ПАР
Александр Идин

Следующим изобретателем паровых машин стал "простой" кузнец Т. Ньюкомен. Он изучил конструкции своих предшественников, взял от машины Папена цилиндр и поршень, от Севери паровой котел и идею о конденсации пара водой. Конструкция и принцип действия этой машины показаны на рисунке.

После подачи пара из котла 1 через открытый клапан 2 в цилиндр 3, поршень 4 под давлением пара поднимается в верхнее положение. Одновременно через тяги и коромысло 5 поршень 9 с клапаном 11 опускается внутри трубы 10. Вода через открытый клапан 11 перетекает в пространство над поршнем 9. Теперь клапан 2 закрывается, и открывается клапан 6, через который внутрь цилиндра 3 подается холодная вода. Пар конденсируется, поршень 4 под действием атмосферного давления опускается, а поршень 9 поднимается вместе с водой. Клапан 6 закрывается. Конденсат - вода, получившаяся из пара, и вода, поданная для ускорения конденсации пара, - удаляются из цилиндра по трубе 7 через клапан 8. После удаления воды клапан 8 закрывается, клапан 2 открывается и цикл повторяется.

Следует отметить, что первоначально вода для сгущения пара подавалась не внутрь цилиндра, а только на его внешнюю сторону. Одновременно для предотвращения выхода пара из цилиндра и попадания воздуха внутрь из-за неплотного прилегания поршня к его стенкам она еще наливалась тонким слоем на поршень. И тогда было замечено, что вода, проникшая внутрь цилиндра, способствовала более быстрой конденсации пара.

Клапаны пароатмосферной машины Ньюкомена открывались и закрывались вручную до тех пор, пока не придумали специальный механизм. Благодаря тому, что площадь поршня 4 в паровой машине значительно больше площади поршня 9, воду можно было поднимать на значительную высоту. Так, построенная в 1712 г. машина поднимала воду на 80 м. Но общий недостаток пароатмосферных машин - низкий к.п.д. (Ньюкоменену удалось довести его только до 1 %) имел все ту же природу: громадную потерю тепла. Ведь первые порции пара, поступая в холодный цилиндр, сразу начинали конденсироваться, расходуя тепло на его прогрев.

Кстати, в России первая большая машина Ньюкомена появилась в 1777 г. Она была выписана из-за границы по указанию Екатерины II для выкачивания воды из канала Петра Великого, примыкавшего к сухим докам в Кронштадте. Построена она была в Шотландии на Карронском заводе по чертежам Смитона, который несколько усовершенствовал машину Ньюкомена. В этой машине было три котла, пар собирался в среднем, который находился непосредственно под цилиндром. Диаметр цилиндра составлял 5,5 футов (немногим более полутора метров), а длина коромысла почти 28 футов. Машина совершала 10 циклов в минуту, и за один цикл два ее насоса перекачивали по 57 куб. футов воды.

И машина Севери, и машина Ньюкомена использовались только для подъема воды, как правило, из угольных шахт. Кстати, последняя из машин Ньюкомена была демонтирована в 1934 г. Первым транспортным средством, на котором были установлены эти машины, стали речные суда, благо воды вокруг было в избытке. Ее поднимали пароатмосферным насосом на высоту, достаточную для того, чтобы она падала на водяное колесо сверху (подобно тому, как это происходит на водяной мельнице) и приводила его во вращение. Нижняя часть колеса находилась в реке, его лопасти отбрасывали воду, в результате судно двигалось. Для обеспечения движения задним ходом воду из насоса подавали на другую сторону водяного колеса, заставляя его вращаться в обратную сторону. Однако из-за недостаточной эффективности подобных паровых машин суда с такими двигателями в то время развития не получили.

Первым, кто сделал пароатмосферную машину не для поднятия воды, а для обеспечения работы механизма, был русский горный мастер И.И. Ползунов. Его машина приводила в действие воздуходувку медеплавильной печи. Отличительной особенностью машины Ползунова было применение новых технических решений: двух поочередно работающих на один вал цилиндров; автоматического устройства для распределения подачи пара и охлаждающей жидкости в цилиндры; питательного насоса для подкачки воды в паровой котел по мере ее расходования. Идея применения двух цилиндров, работающих на один вал со сдвигом на половину цикла, была использована впоследствии при создании многоцилиндровых машин. Ползунов успел построить свою машину, но не дожил до ее пуска. Вместо него это сделали в 1766 г. его помощники. Почти непрерывно машина проработала в течение 43 дней, но была остановлена - никто не смог без ее создателя устранить возникшие неисправности.

Почти в то же время, когда И.И. Ползунов заканчивал постройку своей машины, англичанин Д. Уатт приступил к изучению причин низкого к.п.д. пароатмосферных машин. Он изучил свойства водяного пара, определил, насколько позволяли имевшиеся в его распоряжении средства, зависимость между давлением, температурой и объемом пара, а также опытным путем нашел теплоту парообразования, т. е. количество теплоты, необходимое для превращения единицы веса жидкости в пар той же температуры. Эти исследования привели Уатта к пониманию того, что подача пара в каждом цикле в холодный цилиндр приводит к конденсации части пара и потере теплоты на нагрев самого цилиндра и поршня. И тогда, для сохранения высокой температуры цилиндра и поршня он предложил разделить паровую машину на две части - горячую и холодную.

Причем, для большей эффективности цилиндр должен был не только не охлаждаться, но и постоянно прогреваться паром с внешней стороны, а всю горячую часть машины следовало окружить тепловой изоляцией. Холодная же часть, так называемый конденсатор, размещалась отдельно и соединялась с цилиндром через клапан. Это изобретение было запатентовано Уаттом в 1769 г., но в силу разных причин построить работоспособную машину он смог только в 1774 г.

Схема и принцип действия первой паровой машины Уатта приведены на рисунке. В исходном состоянии поршень 3 находится в верхнем положении благодаря наличию небольшого дисбаланса между левым и правым плечами коромысла 4. Как только в паровом котле 1 получен пар необходимой температуры и давления, он поступает в цилиндр 2 и в окружающее его пространство. Через открытые клапаны (уравновешивающий 5 и паровыпускной 6) пар вытесняет воздух в конденсатор 7. Далее оба эти клапана закрываются, давление пара в цилиндре достигает максимального значения. Затем, с открытием паровыпускного клапана, пар из пространства под поршнем поступает в конденсатор, где частично преобразуется в воду, а частично выбрасывается в атмосферу. Давление под поршнем падает, он под действием высокого давления над поршнем опускается вниз, а груз 8, подвешенный к другому концу балансира, поднимается. Принципиальным отличием от всех предыдущих паровых машин было именно то, что рабочее движение поршень совершал не под действием давления атмосферного воздуха, превышающего разряжение (полученное при конденсации пара) с другой стороны поршня, а от избыточного давления пара на поршень. Точно так же, от давления пара, поршень двигался в машинах Папена и Ньюкомена, но при этом полезная работа не совершалась, а поршень только перемещался из одного крайнего положения в другое. Переход к использованию высокого давления пара при рабочем ходе поршня позволил регулировать мощность двигателя путем изменения этого давления.

Не останавливаясь на достигнутом, Уатт приступил к дальнейшему развитию своей машины. Опираясь на знания, полученные им при изучении парообразования и необходимой для этого теплоты, Уатт предложил сразу два усовершенствования, как мы сейчас говорим - провел модернизацию.

Первое из новшеств заключалось в том, что впуск пара в цилиндры должен осуществляться только на начальной части движения поршня в цилиндре. Дальнейшее движение поршня осуществлялось благодаря давлению пара, запущенного в цилиндр. Давление пара по мере движения поршня уменьшалось, но было достаточным для его перемещения. Второе усовершенствование заключалось в том, что пар подавался в цилиндр не с одной стороны, а поочередно с двух. Такая машина стала называться машиной двойного действия, на которую Уатт взял патент в 1782 г.

Машину двойного действия с расширением пара Уатт дополнил и другими усовершенствованиями:

- коромысло соединялось с поршнем с помощью параллелограмма (его пришлось изобрести из-за невозможности применения уже запатентованного кривошипно-шатунного механизма);

- применен центробежный регулятор для обеспечения постоянства оборотов выходного вала машины вне зависимости от нагрузки на валу. Для этого муфта регулятора соединялась с рычагом поворотной заслонки на трубе, подводящей пар от котла к машине;

- на вал установлен маховик, способствующий преодолению мертвых точек (крайних положений поршня) и обеспечивающий равномерное вращение вала.

Введением вращающегося вала Уатт сделал паровую машину универсальным двигателем, пригодным для всякого рода работ. Распространению машин Уатта способствовало то, что они поставлялись бесплатно, а их пользователь только перечислял изготовителю треть сэкономленных средств в сравнении с затратами на закупку топлива для работы машины Ньюкомена.
В России паровые машины Уатта впервые стали изготовляться на Александровском заводе. Одна из машин мощностью 60 л.с. в 1820 г. была поставлена на Санкт-Петербургский монетный двор.

Элементы паросиловой установки - котел, собственно паровой двигатель, передаточный механизм - подвергались непрерывным усовершенствованиям. Конструкторы стремились к увеличению мощности и экономичности паросиловых установок путем увеличения паропроизводительности котлов, повышения начального давления пара, введения двигателей с многократным расширением пара (компаунд-машин), применения перегрева пара, увеличения скорости хода поршня и т. д. Они отказались также от балансира, этой характерной детали передаточного механизма в первых уаттовских машинах, золотниковое парораспределение заменялось клапанным и т.д.

(Продолжение следует)