Top

Пар всемогущий

Качать воду и молоть зерно, двигать вагоны и крутить турбины, ковать, прессовать, молотить — все это по силам водяному пару. Пар исправно служит человеку вот уже без малого четыреста лет. Самые разнообразные паровые машины создавали в разное время и великие физики, и безвестные инженеры. И хотя универсальный паровой двигатель изобрёл наш соотечественник Иван Ползунов, автором этого изобретения считается шотландский инженер Джеймс Уатт.

Из цикла: «Жизнь замечательных идей»
Если взять обычный чайник, налить в него воду, поставить на огонь, дождаться, пока вода закипит, и крышка чайника начнет подпрыгивать, то мы, конечно же, не получим даже самую примитивную модель парового двигателя, зато воочию убедимся, насколько силен пар.
Говорят, что именно кипящий чайник натолкнул в свое время шотландского изобретателя Джеймса Уатта на мысль использовать пар для создания универсального двигателя.
Это, конечно же, легенда. Впрочем, подобные легенды сопутствуют любому великому открытию или изобретению. Вспомним то же яблоко Ньютона, ванну Архимеда или пророческие сны Дмитрия Менделеева.
На самом деле, первые паровые машины были изобретены задолго до Уатта. По меньшей мере, лет за двести, а то и за две тысячи.

Из жизни изобретателя
Одному английскому промышленнику как-то показалось, что купленная им паровая машина Уатта шумит меньше, чем машина, которую приобрел его конкурент. Промышленник страшно разволновался, решив, что его машина менее мощная. По этому поводу Уатт заметил: «Невеждам шум внушает идею силы, а скромность в машине им так же мало понятна, как и в людях…»

История паровых машин
Создатель первой паровой машины – точнее, ее прообраза – был величайшим инженером в истории человечества. Он жил в Александрии во втором или первом веках до нашей эры – точно не известно. Звали его Герон Александрийский. За свою жизнь он изобрел и сконструировал много удивительных вещей. Например, автомат для продажи воды (не газированной, конечно же, святой). А еще таксометр. Скорострельный заряжающийся арбалет. Автоматический театр кукол и автоматические двери. Одно из самых известных изобретений Герона Александрийского называлось эолипил – «шар бога ветров Эола».
Это устройство представляло собой наглухо запаянный котел с двумя трубками на крышке. Сверху на трубки устанавливался полый шар с соплами. Когда вода в котле закипала, пар поднимался вверх, вырывался из сопел и вращал шар.
По сути, эолипил Герона являлся прототипом паровых турбин. И даже, можно сказать, прообразом первых реактивных двигателей. Однако не был востребован в этом качестве. Современники Герона считали «шар бога ветров Эола» забавной игрушкой и только. Правда, на всех, кто его видел, эолипил производил огромное впечатление!

В 1690 году французский физик Дени Папен придумал устройство, которое могло поднимать груз, используя силу пара, но не сумел создать работоспособную конструкцию. Однако именно Папен первым описал все процессы замкнутого термодинамического цикла: парообразование, расширение пара, конденсацию. Он же изобрел паровой котел, проложив тем самым путь к первому паровому двигателю. И спустя всего лишь восемь лет такой двигатель был создан.
Его придумал и сконструировал английский военный инженер, капитан саперных войск Томас Севери. Это был первый в истории промышленный образец паровой машины, который можно было использовать на производстве.
«Пожарная установка» Севери являлась поршневым паровым насосом – водоподъемником.

Справка: Водоподъемник Севери состоял из котла, камеры насоса и двух труб. Одна труба опускалась в шахту, вторая вела в емкость-накопитель. Между котлом и камерой, а также между камерой и трубами были специальные клапаны с кранами. Когда котел нагревался, пар попадал в камеру насоса. Тогда кран между котлом и камерой перекрывали и поливали камеру холодной водой. Пар конденсировался, давление снижалось. После чего открывали кран на той трубе, которая была опущена в шахту. В камеру с разреженным давлением засасывалась вода. Кран закрывали, вновь нагревали котел, и через клапан в камеру поступал пар. Пар вытеснял воду из камеры по трубе в емкость-накопитель. Потом все повторялось: кран закрывали, камеру охлаждали… И так далее.

В 1698 году Томас Севери опубликовал описание своей машины и взял на нее патент. Насос Севери был маломощным и не очень эффективным, но за неимением лучшего начал широко использоваться для откачки воды из шахт. Сам Севери называл свое изобретение «другом рудокопов».
Одного из таких «друзей рудокопов» в 1707 году приобрел Петр I. Машина была установлена в Летнем саду для приведения в действие фонтанов.
В 1705 году соотечественник и тезка Севери – Томас Ньюкомен – занялся созданием более практичной пароатмосферной машины. Ньюкомен был кузнецом по профессии и изобретателем по призванию. Вместе с ним над этой машиной работал стеклодел Джон Коули. Они объединили идеи Папена и Севери, добавили предохранительный клапан в котел и поршень в камеру насоса. Чуть позже они еще заменили ручное открывание-закрывание клапанов автоматическим.
Первая действующая модель машины Ньюкомена-Коули была создана в 1712 году. Но получить на нее патент изобретатели не смогли, поскольку действие патента Томаса Севери еще не закончилось. Ньюкомену пришлось взять Севери в компанию — дело того стоило. С развитием угледобывающей промышленности и разработкой более глубоких пластов спрос на водоподъемные насосы был огромным.
Машины Ньюкомена быстро вытеснили с шахт и рудников Англии «друга рудокопов». А к двадцатым годам восемнадцатого века завоевали почти всю Европу. Их, кстати, применяли не только для откачки воды, но еще и для систем водоснабжения и в гидротехнических сооружениях. Например, одна из машин Ньюкомена, построенная в 1720 году, снабжала Лондон водой из Темзы.
С пароатмосферных машин Томаса Ньюкомена, точнее – с недействующей модели одной из них — и начинается история изобретателя парового двигателя Джеймса Уатта.

Из истории паровых машин
Точно известно, что понятие «лошадиная сила» для оценки мощности паровой машины ввел Уатт. Но, оказывается, задолго до Уатта тот же термин использовал капитан Томас Севери. Вот только лошадей они считали по-разному. Севери знал, что его насос откачивает за сутки столько же воды, сколько десять лошадей, меняющихся по мере усталости. И поэтому мощность своей машины оценивал в 10 лошадиных сил. А Уатт в качестве образца для сравнения брал «шайров» — английских тяжеловозов — и заставлял их работать без перерыва. В итоге мощность паровой машины Уатта не превышала двух лошадиных сил, хотя на самом деле она была в пять раз мощнее машины Севери.
С 1882 года единица мощности называется «ватт», в честь Джеймса Уатта.

Шотландия, 1763 год
В 1763 году один из профессоров университета в шотландском городе Глазго поручил Джеймсу Уатту – механику университетской мастерской — отремонтировать модель паровой машины Ньюкомена. Уатт приступил к ремонту этой машины без особого вдохновения. Отремонтировать можно то, что сломалось, а этот злосчастный экспонат никогда не работал. Но – задание получено, делать нечего, надо чинить. И Джеймс Уатт начал работать.
Возился он с этой моделью долго, несколько недель. Пока однажды вдруг не сообразил, что дело не в самой модели, а в принципах ее устройства. И это была совсем другая задача, более интересная для Уатта.
С этого момента вместо ремонта университетского экспоната Джеймс Уатт занялся созданием собственной паровой машины.

Джеймс Уатт не был инженером-конструктором. У него вообще не было никакого образования, даже среднего. Он родился в крохотном шотландском городке Гринок. В начальную школу ходил от случая к случаю, потому что был хилым ребенком и страдал постоянной головной болью. Но при этом он был очень начитанным, наблюдательным и умным ребенком. Превосходно знал математику. Еще умел пользоваться любыми инструментами и даже освоил литейное дело. Все это благодаря домашнему образованию.
Дед Джеймса Уатта преподавал математику и мореходное искусство. Отец был судовладельцем, но сам строил и корабли, и подъемные краны, сам изготавливал инструменты. А дядя Джеймса – был профессором, он преподавал древние языки в университете Глазго.
Именно дядя Джеймса в 1757 году помог племяннику открыть при университете мастерскую по ремонту и изготовлению математических и физических приборов. Вот так в двадцать один год Джеймс Уатт и стал механиком.
Над моделью своего универсального парового двигателя Джеймс Уатт работал в общей сложности десять лет. Он, конечно же, не изобретал пароатмосферную машину с нуля, а занимался усовершенствованием машины Ньюкомена.
Первое, что сделал Уатт – вынес процесс конденсации пара за пределы рабочего цилиндра.
Затем Уатт решил использовать не атмосферное давление, а давление пара. А поскольку давление пара может быть выше атмосферного, машина стала более мощной.
Все эксперименты Уатта по созданию паровой машины финансировал доктор медицины, владелец знаменитых Карронских заводов Джон Ребек.
В 1769 году Уатту удалось создать модель паровой насосной установки с отдельным конденсатором, но она не работала. Уатту не удалось достичь достаточной точности обработки и плотности соединений. Соответственно, не удалось создать и необходимой герметичности камеры. Нужно было вкладывать дополнительный средства, но как раз в этот самый момент Джон Ребек обанкротился.
Уатт начал лихорадочно искать другие источники финансирования и чуть было не уехал… в Россию. По приглашению русского правительства. За «занятия, сообразные с его вкусом и познаниями», английскому инженеру было обещано ежегодное жалованье в одну тысячу фунтов стерлингов.
Это было удивительное предложение. Удивительное тем, что действующая, работоспособная и – более того – уже даже испытанная на производстве пароатмосферная машина непрерывного действия на тот момент уже шесть лет как была создана в самой России. Русским инженером Иваном Ползуновым.

Из жизни изобретателя
Однажды некий английский пивовар решил заменить конный привод насоса на своей пивоварне паровой машиной Уатта. «Сколько лошадей заменит ваша машина?» — спросил он у изобретателя. «Примерно три-четыре», — ответил Уатт. «Когда я продаю пиво, то не говорю, что в бочке примерно 20 галлонов. У меня все точно вымерено. Вот и здесь мне нужно точно знать: сколько лошадей я перестану кормить?» Тогда Уатт взял сильную рабочую лошадь и заставил ее восемь часов качать воду. Затем повторил эксперимент с другой лошадью… Через неделю он выдал пивовару точный ответ: «Одна моя машина заменяет двух сильных лошадей, трех обычных, четырех ленивых и пять кляч».

Россия, 1763 год
В апреле 1763 года — того самого года, когда Джеймс Уатт получил задание отремонтировать недействующую модель машины Ньюкомена, горный инженер Иван Иванович Ползунов подал начальнику Колывано-Воскресенских заводов предложение о постройке изобретенной им огнедействующей машины для заводских нужд.
Это был настоящий прорыв! Ведь во второй половине восемнадцатого века промышленность России располагала только двумя видами заводских машин — воздуходувными мехами для металлургических печей и молотами для ковки металлов. Самым совершенным двигателем для них было водяное колесо. Именно поэтому металлургические заводы строили не рядом с рудниками, а рядом с водоемами. Что, конечно же, было крайне неудобно. В тех случаях, когда доставка руды, леса и горючего к водоему была невозможна, рыли рядом с заводом пруд. Это было еще невыгодней. Производство часто останавливалось: то воды в пруду не хватало, то во время паводков уровень ее поднимался выше допустимого, а иногда стремительно половодье целиком разрушало плотину.
Огнедействующая машина была придумана Иваном Ивановичем Ползуновым для того, чтобы освободить металлургические заводы от рабской водяной зависимости и, как говорил сам изобретатель, «облегчить труд по нас грядущим».

«Водяное руководство пресечь. Я должен все возможные труды и силы на то устремить, коим бы образом огонь слугою к машинам склонить». Из записей Ивана Ползунова

По принципу действия машина Ползунова была пароатмосферным двигателем. Причем, двигателем универсальным. Его можно было использовать в любом производстве. И сооружать в любом месте.
Джеймс Уатт создаст подобную машину – не промышленный образец, а только модель — через шесть лет, в 1769-ом.
Мощность установки Ползунова составляла примерно 32 лошадиных силы. Мощность первого двигателя Уатта по его собственным подсчетам оценивалась в 3-4 лошадиных силы.
Паровой двигатель Уатта был его первым изобретением. А вот Иван Иванович Ползунов уже имел на своем конструкторском счету и «вододействующую лесопилку», и множество других остроумных приспособлений и новшеств, придуманных для нужд завода.
Кстати, Ползунов, как и Джеймс Уатт, не имел никакого образования.
Он родился на Урале, в Екатеринбурге, рос в очень бедной семье — его отец был солдатом. О каком-нибудь образовании, кроме самой обычной начальной школы, и мечтать было нечего. Но маленькому Ване Ползунову повезло, заводской механик Никита Бахарев взял его в «механические ученики». Учеником Ваня Ползунов оказался расторопным и сметливым. Самостоятельно изучил книги по металлургии и минералогии, прочел все труды Ломоносова, а также работы известного российского химика, президента Берг-коллегии Ивана Андреевича Шлаттера.
Как раз к Шлаттеру и попадет в 1763 году на отзыв проект Ползунова об огнедышащей машине. Шлаттер нашел проект оригинальным и доложил об этом Екатерине Второй. Ползунов тут же был произведен в «механикуса с чином и званием инженерного капитан-поручика», и представлен к награде «в четыреста рублев». А также ему было предложено поступить на учебу в Академию.
Но в тот момент Ползунов мечтал вовсе не об учебе. Ему не терпелось приступить к строительству своей огнедышащей машины.

Справка: В машине Ползунова было два цилиндра. Пар из котла подавался в один из двух цилиндров и поднимал поршень. Затем в цилиндр впрыскивалась холодная вода, что приводило к конденсации пара. Под давлением атмосферы на поршень он опускался. В это время в другой цилиндр поступал пар, и поршень там поднимался. Поршни поочередно действовали на общий вал, что создавало непрерывность работы.

Ползунов планировал сначала построить небольшой опытный образец. Однако его заставили сразу же приступить к постройке крупной установки, которая обслуживала бы 10-12 печей. При этом не обеспечили ни квалифицированными рабочими, ни грамотными помощниками, ни даже необходимыми инструментами. Тем не менее, работа была выполнена в фантастически короткие сроки – всего лишь за 13 месяцев. Но какой ценой…
Иван Иванович Ползунов подорвал на этой работе здоровье, заболел скоротечной чахоткой и умер, не дожив до пробного пуска своей огнедышащей машины всего лишь неделю.
Первый в истории универсальный пароатмосферный двигатель был пущен в эксплуатацию 7 августа 1766 года. Он проработал с небольшими перерывами до ноября, успев за это время не только окупить все расходы на его постройку, но и принести ощутимую прибыль – почти 12 тысяч рублей.
А потом у огнедышащей машины прогорел котел. Можно было починить этот или соорудить новый, но заводское начальство решило, исходя из каких-то своих соображений, агрегат «больше в работу не пущать».
Машину остановили, разобрали на части и забыли про нее и про гениального русского изобретателя Ивана Ивановича Ползунова на долгие годы.
Спустя три года после смерти Ползунова русское правительство обратится Джеймсу Уатту с очень заманчивым предложением. На тот момент у Джеймса Уатта еще не будет работоспособного парового двигателя, но зато будет оформлен патент на него.

Из истории паровых машин
Говорят, что Джеймс Уатт проверял зазоры между поршнем и цилиндром шестипенсовой монетой. Если монета протискивалась с трудом, значит, поршень подогнан идеально. Впрочем, ту же самую байку рассказывали и про Ивана Ивановича Ползунова. Только наш русский инженер, конечно же, проверял зазоры не шестипенсовиком, а екатерининским пятаком. Который, кстати, был толще на 3 миллиметра.

Англия, 1769 год
Свой первый патент Джеймс Уатт получил пятого января 1769 года. Но это был патент не на паровой двигатель, а на… принципы его работы! Патентная формула, говоря современным языком, состояла из шести пунктов. Уатт запатентовал теплоизоляционную оболочку цилиндра, уплотнения и отдельный сосуд-конденсатор. Он также получал авторские права на то, что воздух должен удаляться из конденсатора насосом и на применение упругой силы давления пара!

«Во многих случаях я рассчитываю применить упругую силу (давление) пара на поршень или другие части, заменяющие его…»
Джеймс Уатт, патент номер 913 от 5 января 1769 года

Это была самая главная фраза. Теперь на весь срок действия патента Уатт получал монопольное право на строительство любых установок, использующих для своей работы силу пара.
Первоначально Уатт получил патент на 14 лет, затем продлил его еще на двадцать пять лет. А первую работоспособную машину он построил только в 1775 году, через 9 лет после Ползунова.
Следующие двадцать пять лет жизни Джеймс Уатт занимался незначительными усовершенствованиями своего парового двигателя и получением разнообразных патентов на эти усовершенствования.
Самым знаменитым считается патент №1432. Уатт получил его в 1782 году, закрепив за собой права на подачу пара с двух сторон цилиндра и на использование пара высокого давления. Этот патент по сути своей не столько охранял авторские права Уатта, сколько блокировал работу конкурентов. Сам Уатт никогда не изобретал и не собирался в будущем строить машину высокого давления. Зато такую машину спроектировал еще в 1781 году английский инженер Джонатан Горнблоуэр. И если бы не патент Уатта №1432, Горнблоуэр запросто завоевал бы рынок. Его машины были более мощными и более экономичными.
Кстати, в том же 1784 году Уатт запатентовал и локомотив. К самой идее локомотива он относился очень скептически, но на всякий случай авторские права за собой застолбил.

Из жизни изобретателя
Великий шотландский изобретатель Джеймс Уатт в семейной жизни был… подкаблучником. Хозяином он себя чувствовал только в своей мастерской, а по дому ходил чуть ли не на цыпочках. Его жена, например, могла приказать слуге погасить свечи в гостиной, не смотря на то, что там сидел ее муж со своими друзьями. Говорят, она даже собаку Уатта выучила вытирать лапы после прогулки.

Англия, 1800 год
В 1800 году выдающийся шотландский инженер, как пишут о нем во всех энциклопедиях, механик-изобретатель, член Эдинбургского и Лондонского королевских обществ, член Парижской Академии наук и первый в истории техники человек, чье имя было присвоено единице измерения, Джеймс Уатт отошел от дел. Больше никаких двигателей и никаких патентов. Путешествия, обширная переписка, советы молодым изобретателям, книги, изучение языков и частые поездки в родные места. Этим и была наполнена его одинокая старость: Уатт пережил двух жен и пятерых своих детей. При нем остался только его старший сын, который вместе с сыном Болтона унаследовал завод в Сохо. Кстати, к старости Уатт распрощался не только с изобретательством, но и со своими головными болями, мучавшими его с самого детства.

Из истории паровых машин
Первые паровые машины были очень простыми, но при этом очень надежными. Например, паровая машина «Старушка Бесс», которую Уатт построил для своего завода в Сохо, проработала без перерыва 71 год. Настоящим долгожителем можно считать паровую машину Уатта, которая работала на Бирмингамском канале 121 год – с 1777 по 1898. Однако рекорд работоспособности — 141 год — принадлежит паровой машине Ньюкомена. Начав трудовую деятельность в 1787 году, она вышла на пенсию в 1928-м, но до сих пор время от времени подрабатывает на киносъемках.

В 1808 году истек срок действия первого патента Уатта и паровые машины начали строить на разных заводах и в разных странах. В том числе и в России. Об огнедействующей машине Ползунова к тому времени все уже давно забыли. В 1810 году первая паровая машина отечественного производства начала работать на Златоустовском заводе на Урале. Через пять лет паровой двигатель заработал на Верх-Исетском заводе. А потом по Волге и Каме поплыли первые пароходы, в Нижнем Тагиле свои первые три версты одолел паровоз отца и сына Черепановых…

Когда закончилось действие знаменитого патента №1432 инженеры и изобретатели разных стран, наконец, получили возможность усовершенствовать паровые двигатели, создавать машины высокого давления. Например, уже в 1830 году был создан паровой двигатель, мощностью в одну тысячу(!) лошадиных сил.

В течение всего 19 века паровые машины господствовали в промышленности и в транспорте, хотя их коэффициент полезного действия не превышал 10%. А потом постепенно мир перешел на другие приводные двигатели – более совершенные, более мощные, работающие на других видах энергии. Но предком всех современных двигателей, без сомнения, является паровая машина…

Нет, не Джеймса Уатта. Хотя именно с него – шотландского инженера-самоучки — и началась промышленная революция.
А ведь промышленная революция могла бы начаться и с Ползунова. В России, не в Англии. И раньше на добрых двадцать лет. Но, как известно, нет пророка в своем отечестве.

Ссылка на фильм: https://youtu.be/TU8Itskp7nQ

Режиссер Татьяна Малова, «Цивилизация», 2010 год