ВИНАХІД паровий двигун

Схема парової машини Джеймса Уатта (1775 г.)

Процес винаходи парового двигуна, як це часто буває в техніці, розтягнувся мало не на століття, тому вибір дати для цієї події досить умовний. Втім, ніким не заперечується, що прорив, який призвів до технологічної революції, був здійснений шотландцем Джеймсом Уаттом.

Над використанням пара як робоче тіло люди замислювалися ще в глибоку давнину. Однак лише на рубежі XVII-XVIII ст. вдалося знайти спосіб робити корисну роботу за допомогою пари. Одна з перших спроб поставити пару на службу людині була зроблена в Англії в 1698 р .: машина винахідника Сейвери призначалася для осушення шахт і перекачування води. Правда, винахід Сейвери ще не було двигуном у повному розумінні цього слова, оскільки, крім декількох клапанів, що відкривалися і закривалися вручну, в ньому не було рухомих частин. Машина Сейвери працювала наступним чином: спочатку герметичний резервуар наповнювався парою, потім зовнішня поверхня резервуара охолоджувалася холодною водою, через що пара конденсувався, і в резервуарі створювався частковий вакуум. Після цього вода - наприклад з дна шахти - засмоктувалася в резервуар через забірну трубу і після впуску чергової порції пара викидалася назовні.

Перша парова машина з поршнем була побудована французом Дені Папеном в 1698 г. Вода нагрівалася усередині вертикального циліндра з поршнем, і пара, що утворилася штовхав поршень вгору. Коли пар охолоджувався і конденсировался, поршень опускався вниз під дією атмосферного тиску. За допомогою системи блоків парова машина Папена могла приводити в дію різні механізми, наприклад насоси.

Більш досконалу машину в 1712 р побудував англійський коваль Томас Ньюкомен. Як і в машині Папена, поршень переміщався у вертикальному циліндрі. Пара з котла надходив у підставу циліндра і піднімав поршень вгору. При уприскуванні в циліндр холодної води пар конденсировался, в циліндрі утворювався вакуум, і під впливом атмосферного тиску поршень опускався вниз. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з'єднаної з коромислом, що рухалося на зразок гойдалок, піднімав вгору шток насоса. Коли поршень знаходився в нижній точці свого ходу, в циліндр знову надходив пар, і за допомогою противаги, закріпленого на штоку насоса або на коромислі, поршень піднімався у вихідне положення. Після цього цикл повторювався.

Машина Ньюкомена широко використовувалася в Європі більше 50 років. У 1740-х роках машина з циліндром довжиною 2,74 м і діаметром 76 см за один день виконувала роботу, яку бригада з 25 чоловік і 10 коней, працюючи позмінно, виконувала за тиждень. І все-таки її ККД був надзвичайно низький.

Найбільш яскраво промислова революція виявилася в Англії, перш за все в текстильній промисловості. Невідповідність пропозиції тканин і стрімко зростаючого попиту привернуло кращі конструкторські уми до розробки прядильних і ткацьких машин. В історію англійської техніки назавжди увійшли імена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгрівса. Але створені ними прядильні і ткацькі верстати потребували якісно новому, універсальному двигуні, який би безперервно і рівномірно (саме цього не могло забезпечити водяне колесо) приводив верстати в односпрямоване обертальний рух. Ось тут-то у всій своїй красі постав талант знаменитого інженера, «чарівника з Грінока» Джеймса Ватта.

Уатт народився в шотландському містечку Грінок в родині кораблебудівника. Працюючи учнем в майстернях в Глазго, за перші два роки Джеймс придбав кваліфікацію гравіровщіка, майстри з виготовлення математичних, геодезичних, оптичних приладів, різних навігаційних інструментів. За порадою дядька-професора Джеймс вступив до місцевого університету на посаду механіка. Саме тут Уатт почав працювати над паровими машинами.

Джеймс Уатт намагався вдосконалити пароатмосферную машину Ньюкомена, яка, в общем-то, годилася лише для перекачування води. Йому було ясно, що основний недолік машини Ньюкомена складався в поперемінному нагріванні і охолодженні циліндра. У 1765 р Уатт прийшов до думки, що циліндр може постійно залишатися гарячим, якщо до конденсації відводити пар в окремий резервуар через трубопровід з клапаном. Крім того, Уатт зробив ще кілька удосконалень, що остаточно перетворили паро-атмосферну машину в парову. Наприклад, він винайшов шарнірний механізм - «паралелограм Уатта» (називається так тому, що частина ланок - важелів, що входять до його складу, утворює паралелограм), який перетворював зворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух головного вала. Тепер ткацькі верстати могли працювати безперервно.

У 1776 р машина Уатта пройшла випробування. Її ККД виявився вдвічі більше, ніж у машини Ньюкомена. У 1782 р Уатт створив першу універсальну парову машину подвійної дії. Пара надходила в циліндр поперемінно то з одного боку поршня, то з іншого. Тому поршень робив і робітник, і зворотний хід за допомогою пари, чого не було в колишніх машинах. Оскільки в паровій машині подвійної дії шток поршня робив що тягне і штовхає дію, колишню приводную систему з ланцюгів і коромисла, яка реагувала тільки на тягу, довелося переробити. Уатт розробив систему зв'язаних тяг і застосував планетарний механізм [102] для перетворення зворотно-поступального руху штока поршня в обертальний рух, використовував важкий маховик, відцентровий регулятор швидкості, дисковий клапан і манометр для вимірювання тиску пари. Запатентована Уаттом «ротативна парова машина» спочатку широко застосовувалася на прядильних і ткацьких фабриках, а пізніше і на інших промислових підприємствах. Двигун Уатта годився для будь-якої машини, і цим не забарилися скористатися винахідники саморушних механізмів.

Парова машина Уатта воістину стала винаходом століття, що поклав початок промислової революції. Але винахідник на цьому не обмежився. Сусіди не раз з подивом спостерігали за тим, як Уатт ганяє по лузі коней, що тягнуть спеціально підібрані тяжкості. Так з'явилася одиниця потужності - кінська сила, яка отримала згодом загальне визнання.

На жаль, фінансові труднощі змусили Уатта вже в зрілому віці проводити геодезичні дослідження, працювати на будівництві каналів, споруджувати порти і пристані, піти, нарешті, на економічно кабальний союз з підприємцем Джоном Ребека, потерпілим незабаром повний фінансовий крах.