Второй этап промышленного переворота - внедрение универсального двигателя

Под универсальным двигателем промышленности и транспорта Маркс понимает "... двигатель, универсальный по своему техническому применению и сравнительно мало зависящий в своем местопребывании от тех или иных локальных условий"^*.

^* (К. Маркс, Капитал, т. I, Госполитиздат, 1955, стр. 383.)

С освоением процесса преобразования теплоты в механическую работу в камере машины Севери или цилиндре машины Ньюкомена - Коули тепловой двигатель получал все свойства двигателя, "мало зависящего в своем местопребывании от тех или иных локальных условий", в силу высокой энергоемкости горючего. Однако даже конструктивно отделившийся от насоса двигатель Ньюкомена - Коули не мог претендовать на "универсальность по техническому применению", поскольку мог отдавать работу только прерывно. Универсальность по техническому применению достигалась присоединением к паровому насосу водяного колеса, как упоминалось выше, и подобный метод получения универсальной силовой установки существовал свыше ста лет от патента Севери 1698 г. до машины, построенной в Америке Нонкарроу в 1804 г.

После распространения насосных установок Ньюкомена - Коули задача об универсальном двигателе сводилась к приданию этому двигателю непрерывности отдачи работы. При принципиально прерывной отдаче работы в полости цилиндра теплового двигателя задача могла быть решена тремя способами.

Мог быть применен способ аккумулирования, по которому половина работы рабочего хода отдается какому-либо промежуточному энергоносителю с тем, чтобы быть отданной потребителю во время холостого хода поршня. В качестве промежуточного энергоносителя может быть избран груз, сжатый воздух, атмосферное давление, пружина, и в этом случае механическая энергия будет аккумулироваться в потенциальной ее форме. Можно взять в качестве промежуточного энергоносителя движущуюся массу, и в этом случае энергия будет аккумулироваться в кинетической ее форме.

Рис. 4-6. Схема судовой установки, предложенной Хэллом (1736 г.): 1 - цилиндр паро-атмосферного двигателя; 2 - груз механического аккумулирования

Попытка применить впервые механическое потенциальное аккумулирование принадлежит англичанину Хэллу, который в 1736 г. предложил английскому Адмиралтейству проект буксирного судна с машиной Ньюкомена - Коули (рис. 4-6), где в качестве аккумулятора был предусмотрен тяжелый груз.

Кинетическое аккумулирование, осуществляемое посредством маховика, целесообразно только при высоком числе оборотов вала и поэтому получило свое раннее применение лишь в середине XX в. в первых двигателях внутреннего сгорания.

Могло быть применено комбинированное (и потенциальное, и кинетическое) механическое аккумулирование, примененное впоследствии, о чем будет ниже рассказано подробнее.

Мог быть применен метод суммирования, который сводится к суммированию в механизме двигателя работы двух и более полостей с целью получения непрерывной отдачи. Этот метод может иметь два вида: суммирование работы двух полостей одного цилиндра и суммирование работы нескольких цилиндров. Первый способ был впервые применен англичанином Джемсом Уаттом в 1782 г., а второй - Иваном Ивановичем Ползуновым в 1763 г.

Рассмотрим их в хронологической последовательности.

И. И. Ползунов работал в крепостной феодальной России, где условия для начала промышленного переворота еще не сложились. В своем стремлении сконструировать универсальный двигатель, "способный по воле нашей, что потребно исправлять", Ползунов исходил из кризиса гидроэнергетики, остро проявлявшегося в горнорудной промышленности России. Ползунов поставил задачу радикального изменения энергетики путем замены гидравлических установок паровыми машинами универсального характера.

Исследование деятельности И. И. Ползунова показывает с исключительной ясностью пути технического творчества в переходный период от старых чисто практических приемов и навыков к систематическому использованию данных науки. Связь науки и производства, теории и практики отчетливо видна в трудах Ползунова, посвященных становлению энергетики универсального теплового двигателя:

1. Практика поставила перед И. И. Ползуновым вопрос о несостоятельности гидравлических установок для энергетических потребностей горнорудных и металлургических предприятий.

2. Практика позволила Ползунову обобщить нужды отдельных рудников и заводов в новой энергетике в общую потребность перехода от гидроэнергетики к теплоэнергетике как основе промышленного развития всей страны в целом.

3. Теория указала Ползунову на теплоту как новый, "более мощный источник двигательной силы", источник "в слабой степени зависящий от локальных условий".

4. Практика придала общей задаче Ползунова конкретные требования, исходившие из условий производства: от заводских агрегатов, их технических характеристик, их потребности в энергии, их размещения на территории завода, от задач группового привода ряда заводских агрегатов от одного двигателя.

5. Практика определила конкретные технические условия, предъявляемые к новому двигателю. Привод наличной группы данных заводских машин определил основные характеристики двигателя Ползунова (непрерывность действия, два рабочих цилиндра, новый передаточный механизм, суммирующий работу отдельных цилиндров).

6. Теория позволила Ползунову определить потребные размеры цилиндров двигателя для достижения потребной мощности.

7. Практика предоставила в распоряжение Ползунова арсенал деталей для конструирования его двигателя, который как первый универсальный двигатель был отличен от всех, известных мировой технике его времени.

8. Теория позволила Ползунову установить взаимосвязанные размеры деталей, объединить их на чертеже в единую схему с определенными во времени и пространстве траекториями движений.

9. Практика была положена в основу всех технологических процессов постройки нового двигателя.

Приведенный перечень показывает, насколько еще серьезным элементом производства рассматриваемого исторического периода была практика: две трети проблем решалось на основе практики, чем и объясняется факт большего успеха техников-практиков по сравнению с учеными-физиками в конструировании и постройке первых паровых двигателей. Что касается теоретических данных, то их Ползунов получил из трудов Ломоносова, Леупольда, Белидора и Шлаттера.

Рис. 4-7. Схема проекта универсального двигателя И. И. Ползунова (1763 г.): 1 и 2 - поршни; 3 - главный вал; 4 - штанги паро-водораспределительного механизма; 5 - водораспределительный кран; 6 - парораспределительный кран; 7 - паровой котел; 8 - трубы для вбрызгивания воды в цилиндры; 9 и 10 - привод к насосам 11; 12, 13, 14 - привод к воздуходувным мехам 15

Задачу универсальности Ползунов решал впервые им предложенным методом суммирования работы двух цилиндров на общий вал двигателя. По его проекту 1763 г. (рис. 4-7) поршень 1, опускаясь под давлением атмосферного воздуха, сообщал механическую энергию валу 3 и одновременно поднимал поршень 2 другого цилиндра. При опускании поршня 2 происходило подобное же распределение энергии. Вал 3 получал работу непрерывно, то от одного, то от другого цилиндра. Отвала движение передавалось штангам 4, двигавшим зубчатые колеса механизма, управляющего кранами 5 и 6, которые поочередно подавали в цилиндры двигателя то пар из котла 7, то охлаждающую воду по трубам 8. От того же главного вала двигателя движение передавалось через шкивы 9 к 10 насосом 11, нагнетавшим воду в верхний резервуар, откуда она расходовалась самотеком, на питание парового котла и на охлаждение пара в рабочих цилиндрах. Работа внешнему потребителю - воздуходувным мехам 15 - передавалась через цепные колеса 12, 13 и 14.

Из описания двигателя Ползунова видно, что он был в состоянии выполнять многочисленные функции, недоступные для насосных двигателей. Он прежде всего мог работать сепаратно, на холостой ход, представляя, таким образом, самостоятельный двигатель. Этот двигатель мог приводить в действие орудия, непрерывно потребляющие энергию, так как в нем имелись две цепи, передающие энергию непрерывно в двух направлениях. Этот двигатель не ограничивал свободу выбора направления движения орудия, поскольку не использовал сил тяжести, а также позволял менять размах и усилие путем соответствующего подбора диаметров передающих шкивов. Кроме того, впервые в конструкции Ползунова тепловой двигатель был в состоянии осуществить групповой привод, отмеченный Марксом как этап в развитии машин.

Рис. 4-8. Схема воздуходувной установки Ползунова (1765 г.): 1 - паровой цилиндр (второй такой же цилиндр скрыт за цилиндром); 2 - 2 и 3 - 3 - балансиры, передающие движение воздуходувным мехам 10; 4 - полубалансир для привода паро-водораспределительного механизма 6-7; 5 - полубалансир для привода насосов 9 через рычаг 8; 11 - выход сжатого воздуха; 12 - аккумулятор дутья

Рецензент проекта Ползунова президент Берг-Коллегии И. А. Шлаттер, автор книги "Обстоятельное наставление по рудному делу", в которой впервые на русском языке был описан насосный двигатель Ньюкомена, дал высокую оценку работе Ползунова, но не сумел понять основного замысла Ползунова - замены водяных колес, сковывавших развитие производства, паровыми машинами. Поэтому Шлаттер предложил Ползунову осуществить уже освоенное в Европе решение, т. е. комбинированную установку: паровым насосом поднимать воду и направлять ее на водяное колесо. Ползунов не принял рекомендации Шлаттера и в 1765 г. осуществил постройку нового двигателя большой мощности для целей воздухоснабжения металлургических печей. Этот двигатель (рис. 4-8) имел также два рабочих цилиндра 1, двигавших балансиры 2-2 и 3-3, от которых движение передавалось двум громадным воздуходувным мехам 10. С полубалансира 4 через штангу 6 и колесо 7 движение передавалось паро-водораспределительному механизму, а с полубалансира 5 через полубалансир 8 - к насосам 9. Через общую камеру 11 сжатый воздух подавался в аккумулятор дутья, "воздушный ларь" 12, из которого по трубам распределялся между группой медеплавильных печей. Общий вид установки представлен на рисунке 4-9.

Рис. 4-9. Макет пародутьевой заводской установки, построенной И. И. Ползуновым в г. Барнауле в 1766 г. (Государственный Политехнический музей, г. Москва.)

Сопоставление установки Ползунова с предложением Шлаттера показывает громадный вклад Ползунова в развитие техники. По проекту Шлаттера (рис. 4-10, а) паровые насосы 1-2 подают воду в резервуар 3, откуда она по желобу 4 поступает на водяные колеса 5, которые через механизм 6-7 передают движение воздуходувным мехам 8; канал 9 служит для отвода отраоотавшеи на колесах воды. В установке Ползунова (рис. 4-10, б) двигатель с двумя цилиндрами 1 приводит в движение воздуходувные мехи 2; воздух из аккумулятора 3 по трубам 4 раздается по группе печей.

Рис. 4-10. Сравнительная схема проектов Шлаттера и Ползунова: а - проект Шлаттера: 1 - двигатели; 2 - насосы; 3 - резервуар; 4 - водораспределительный желоб; 5 - водяные колеса; 6,7 - валы и полубалансиры привода от водяных колес к воздуходувным мехам 8; 9 - водоотводный канал; б - проект Ползунова; 1 - двухцилиндровый двигатель; 2 - воздуходувные мехи; 3 - воздушный аккумулятор; 4 - трубы.

Приведенные схемы не вскрывают полностью значения изобретения Ползунова. Отказавшись от промежуточного носителя энергии в виде поднятой вверх воды, Ползунов более чем вдвое увеличил эффективность установки.

Однако в феодальной крепостнической России не было экономической базы для внедрения паровых двигателей. Поэтому лишь более чем через пол столетие после героической попытки Ползунова, отдавшего все свои силы и жизнь борьбе за дело перехода от ограниченной энергетики водяного колеса к тепловому двигателю, в России стало осуществляться строительство паровых машин.

Рис. 4-11. Универсальный двигатель с комбинированным механическим аккумулированием: 1 - цилиндр; 2 - балансир; 3 - шатун; 4 - кривошип; 5 - маховик

Совсем иначе обстояло дело в Англии, которая ранее других стран вступила на путь капиталистического развития. Здесь еще до начала развития первой фазы промышленного переворота - внедрения в производство новых технологических машин, высвобождавших искусные руки рабочего, уже создавались материальные предпосылки осуществления второй фазы промышленного переворота - внедрения в производство универсального парового двигателя. Успешное применение машины Ньюкомена - Коули для откачивания воды направляло мысль конструкторов и изобретателей на использование этой машины и для других производственных нужд. На тех же шахтах и рудниках, где машины Ньюкомена - Коули откачивали воду, имелся еще один потребитель механической энергии: шахтные и рудничные вентиляторы, снабжавшие подземные галереи, штольни и штреки воздухом. Вентиляционные установки существенно отличались от насосных применением разнообразных крыльчаток с круговым движением. Перед изобретателями встал вопрос о получении на валу машины однонаправленного вращательного (а не качательного, как это требовалось в условиях Ползунова) движения. Задача была настолько актуальной, возможности ее решения были настолько назревшими, что появившиеся в 70-х годах XVIII в. в Англии в значительном количестве первые, по сути своей универсальные, паровые двигатели не получили должной оценки. Забытыми оказались и имена конструкторов этих первых универсальных двигателей, использовавших для получения вращательного движения комбинацию потенциального и кинетического аккумулирования механической энергии, развиваемой поршнем двигателя (рис. 4-11). В этих двигателях энергия поршня, перемещавшегося в цилиндре 1, передавалась через балансир 2 тяжелому литому шатуну 3, вес которого подбирался так, чтобы на его подъем затрачивалась половина энергии поршня. Вторая половина энергии шла на вращение вала через кривошип 4, причем неравномерность вращения сглаживалась маховиком 5. За вторую половину оборота вала шатун, опускаясь, отдавал затраченную на его подъем энергию валу маховика, который, таким образом, получал энергию непрерывно. Применение двух аккумуляторов механической работы - потенциального (шатун 3) и кинетического (маховик 5) - позволяло получать на валу двигателя равномерное однонаправленное вращательное движение.

Развитие прядильных и ткацких машин потребовало от двигателя не только однонаправленного вращательного движения. Потребовалось увеличение числа оборотов вала, потребовалась высокая равномерность вращения, нарушение которой приводило к обрыву нитей в текстильных машинах. Необходимость двигателя с подобными качествами стала настолько острой, что, по выражению одного из современников, "в Лондоне, Манчестере и Бирмингаме все были без ума от машины с вращательным движением" Так первый этап промышленного переворота сделал совершенно необходимым развитие второго его этапа. Эта необходимость не замедлила проявиться в конкретной форме ряда патентов на паровой двигатель с равномерным вращательным движением.

Такой двигатель был предложен Фальком, повторившим метод Ползунова - суммирование работы двух рядом стоящих цилиндров. Томсон суммировал работу двух цилиндров, расположенных на одной оси. Картрайт добился равномерности .вращения вала одноцилиндрового двигателя за счет увеличения числа оборотов маховика посредством введения зубчатых передач. Садлер использовал два цилиндра с перепуском пара через поршень, работавших на общий балансир, передававший движение маховичному валу. Был ряд и других машин. Они были построены, работали, отвечали требованиям универсального двигателя, требованиям промышленности на высокое число оборотов, непрерывность и большую равномерность вращения.

Большое количество построенных двигателей и патентов еще раз наглядно подтверждает тот факт, что изобретение не является следствием личной воли и стремления того или иного изобретателя, а что изобретатель выполняет социальный заказ и не свободен в выборе своих решений. Лучшее решение оценивается обществом. И в данном случае такая оценка была дана изобретению Джемса Уатта.

Рис. 4-12. Схема 'улучшенной машины Ньюкомена', построенной Уаттом (1775 г.): 1 - цилиндр; 2 - балансир; 3 - насосная штанга; 4 - конденсатор; 5, 6, 7 - клапаны; 8 - насос для подачи охлаждающей воды; 9 - конденсатный насос; 10 - питательный насос

Джемс Уатт пришел к изобретению универсального двигателя, не ставив перед собой такой задачи. Будучи механиком университета в г. Глазго в Шотландии, он получил поручение исправить сломанную действующую модель водоотливной паровой установки Ньюкомена - Коули. Исправив модель, Уатт убедился, что она не может работать удовлетворительно. Современная наука показывает, что модель не могла работать потому, что при ее изготовлении не были учтены законы моделирования физических процессов. Поэтому на модели с исключительной отчетливостью выступили все недостатки, присущие ранним паровым двигателям. Уатт не мог знать этого и упорно работал над моделью свыше пяти лет, пока не нашел радикальное решение, заставившее модель работать. Это решение состояло в отделении от машины конденсатора, который бы конденсировал пар холодной водой не в цилиндре машины, а в отдельном резервуаре. С отделением конденсатора паровая машина приобрела, наконец, все необходимые элементы паросиловой установки (рис. 4-12). Самое же главное состояло в том, что отделение конденсатора более чем вдвое уменьшало расход топлива при том же эффекте. Уатт совместно со своим компаньоном немедленно использовали нужду шахтовладельцев в экономичном водоотливном двигателе и стали заключать с ними соглашение на право применения отдельного конденсатора за ¹/₃ экономии топлива, получающейся при его внедрении. Это мероприятие принесло компаньонам громадную прибыль, и Уатт все свое внимание и силы направил на изыскание способов дальнейшей экономии топлива. С этой целью он использовал расширение пара, ранее применявшееся только с целью замедления скорости движения поршня при подходе его к крайним положениям. Внедрение расширения принесло экономический эффект, но уменьшало мощность машины при тех же ее размерах. Для компенсации потери мощности Уатт придумал использовать вторую полость цилиндра и этим самым, преследуя экономию, нашел решение, обеспечивающее непрерывность отдачи работы методом суммирования работы двух полостей одного цилиндра (так называемая машина двойного действия).

В деятельности Уатта по изобретению парового двигателя соотношение между данными науки и практики было иным, чем в деятельности Ползунова, что объясняется специфическими условиями работы Уатта в мастерской факультета натуральной философии.

Практика производства вторглась в жизнь Уатта в виде точной геометрической модели работавшего на производстве двигателя. Однако неработоспособность модели " можно было устранить только на основе теоретических данных о свойствах водяного пара, которыми - располагал Уатт, работая совместно с физиком Блэком, изучавшим "скрытую" теплоту парообразования, и будущим профессором физики - студентом Робинсоном. Содружество практических навыков Уатта, бывшего механиком высокой квалификации, с научными открытиями его ученых коллег принесло свои плоды: Уатт сконструировал двигатель, в 2,7 раза уменьшивший расход топлива. Но отсутствие связей Уатта с производством заводских масштабов не дало ему возможости найти наилучшие конструктивные формы для своей экономичной машины, даже тогда, когда он завершил в принципе все новое, что он намерен был внести в паровую машину.

Теперь в руках Уатта было все необходимое для создания универсального двигателя, и направляемый на этот путь своим компаньоном Болтоном, Уатт стал упорно работать над двигателем с вращательным движением вала. Суммирование облегчало решение поставленной Болтоном задачи, но Уатту пришлось много потрудиться над изысканием способа соединения прямолинейного движущегося поршня с концом балансира, описывающим дуги окружности.

Уатт, как и все изобретатели того времени, не сумел отказаться от балансира и нашел решение в форме так называемого "параллелограмма Уатта". Так как шатунно-кривошипный механизм был запатентован в применении к паровой машине другими изобретателями, Уатт применил планетарную передачу, удобную тем, что она вдвое увеличивала число оборотов вала маховика и, следовательно, учетверяла равномерность вращения. Уатт в 1784 г. получил патент на универсальный двигатель (рис. 4-13). Этот двигатель вследствие своей экономичности, а также благодаря жесткой патентной политике фирмы, не дававшей никому права не только на использование конденсатора, но и на ряд других нововведений, запатентованных фирмой, быстро вытеснил другие виды универсальных двигателей и стал широко распространяться. Вместе с тем длительное (до 1800 г.) монопольное патентное право фирмы "Уатт и Болтон" на постройку паровых машин с конденсаторами не могло не иметь отрицательных последствий. Некоторые ценные предложения, которые способствовали бы прогрессу парового двигателя, не нашли применения, поскольку в той или иной степени вторгались в широкую область патентных прав фирмы. Капиталистические отношения и присущая им жестокая конкурентная борьба начинали проявляться все заметнее и заметнее.

Машина Уатта стала получать быстрое распространение. Ранние, насосные машины Уатта устанавливались на шахтах и рудниках, в водопроводных и воздухонагнетательных установках. За десятилетие, с 1775 по 1785 г., было установлено 66 машин общей мощностью в 1238 л. с. В следующем десятилетии число установленных машин возросло до 144, а мощность до 2009 л. с, причем из них 47 машин мощностью с 735 л. с. было установлено на текстильных предприятиях. За период 1795-1800 гг. число машин, поставленных заводом Уатта и Болтона, составило 79 с общей мощностью в 1206 л. с, а через четверть века в одной Англии насчитывалось 1500 паровых машин с общей мощностью около 80 000 л. с.

Паровые машины начали строить с 1780 г. во Франции, с 1818 г.- в Бельгии, в конце XVIII в.- в Германии, около 1800 г.- в США. В России первая, после машины Ползунова, паровая машина была установлена на Гумешевском заводе на Урале в 1799 г., следующая за ней - на Златоустовском заводе в 1810 г. Имена строителей этих машин история не сохранила. Имеются данные о машинах, построенных еще в конце XVIII в. на Олонецком заводе.

Рис. 4-13. Универсальный паровой двигатель Уатта (1782 г.)

Второй этап промышленного переворота - внедрение универсального двигателя в промышленность - имел громадное влияние на ускорение темпов развития производительных сил общества. Прежде всего паровая машина способствовала удовлетворению этой потребности, работая на откачке воды из шахт, на подъеме угля на гора, на вентилировании. С созданием паровой машины резко увеличилась потребность в металле, так как в отличие от водяных колес она не могла быть из дерева. Однако паровая машина способствовала удовлетворению и этой потребности, обслуживая водоотлив и вентиляцию рудников, дутье в доменных печах. Увеличилась потребность и в перевозках топлива, руды, металла. Вместе с этим паровая машина способствовала удовлетворению этой потребности, приводя в движение колеса паровозов, гребные колеса и винты речных и морских судов.

Широкое внедрение паровой машины означало широкое обращение к запасам энергии природы в их высоко концентрированной форме - к топливу, являющемуся и сегодня основным поставщиком теплоты, механической и электрической энергии.

В настоящее время свыше 97% энергии человечество берет от природы при сжигании топлива.

Наконец, паровая машина пробудила широкий интерес к тепловым явлениям и процессам. С одной стороны, практики, разыскивая способы снижения расходов по эксплуатации паровых машин, постепенно переходили от учета денег к учету топлива, к учету пара, к учету теплоты, заключенной в паре. Так практика необходимо вела от денег к килограммам топлива, килограммам пара и, наконец, к калориям теплоты. Из практики теплового двигателя возник относительный показатель качества машин - коэффициент полезного действия. С другой стороны, привлечение интереса ученых к паровой машине также неизбежно вело к исследованиям тепловых явлений, к открытию универсального закона природы - закона сохранения и превращения энергии.