития паровых машин

Скачать:

Предварительный просмотр:

История развития паровых машин

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №3

г. Усмань Липецкой области

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диноме. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Дином. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах.

Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 г. создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре

Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Сейвери в 1698 году.

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты.

В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности.

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели».

Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк).

Схема работы паровой машины Ньюкомена.

– Пар показан лиловым цветом, вода — синим.

– Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые — красным

Паровая турбина представляет собой барабан либо серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, их называют ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные (в активных, либо подобные в реактивных) лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.

Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86 % мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

Значение паровых машин

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.

Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86 % электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива — от дров до урана.

Развитие парового двигателя

Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 г. создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Применение на производстве

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии. Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 миль в час. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

Паровые машины // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.) — СПб., 1890—1907.

Паровые машины. История, описание и приложение их. 1838 г., СПб.: тип. Эдуарда Праца и Ко. — 234 с.

Брандт А. А. Очерк истории паровой машины и применения паровых двигателей в России, СПб., 1892.

212 лет паровому автомобилю! 7 мифов о паровой тяге

24 декабря 2013

Ровно 212 лет назад, 24 декабря 1801 года, в небольшом английском городе Камборне механик Ричард Тревитик продемонстрировал общественности первый автомобиль с паровым двигателем Dog Carts. Сегодня это событие можно было бы смело отнести в разряд хоть и примечательных, но несущественных, тем более что паровой двигатель был известен и ранее, и даже применялся на транспортных средствах (хотя назвать их автомобилями было бы очень большой натяжкой)… Но вот что интересно: именно сейчас технический прогресс породил ситуацию, поразительно напоминающую эпоху великой «битвы» пара и бензина в начале XIX века. Только бороться предстоит аккумуляторам, водороду и биотопливу. Хотите узнать, чем все закончится и кто победит? Не буду подсказывать. Намекну: технологии ни при чем…

1. Увлечение паровыми двигателями прошло, и наступило время двигателей внутреннего сгорания. Для пользы дела повторю: в 1801 году по улицам Камборна покатился четырёхколёсный экипаж, способный с относительным комфортом и небыстро перевозить восемь пассажиров. Автомобиль приводился в движение одноцилиндровым паровым двигателем, а топливом служил уголь. Созданием паровых транспортных средств занялись с энтузиазмом, и уже в 20-х годах XIX века пассажирские паровые омнибусы перевозили пассажиров со скоростью до 30 км/час, а средний межремонтный пробег достиг 2,5–3 тыс. км.

Теперь сопоставим эти сведения с другими. В том же 1801 году француз Филипп Лебон получил патент на конструкцию поршневого двигателя внутреннего сгорания, работавшего на светильном газе. Случилось так, что через три года Лебон погиб, и развивать предложенные им технические решения пришлось другим. Лишь в 1860 году бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар собрал газовый двигатель с зажиганием от электрической искры и довёл его конструкцию до степени пригодности к установке на транспортное средство.

Итак, автомобильные паровой двигатель и двигатель внутреннего сгорания — практически ровесники. КПД паровой машины той конструкции и в те годы составлял около 10%. КПД двигателя Ленуара был всего 4%. Только через 22 года, к 1882-му, Август Отто усовершенствовал его настолько, что КПД теперь уже бензинового двигателя достиг… аж 15%.

2. Паровая тяга — всего лишь краткий миг в истории прогресса. Начавшись в 1801 году, история парового транспорта активно продолжалась без малого 159 лет. В 1960-м (!) в США всё ещё строились автобусы и грузовики с паровыми двигателями. Паровые машины за это время усовершенствовались весьма значительно. В 1900 году в США 50% парка автомобилей были «на пару». Уже в те годы возникла конкуренция между паровыми, бензиновыми и — внимание! — электрическими экипажами. После рыночного успеха «Модели-Т» Форда и, казалось бы, поражения парового двигателя новый всплеск популярности паровых авто пришёлся на 20-е годы прошлого столетия: стоимость топлива для них (мазут, керосин) была значительно ниже стоимости бензина.

Фирма Stanley производила до 1927-го примерно 1 тыс. паровых автомобилей в год. В Англии паровые грузовики успешно конкурировали с бензиновыми до 1933 года и проиграли лишь по причине введения властями налога на тяжёлый грузовой транспорт и снижения тарифов на импорт жидких нефтепродуктов из США.

3. Паровая машина неэффективна и неэкономична. Да, когда-то это было именно так. «Классический» паровой двигатель, который выпускал отработанный пар в атмосферу, имеет КПД не более 8%. Однако паровой двигатель с конденсатором и профилированной проточной частью имеет КПД до 25–30%. Паровая турбина обеспечивает 30–42%. Парогазовые установки, где используются «в связке» газовые и паровые турбины, имеют КПД до 55–65%. Последнее обстоятельство подвигло инженеров компании BMW начать проработки вариантов использования этой схемы в автомобилях. К слову сказать, КПД современных бензиновых двигателей составляет 34%.

Стоимость изготовления парового двигателя во все времена была ниже стоимости карбюраторного и дизельного моторов той же мощности. Расход жидкого топлива в новых паровых двигателях, работающих в замкнутом цикле на перегретом (сухом) пару и оснащённых современными системами смазки, качественными подшипниками и электронными системами регулирования рабочего цикла, составляет всего 40% от прежнего.

4. Паровой двигатель медленно запускается. И это было когда-то… Даже серийные автомобили фирмы Stanley «разводили пары» от 10 до 20 минут. Усовершенствование конструкции котла и внедрение каскадного режима нагрева позволило сократить время готовности до 40–60 секунд.

5. Паровой автомобиль слишком нетороплив. Это не так. Рекорд скорости 1906 года — 205,44 км/час — принадлежит паровому автомобилю. В те годы автомобили на бензиновых моторах так быстро ездить не умели. В 1985-м на паровом автомобиле разъезжали со скоростью 234,33 км/час. А в 2009 году группа британских инженеров сконструировала паротурбинный «болид» с паровым приводом мощностью 360 л. с., который был способен перемещаться с рекордной средней скоростью в заезде — 241,7 км/час.

6. Паровой автомобиль дымит, он неэстетичен. Рассматривая старинные рисунки, на которых изображены первые паровые экипажи, выбрасывающие из своих труб густые клубы дыма и огня (что, кстати, свидетельствует о несовершенстве топок первых «паровиков»), понимаешь, откуда взялась стойкая ассоциация паровой машины и копоти.

Что касается внешнего вида машин, дело тут, конечно, зависит от уровня дизайнера. Вряд ли кто-то скажет, что паровые автомобили Абнера Добля (США) некрасивы. Напротив, они элегантны даже по теперешним представлениям. И ездили к тому же бесшумно, плавно и быстро — до 130 км/час.

Интересно, что современные изыскания в области водородного топлива для автомобильных моторов породили ряд «боковых ответвлений»: водород в качестве топлива для классических поршневых паровых двигателей и в особенности для паротурбинных машин обеспечивает абсолютную экологичность. «Дым» от такого мотора представляет собой… водяной пар.

7. Паровой двигатель капризен. Это неправда. Он конструктивно значительно проще двигателя внутреннего сгорания, что само по себе означает большую надёжность и неприхотливость. Ресурс паровых моторов составляет многие десятки тысяч часов непрерывной работы, что не свойственно другим типам двигателей. Однако этим дело не ограничивается. В силу принципов работы паровой двигатель не теряет эффективности при понижении атмосферного давления. Именно по этой причине транспортные средства на паровой тяге исключительно хорошо подходят для использования в высокогорье, на тяжёлых горных перевалах.

Интересно отметить и ещё одно полезное свойство парового двигателя, которым он, кстати, схож с электромотором постоянного тока. Снижение частоты вращения вала (например, при возрастании нагрузки) вызывает рост крутящего момента. В силу этого свойства автомобилям с паровыми моторами принципиально не нужны коробки передач — сами по себе весьма сложные и порой капризные механизмы.

Летающий паровоз: самолет с паровым двигателем

На самом-то деле первый паролет успешно взлетел лишь в 1933 году, но количество попыток запустить в воздух паровую машину просто не поддается исчислению.

Изобретателем паролета является английский инженер Уильям Сэмюэл Хенсон (1812−1888). Блестящий механизатор и изобретатель, свой первый серьезный патент Хенсон получил в возрасте 23 лет — на машину для механизированного производства тесьмы. А в 1838 году он неожиданно увлекся авиацией, которой тогда, будем честны, просто не существовало. Естественно, никаких двигателей внутреннего сгорания и тем более реактивных не было, и единственным способом заставить тяжелую крылатую машину подняться в воздух была установка парового двигателя: от него приводились в движение массивные крылья самолета. Хенсон отдал много сил на создание как можно более легкого и компактного силового агрегата и в 1841 году его запатентовал. А полтора года спустя совместно со своим другом и компаньоном Джоном Стрингфеллоу он получил патент на настоящий самолет с паровым двигателем. Машина получила название «Воздушный паровой экипаж» (Aerial Steam Carriage), или сокращенно «Ариэль».

По чертежам машина имела размах крыльев 48 м (общая площадь — 420 м^2) и весила 1400 кг. По расчетам Хенсона и Стрингфеллоу «Ариэль» мог бы нести десять пассажиров и разгоняться до 75 км/ч при дальности полета в 1600 км.

Конечно, их расчеты были неверны — в основном за полным отсутствием мирового опыта самолетостроения. Они делали первые робкие шаги — все данные получались разве что экспериментальным путем.

В 1843 году Хенсон с рядом компаньонов организовал первую в мире авиакомпанию, которая так и называлась: Aerial Transit Company. Целью было собрать необходимую сумму для постройки самолета, но все уменьшенные модели машины, построенные в период с 1844 по 1847 год, оказались неудачными: не взлетела ни одна. Самолет даже в малом варианте был слишком тяжелым. В итоге Стрингфеллоу все-таки построил действующую модель, которая пролетела порядка 20 м (и приводилась в движение пропеллерами, а не взмахами крыльев), но к тому времени Хенсон уже окончательно разочаровался в бесперспективном проекте. Он женился, эмигрировал в США и расстался с авиацией. В мировой промышленности он известен в первую очередь как изобретатель безопасной бритвы.

Неудача Можайского

В какой-то мере «культовый» самолет Александра Федоровича Можайского (1825−1890), столь любимый художниками и филателистами, тоже приводился в движение паром. Точнее, должен был приводиться.

Работать над проектом самолета капитан 1-го ранга Можайский начал уже немолодым человеком, в 1870-х, по увольнении из действующей армии. Впоследствии Можайский получил звание генерал-майора и даже контр-адмирала, но это было позже, а свой замечательный самолет Александр Федорович построил в 1882 году.

В первую очередь конструкция Можайского была уникальна тем, что имела аж два паровых двигателя (по 20 и 10 л.с. соответственно). Характерно то, что почти все изобретатели XIX века в расчетах принимали очень низкую скорость полета (в случае Можайского — 40 км/ч), что вынуждало делать крылья оригинальных форм и с очень большой площадью поверхности. Огромные прямоугольные крылья, сложная система поддерживающих вант, три пропеллера — никто до Можайского не пытался сделать самолет таких размеров. Собственно, форму крыльев Можайский вывел из своих многочисленных опытов с воздушными змеями, которые проводил с 1873 года. В 1876 году он построил большой полупланер-полузмей, на котором поднялся в воздух (правда, планер за собой тянула лошадь, самостоятельно летать тот аппарат не мог).

Летом 1882 года самолет был готов. Паровые двигатели были выписаны из Англии. 20 июля Можайский продемонстрировал титаническую по тем временам конструкцию членам комиссии по военному делу — в основном для того, чтобы «выбить» дополнительные гранты на усовершенствование паролета. Но испытания прошли неудачно. Можайский — опять же из полного отсутствия мирового опыта самолетостроения — не снабдил свою машину устройствами против боковых кренов: никто и предположить не мог, что они нужны. Самолет, даже не успев приподняться в воздух, завалился на бок, и его огромное крыло «сложилось».

Через полгода Можайский представил воздухоплавательному отделу Русского технического общества новую, усовершенствованную конструкцию самолета. Два года прошли в бюрократических отсылках Александра Федоровича из одного ведомства в другое, и лишь летом 1885 года были проведены повторные испытания при представителях армии и Русского технического общества. Испытания прошли точно так же, как и первые: самолет завалился на бок.

Вторая неудача серьезно «подкосила» изобретателя. Он продолжал заниматься доводкой конструкции, купил более мощные паровые двигатели, писал в министерства, но 21 марта 1890 года умер. После смерти Можайского самолет некоторое время стоял под открытым небом, после был разобран и хранился в сарае, а спустя несколько лет полностью сгорел при пожаре. Чертежей Можайского не сохранилось: все модели его самолета сделаны по рисункам и текстовым описаниям.

Летучие мыши Адера

Французский инженер Клемент Адер (1841−1925) считается одним из родоначальников современной авиации, а также многих других ветвей промышленности. Именно он организовал первое во Франции телефонное соединение в 1880 году, став, можно сказать, французским Беллом. Он же организовал первую в мире телефонную трансляцию концерта (из Парижской оперы) и сконструировал первый в мире гоночный восьмицилиндровый V-образный двигатель.

Адер придерживался мнения, что самолет должен быть похож на птицу или летучую мышь — они ведь летают. В 1886 году он начал строить паролет, названный им «Эол» (éole). В первую очередь «Эол» был революционен тем, что его паровой двигатель вращал пропеллер, а не крылья, как у паролета Хенсона. За 40 лет паровые двигатели «облегчились», пропеллер был весьма удачным новшеством, и 9 октября 1890 года, за десять лет до полета братьев Райт, самолет «Эол» поднялся в воздух и пролетел 50 м на высоте около 20 см над землей близ французского города Бри.

Размах крыльев машины составлял 14 м, а вес — порядка 300 кг. Основной проблемой Адера, как и Хенсона, было крайне неудачное соотношение мощности и массы парового двигателя. Будучи крайне тяжелым, агрегат едва мог поднять сам себя, не говоря уже о каких-то «навесках» вроде руля высоты или хвостовой части. Впрочем, годом спустя, в сентябре 1891 года, «Эол» снова летал — на той же высоте, на этот раз преодолев целых 100 м.

Феликс дю Тампль де Ла Круа (1823–1890) в первую очередь был морским офицером, а уже во вторую – изобретателем. Тем не менее блестящая армейская карьера не мешала ему в свободное от плаваний время заниматься инженерным делом. И в 1857 году дю Тампль получил патент на самолёт с паровым двигателем под названием «Лодка-планер» (Canot planeur).
В рисунке крыльев своего планера дю Тампль в первую очередь отталкивался от того, как выглядят птичьи крылья. Вместе с братом он построил несколько миниатюрных моделей планера – сначала с часовым механизмом в качестве двигателя, а затем и с крошечной паровой установкой. Модели летали вполне успешно.
А вот с двигателем для большого планера дю Тампль помучился. В 1860-х он решил изменить конструкцию и установить на планер только-только изобретённый двигатель внутреннего сгорания системы Ленуара, но всё-таки привычный паровой двигатель оказался мощнее и эффективнее – пусть и заметно тяжелее.
Наконец, в 1874 году в порте Брест дю Тампль построил свой паролёт с размахом крыльев 13 м и весом всего. 80 кг! Испытания показали, что планер вполне успешно взлетает (при помощи катапульты) и за счёт пропеллера, вращаемого паровиком, может некоторое время продержаться в воздухе. В 1876 году дю Тампля с треском вышвырнули из армии за ультрароялистские взгляды, и он полностью посвятил себя паролёту. Кстати, сверхкомпактный паровой двигатель дю Тампль также разработал самостоятельно.
Вершиной истории конструкции дю Тампля стала Всемирная промышленная выставка 1878 года в Париже. Паролёт был успешно продемонстрирован на ней. Планером заинтересовалась армия, но возникло две проблемы: во-первых, политические взгляды дю Тампля, который презирал республику и требовал восстановления монархии, а во-вторых, тот факт, что планер не мог взлететь сам. Суть в том, что паровой двигатель практически не играл роли в полёте: то расстояние, которое паролёт мог преодолеть, он прекрасно преодолевал и в парении, просто по принципу планера. И проект заглох.
Правда, от дю Тампля кое-что осталось в истории – его компактный двигатель впоследствии использовался в различных конструкциях, работающих на пару.

yarodom

• Add to friends
• RSS

Мы родом .

Летопись: Люди, места, события, свидетельства

«Ползунки» для паровой машины / Паровая машина Ползунова
Как русский изобретатель Иван Ползунов опередил англичанина Уатта / Сделано русскими

Технический прогресс до некоторой степени предопределен: трудно представить цивилизацию, которая вышла бы в космос, не овладев использованием электричества или не зная, что такое реактивное движение. Многие законы природы формулируются почти одновременно двумя учеными, жившими в разных странах — вспомним хорошо известный благодаря школьной программе закон Бойля — Мариотта. В науке подобное происходит настолько часто, что для этого даже придуман специальный термин — «множественное открытие». Он используется, когда речь идет о сделанных независимо друг от друга и более или менее одновременных открытиях. Открытие двухцилиндровой паровой машины, которое обычно приписывается англичанину Джеймсу Уатту, трудно назвать множественным — хотя бы потому, что русский мастер Иван Ползунов создал ее почти на двадцатилетие раньше. Однако в мире первооткрывателем считается именно Уатт, и причины тут самого разного характера. Во-первых, именно его паровая машина нашла коммерческое применение и была растиражирована сперва в Великобритании, а затем и по всему миру — другими словами, она, а не «огненная машина» Ползунова стала прародительницей и законодательницей мод в мире пара. Во-вторых, Россия для Европы довольно долго оставалась экзотической периферией — из-за культурных барьеров и неразвитой в те времена российской научной публицистики мир о машине Ползунова узнал с запозданием и воспринимает ее сейчас как забавный курьез.

Если уж быть совсем честным, то изобретателем, который первым заставил пар выполнять работу, был не Джеймс Уатт и даже не Ползунов, а древний грек Герон Александрийский, который около 130 года до нашей эры создал так называемый эолипил — примитивную паровую турбину. Внутрь полой сферы под давлением поступал пар, затем механик открывал две соединенные со сферой Г-образные трубки, из которых пар начинал вырываться, заставляя сферу вертеться с бешеной скоростью — современные инженеры, воссоздавшие эолипил, убедились, что «турбина» могла делать до 3600 оборотов в минуту! Однако эолипил так и остался забавной игрушкой — Герон, известный многими полезными изобретениями, например устройствами для открывания дверей, не придумал ему никакого практического применения. История эолипила прекрасно иллюстрирует, насколько судьба открытия зависит от развития общества — например, востребованности нового механизма экономикой. В судьбе ползуновской машины это обстоятельство сыграло не последнюю роль.

Чертово колесо

Иван Иванович Ползунов родился в 1729 году в солдатской семье в Екатеринбурге, который оказался старше своего гениального сына лишь на 6 лет. Екатеринбург возник как город-завод: сановник и знаменитый историк Василий Татищев создал здесь крупнейшее в стране железоделательное производство. Завод был передовым: по техническому оснащению ему не было равных в Европе. В течение нескольких лет рядом с ним возникли Монетный двор, который обеспечивал государство медной монетой, и Гранильная фабрика, изделия которой пополняли сокровищницы царского двора и богатейших дворян Санкт-Петербурга, украшали туалеты европейских богачей.

Царь Петр, конечно же, не мог знать, что указом об основании железоделательного завода он предопределил судьбу одного из самых талантливых изобретателей России. Завод нуждался в рабочих руках, и Ваня, овладев в арифметической школе азами математики, поступил туда «механическим» учеником к мастеру Никите Бахореву. Мальчик оказался вундеркиндом — он освоил горную науку настолько хорошо, что уже в 20 лет получил необычайно ответственное задание. Молодого специалиста послали на Колывано-Воскресенские заводы Алтая, где добывали золото и серебро для казны. Талантливому горному мастеру было поручено разведать залежи руды в окрестностях реки Чарыш, чтобы выбрать место для строительства новых заводов. Ползунов успешно составил карту рудников. Однако занимала его помыслы не горная разведка, а сама работа заводов.

Для большинства операций, которые выполнялись в те времена на заводах, в качестве источника энергии использовалась физическая сила рабочих или лошадей (современный человек, знающий, что мощность его автомобиля измеряется в лошадиных силах, обычно не задумывается, что употребляться этот термин стал именно на промышленных предприятиях, где ими измерялись затраты сил на конкретные операции). Ползунов искал природную силу, которая могла бы заменить мускулы. На ум приходили только ветер и вода. Ветер не годился потому, что давал слишком мало энергии, которую можно было бы с пользой применить в заводских работах. Бурные алтайские и уральские реки предлагали куда более заметную мощь — на многих из российских заводов источником энергии для работы воздуходувных мехов и молотов, кующих металл, служило именно водяное колесо. Ползунов некоторое время экспериментировал с водяными двигателями — так, в 1754 году молодой изобретатель построил «вододействующую лесопилку». Здесь он не был первопроходцем — первая такая лесопилка в России была построена еще в 1720 году создателем Вышневолоцкой водной системы Михаилом Сердюковым. Скорее всего, Ползунов построил ее по инженерным книгам, которые пачками выписывал из Петербурга.

У водяного колеса долгая и заслуженная история: впервые начали его использовать еще в Вавилоне, а в России оно не утрачивало популярности до самой революции — в 1917 году в России «трудились» 46 тысяч водяных колес, суммарная мощность которых составляла около 40% от всей мощности промышленных источников энергии (как ни крути, а есть, за что благодарить дедушку Ленина с его лозунгом об электрификации всей страны). Однако недостатки этого приспособления были очевидны еще в XVIII веке: строить заводы и фабрики можно было только вблизи крупных рек, что накладывало ограничения на масштабы производства, вдобавок создавая дополнительные расходы на транспортировку материалов — руды, дров и т.п.

Однако вода способна двигаться не только в русле реки — с помощью огня ее можно было заставить бежать по трубам с огромной силой. Помыслы Ползунова заняла «огненная машина», которая могла бы заменить водяное колесо. «Сложением огненной машины водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничтожить, а вместо плотин за движимое основание завода ее учредить так, чтобы она была в состоянии все наложенные на себя тягости, каковы к раздуванию огня обычно к заводам бывают потребны, носить и, по воле нашей, что будет потребно, исправлять» — так он определит свою задачу в «прожекте», который увенчает его имя славой.

Сооружение колосса

Здесь требуется уточнение — первым Ползунов изобрел двухцилиндровую паровую машину непрерывного действия. Дело в том, что просто паровые машины создавались с самого начала XVIII века, и изобретение Ползунова не возникло на пустом месте. Он, конечно же, не мог не знать о паровом насосе системы англичанина Томаса Севери, который Петр I в 1717 году закупил для снабжения водой фонтанов Летнего сада. Машина Севери была беспоршневой — при помощи нагнетания пара она двигала воду по трубам, создавая струи. А вот пароатмосферная машина другого англичанина (опять же Томаса, кстати) — Ньюкомена — уже была однопоршневой. Давление пара в ней было невысоким, и работать она могла только насосом, зато именно она определила дальнейший путь развития паровых машин. Кстати, одна из машин Ньюкомена работала в 1720-е годы на рудниках близ Кëнигсберга. Все эти паровые насосы, использовавшиеся в основном для откачки воды из шахт, описывались в книгах о рудном деле, которые были доступны в России — там приводились их чертежи, по которым можно было понять принцип их действия.

Именно эти разработки и послужили Ползунову базой для его собственных чертежей. В 1763 году он представил их в Колыванско-Воскресенскую канцелярию. Чиновники на себя ответственность брать не стали и переслали бумаги в столицу. Проект паровой машины рассматривался Кабинетом Ее Величества. Ползунову повезло — «прожект» попал в руки президенту Берг-коллегии, занимавшейся горной промышленностью, весьма образованному человеку Ивану Шлаттеру. Тот дал высочайшую оценку изобретению Ползунова: «сей его вымысел за новое изобретение почесть должно», доложив о нем императрице Екатерине Второй. Резолюция по «прожекту» была принята через год: императрица восхитилась найденным Ползуновым решением, распорядилась произвести его в «механикусы с чином и званием инженерного капитан-поручика», наградить 400 рублями, а главное — благословила на сооружение машины, приказав «людей давать столько, сколько у него работы случится».

К весне 1766 года Иван Ползунов с четырьмя учениками построил машину на Барнаульском заводе на Алтае. Она имела поистине циклопические размеры — была высотой с трехэтажный дом, а некоторые детали весили 2,5 тонны. Работала она так: вода нагревалась в котле, склепанном из металлических листов, и, превратившись в пар, поступала в два трехметровых цилиндра. Поршни цилиндров давили на коромысла, которые соединялмсь с мехами, раздувавшими пламя в рудоплавильных печах, а также с водяными насосами-распределителями. Наличие двух поршней позволяло сделать процесс работы непрерывным. Была предусмотрена автоматическая подача в котел подогретой воды.

Вот только сам Ползунов в действии свое детище так и не увидел — более года трудясь над чертежами, а затем над самой машиной, изобретатель подорвал свое здоровье и подхватил чахотку, лекарства от которой в те времена не было. Он скоропостижно скончался 6 (27) мая 1766 года в возрасте всего 38 лет.

Уатт не виноват

Машину запустили уже без Ползунова, в августе того же года. Она работала в течение 43 суток, днем и ночью, обеспечивая плавку металла в рудоплавильных печах. За это время она не только окупила затраты на свое строительство — 7200 рублей, но и дала сверх этого 12 тысяч рублей прибыли.

Однако преждевременная смерть изобретателя отразилась на судьбе его детища самым прискорбным образом — когда в ноябре того же года возникли течи из цилиндров и самого котла машины, ученики инженера безуспешно пытались устранить проблему, оборачивая поршни берестой. Будь Ползунов жив, он, конечно же, понял бы, что первый блин вышел комом и нужно не ремонтировать старую, а строить новую машину, конструкция которой могла бы выдерживать длительный нагрев. Ученики его авторитетом не обладали, и убедить заводское начальство построить новый паровой двигатель им не удалось. Остановившийся гигант простоял на заводе 14 лет, а потом его разобрали и увезли. Место, где он стоял, фабричный люд прозвал «ползуновским пепелищем».

Споры о том, кого же считать первооткрывателем двухцилиндровой паровой машины — Ползунова или Уатта — ведутся в нашей стране уже несколько десятилетий. «Уаттовцы» упирают на то, что детище Ползунова, так же как разработки, на которые он опирался, не была универсальной паровой машиной: во-первых, особенности теплотехнического цикла не позволяли сделать ее более компактной, чтобы использовать для более тонких операций, во-вторых, Ползунов, в отличие от Уатта, не разработал передаточного механизма, который превращал бы возвратно-поступательное движение во вращательное. Что и говорить, четвертая из моделей Уатта, запатентованная им в 1782 году и отвечавшая всем этим требованиям, действительно была функциональнее. Однако эти усовершенствования не были чем-то сложным — если бы Ползунов не умер так рано, он едва ли остановился бы на изначально придуманной им модели.

Проблема, конечно, была не только в этом — в отличие от Великобритании, в России в те времена культура изобретательства была развита слабо. Разработки Ползунова продолжить было некому. Не следует забывать и о том, что научные открытия делают исследователи, но востребованными они становятся благодаря экономическому развитию. В Англии бурно развивался промышленный капитализм, и конкурирующие между собой заводы быстро приняли на вооружение паровую машину, увидев ее перспективы. В России капитализм развивался медленно и притом экстенсивно — природные богатства и огромная неосвоенная территория позволяли не слишком задумываться об эффективности труда. Вот почему даже паровой двигатель Уатта, который не стоило большого труда скопировать и сделать в России, стал получать признание в нашей стране лишь в середине следующего, XIX века. А Ползунов так и остался талантом-одиночкой, чье изобретение оказалось нужно не более, чем эолипил Герона Александрийского.