Steam Engine - Part 1.

Паровая Машина

Паровая машина — мать промышленных городов
(А. Редгрейв в «Reports of the Insp. of Fact. for 30th April 1860», p. 36).

Есть целый ряд изобретений, которые сыграли важную роль в истории человечества, причем в разные периоды: в древнем мире; средние века; во времена Возрождения и промышленной революции; в наше время. Можно вспомнить изобретение колеса, письменности, гончарного круга, пороха, бумаги, автомобиля, … и еще многого чего. Если же говорить об изобретениях, которые заложили основы современной цивилизации, то конечно необходимо начать с паровой машины.

Понятия и Определения

Для более полного понимания значения паровой машины в истории современной цивилизации следует обратиться к энциклопедиям и справочникам, что позволит увидеть современную точку зрения (взгляд) на машину, которая в классическом виде сейчас практически не применяется. Итак, для начала, наиболее общие определения, например, из всезнающей Википедии:

Паровая машина - тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

В этом определении наиболее важным является понимание того, что это один из видов теплового двигателя, а также то, что в широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания. А что же такое тепловой двигатель?

Тепловой двигатель - устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии.

Осталось определиться с понятием тепловая машина.

Тепловая машина - устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник). Преобразование осуществляется за счёт изменения внутренней энергии рабочего тела - на практике обычно пара или газа.
Идеальная тепловая машина - машина, в которой произведённая работа и разница между количеством подведённого и отведённого тепла равны. Работа идеальной машины описывается циклом Карно.
Периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла, называется тепловой машиной.

Лично меня все эти определения из русской Википедии несколько разочаровали, как каждое в отдельности, так и вместе, т.к. не сложилась общая и стройная картина взаимосвязи всех этих понятий. Вероятно, методологически неверен сам подход в попытке получить системные знания из энциклопедических источников. Не исключаю также, статьи на русском языке по этой тематике находятся еще в процессе разработки. А потому посмотрим, что пишет по этому поводу английская Wikipedia.

A steam engine is a heat engine that performs mechanical work using steam as its working fluid.
Steam engines are external combustion engines, where the working fluid is separate from the combustion products. Non-combustion heat sources such as solar power, nuclear power or geothermal energy may be used. Water turns to steam in a boiler and reaches a high pressure. When expanded through pistons or turbines, mechanical work is done. The reduced-pressure steam is then condensed, and it is pumped back into the boiler. The ideal thermodynamic cycle used to analyze this process is called the Rankine cycle. Some practical steam engines discard the low-pressure steam instead of condensing it for reuse.
Паровая машина - тепловой двигатель, который выполняет механическую работу,  используя пар в качестве рабочей жидкости.
Паровые машины являются двигателями внешнего сгорания, где рабочая жидкость отделена от продуктов горения. Также могут быть использованы не связанные с сжиганием источники тепла, такие как: солнечная энергия; атомная энергия; геотермальная энергия. Вода превращается в пар в котле и достигает высокого давления. Механическая работа совершается при расширении пара через поршень или турбину. Уменьшивший давление пар затем конденсируется и закачивается обратно в котел. Идеальный термодинамический цикл используемый для анализа этого процесса называется циклом Ренкина. В некоторые практических паровые машинах отказались от конденсации пара низкого давления, сразу направляя его для повторного использования.

Не намного лучше и яснее чем в версии на русском языке, однако, есть некоторые добавления. Как говориться, и на том спасибо. Но хочется большего. Для этого стоит посмотреть какой-нибудь вузовский учебник, что я и сделал, обратившись к первому источнику, найденному по этому направлению.

Машины, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую работу, называются двигателями. Машины, преобразующие теплоту в механическую работу, называются тепловыми двигателями.
Способы превращения тепла в механическую работу разнообразны. Наиболее распространены следующие пять типов тепловых двигателей:
1) паровые машины;
2) паровые турбины;
3) двигатели внутреннего сгорания;
4) газовые турбины;
5) реактивные двигатели (турбореактивные и ракетные).
Первыми из тепловых двигателей получили промышленное развитие поршневые паровые машины; уже в 18-м столетии они стали широко распространятся. Паровая машина более ста лет господствовала на железнодорожном транспорте, и паровоз являлся основным видом локомотива. Но с течением времени поршневые паровые машины стали вытесняться другими, более совершенными типами двигателей и теперь применяются в очень небольшом количестве.

Тепловые двигатели.
Под ред. И.Н.Нигматулина. Учеб. пособие для втузов.
М. «Высш. Школа», 1974

Все вышеприведенные определения являются результатом широкого взгляда на паровую машину. Если взглянуть более узко, рассматривая, так сказать, техническую сторону этого вопроса (да пожалуй, и более узкий исторический промежуток), то энциклопедии дают такие определения паровой машины.

Паровая машина - поршневой первичный двигатель, предназначенный для преобразования потенциальной тепловой энергии (давления) водяного пара в механическую работу. Рабочий процесс П. м. обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях её цилиндра, объём которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня. Пар, поступающий в цилиндр П. м., расширяется и перемещает поршень. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипного механизма во вращательное движение вала. Впуск и выпуск пара осуществляются системой парораспределения. Для снижения тепловых потерь цилиндры П. м. окружаются паровой рубашкой.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

Схема паровой машины: 1 — поршень; 2 — шатун; 3 — коленчатый вал; 4 — маховик.
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

Паровая машина - тепловой поршневой двигатель для преобразования энергии водяного пара в механическую работу. Первая паровая машина двойного действия, у которой пар подавался поочерёдно то с одной, то с другой стороны поршня, была построена Дж. Уаттом в 1784 г. Основная часть паровой машины – цилиндр, в котором под действием пара ходит поршень со штоком. Рядом с цилиндром находится парораспределительный механизм – золотниковая коробка, сообщающаяся с паровым котлом, конденсатором и цилиндром посредством двух окон. В коробке находится золотник – переключатель, обеспечивающий попеременную подачу пара то с одной, то с другой стороны поршня. В результате поршень со штоком совершает возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма. Он состоит из соединённого со штоком ползуна, шатуна и кривошипа, который, в свою очередь, соединён с коленчатым валом. Переключение золотника обеспечивается с помощью рычага обратной связи, соединённого одним концом с золотником, а другим концом – с эксцентриком коленчатого вала. Таким образом создаётся разность давлений пара в правой и левой частях цилиндра, которая приводит поршень в движение. Выпускать отработанный пар в атмосферу невыгодно, т. к. он содержит ещё много тепловой энергии. Для повышения экономичности паровой машины Уатт применил конденсатор – охлаждаемый водой сосуд, в котором отработанный пар конденсировался (превращался в воду). При этом давление в конденсаторе падало ниже атмосферного. Это значительно увеличивало разность давлений, действующих на поршень в цилиндре. Вода из конденсатора направлялась обратно в паровой котёл. Это позволяло создать замкнутую систему «котёл – паровая машина», в которой химическая энергия органического топлива превращалась сначала в тепловую энергию водяного пара, а затем в механическую энергию вращения вала паровой машины.

Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн. 2006.

Не претендуя на оригинальность, рискну подытожить (свести воедино) вышеприведенные определения.

Паровая машина - тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий потенциальную энергию пара (давление) в механическую работу. В узком смысле паровая машина - поршневой тепловой двигатель внешнего сгорания, использующий в качестве рабочего тела (газа) водяной пар, в котором возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью механической передачи во вращательное движение вала. В широком смысле паровая машина - любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает тепловую энергию пара в механическую работу, к которым кроме поршневых машин можно отнести различные роторные паровые двигатели и турбины, а также двигатели, использующие в качестве рабочего тела другие газы (не водяной пар).

Предметом рассмотрения в этом сообщении будет история паровой машины в узком смысле, а именно история создания и совершенствования паровой машины Уатта.

Паровая Машина – исторические (экономические) предпосылки создания и предшественники.

Практически вокруг каждого эпохального изобретения ведутся яростные споры относительно их авторства. Это касается и паровой машины, и электрической лампочки, радио, самолета, телевидения и многих других изобретений. Ни одно подобное изобретение нельзя приписать одному лицу, хотя часто они имеют своих конкретных авторов. Обычно, они включают в себя опыт предшествующих научных открытий и изобретений. Но в истории и памяти людей обычно остаются имена тех изобретателей, которые смогли внедрить эти изобретения в повседневную жизнь. Т.е. используя самые передовые для своего времени знания и достижения, они смогли изобрести, найти инвесторов для создания опытных и промышленных образцов, грамотно защитить свои идеи, а затем, выйдя на рынок, широко внедрить свои изобретения. Так в истории остались: лампочка Эдисона, радио Маркони, самолет братьев Райт, швейная машинка Зингера и т.д. Сказанное выше в полной мере относится и к паровой машине Уатта.
Бурно развивающаяся экономика начала XVII века год от года потребляла все больше угля и стали. Однако все неглубоко залегающие месторождения в Европе, и в частности в Англии, были исчерпаны. Глубина шахт стала достигать 200 метров и очень остро стала проблема откачки воды. Конный привод водооткачивающих насосов уже не удовлетворял владельцев рудников, поскольку приходилось держать до 500 лошадей на каждой шахте. Речь шла о выживании всей горнодобывающей отрасли, да пожалуй, и всей промышленности. Была большая потребность в новом приводе, что является, пожалуй, самым первым условием успешного внедрения любого изобретения. Тут уместно забежать немного вперед во времени и вспомнить самого известного изобретателя всех времен и народов – Эдисона.
Первым запатентованным изобретением Эдисона был «электрический баллотировочный аппарат». Устройство подсчитывало результаты голосования в конгрессе, для чего депутаты должны были нажимать кнопки «за» и «против», которые находились перед ними. Сейчас подобные системы установлены практически в каждом парламенте, но в то время члены конгресса США не восприняли эту идею, назвав ее «самым бесполезным изобретением из всех». В тот момент Эдисон уяснил для себя главное условий успешного изобретателя – никогда не изобретай того, на что нет спроса. Еще больше он в этом убедился и уверился, когда за следующее изобретение – усовершенствованный телеграфный аппарат для печати биржевых отчетов, получил сумму в несколько раз большую, чем рассчитывал.
Так что для паровой машины время было благоприятное – спрос был. И это предопределило судьбу изобретения. Однако, как уже было сказано выше, нельзя сказать, что паровая машина Уатта была изобретена с «нуля» одним человеком. Идея использования энергии водяного пара родилась достаточно давно. Первое упоминание об устройстве, приводимом в движение паром, относится к первому веку нашей эры, когда в трудах Герона Александрийского появилось описание примитивной паровой турбины. В средние века и вплоть до конца 17-го века, в различных странах, также предпринимались попытки разными исследователями научиться использовать энергию пара. Если говорить только о непосредственных предшественниках, то следует вспомнить француза Дени Папена (Denis Papin), англичан Томаса Севери (Thomas Savery) и Томаса Ньюкомена (Thomas Newcomen). Их машины во многом были несовершенны и решали только одну задачу – откачку воды. Тем не менее, на этих машинах ими были найдены конструктивные формы различных элементов паровой машины: топочное устройство, паровой котел, цилиндр, краны и др.

Большое влияние на развитие тепловых двигателей оказали работы французского физика, математика и изобретателя Дени Папена (Denis Papin, 22 August 1647 - 1712). Папен – человек интересной и сложной судьбы, член нескольких академий наук. Так в Париже работал с известным физиком Гюйгенсом, а после переезда в Лондон в 1675 году, долгое время работал с другим известным физиком Бойлем. Наблюдая и анализируя опыты своих предшественников по получению работы за счет использования поршня в цилиндре, Папен предложил паровую машину с вертикальным цилиндром. Под поршень наливали воду и нагревали дно цилиндра, в результате поршень поднимался за счет давления пара. После прекращения нагрева пар конденсировался, создавая разряжение, и поршень опускался, поднимая груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Но для повторения процесса, всю конструкцию надо было разобрать и повторно собрать.
Папену приписывают создание многих интересных вещей, но идеи, относящиеся к паровой машине это, прежде всего, паровой котел и предохранительный клапан. Ему также принадлежит идея конденсации пара вне цилиндра. Эти идеи были реализованы в 1707 году в проекте водооткачивающей поршневой машины. Получаемый в котле пар давил сверху на поршень, который вытеснял воду из цилиндра через отверстие в дне. Большим недостатком машины было отсутствие всасывающего хода у насоса, и поэтому она не получила распространения. Однако важно то, что процесс конденсации пара Папен вынес за пределы цилиндра – отработанный пар просто выпускался в атмосферу. Кроме того, перекачиваемая вода подавалась на лопатки водяного колеса, тем самым обеспечивая непрерывное вращение вала отбора мощности. По сути, Папен создал прообраз универсального двигателя, чем намного опередил других изобретателей.

Схема водооткачивающей поршневой машины Дени Папена (Denis Papin).

Однако, приоритет в практическом применении паровой машины следует отдать Томасу Севери (Thomas Savery) и его водоподъемнику, схема которого изображена ниже.

Паровой водоподъемник Томаса Севери

Севери отделил рабочее тело (водяной пар) от перекачиваемой воды, сделав для этого паровой котел. Пар, который получался в котле, через кран попадал в сосуд с водой и вытеснял воду в напорную трубу. Большим достижением было то, что удалось реализовать повторяемость циклов. Для этого, когда вода полностью вытеснялась, а сосуд оставался заполненным паром, напорную трубу перекрывали и сосуд охлаждали холодной водой. Пар в сосуде конденсировался, возникало разрежение, и через впускную трубу всасывалась следующая порция воды. У машин Севери не было движущихся частей и поэтому они мало соответствуют сложившемуся представлению о паровой машине. Сейчас подобные системы называют термомеханическими насосами. Тем не менее, это была первая паровая машина, которая работала непрерывно. Она имела большой промышленный спрос, не смотря на крайне низкий КПД, который не достигал и 1%. Из-за отсутствия движущихся частей эти машины оказались очень надежными и долговечными. Интерес к ним сохранился и по сей день. Их используют в тех случаях, когда надежность и долговечность важнее экономичности.
Томас Севери и его машины могут также служить хорошим примером, как надо защищать свои изобретения с правовой стороны. В 1698 году он получил патент № 356 на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня …». В патенте отсутствовало подробное описание и формула изобретения, что впоследствии принесло Севери немалые выгоды.

Следующий шаг по созданию тепловых машин совершил Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen). Кузнец по профессии, он, выполняя на заказ детали для машин Севери, пришел к выводу, что их производительность можно существенно повысить, разделив функцию насоса и двигателя. Принцип действия атмосферной машины Ньюкомена очень удачно иллюстрирует вот эта анимационная картинка.

Анимационная схема, иллюстрирующая принцип действия паровой машины Ньюкомена атмосферного типа.
Animation of the Newcomen steam engine, created by me using XaraX software Emoscopes 23:29, 1 March 2006 (UTC)

Чтобы реализовать свои идеи, Ньюкомен в 1705 году заключил соглашение с промышленником Джоном Коули и вскоре эти машины получили широкое распространение. Несколько позднее машина Ньюкомена была усовершенствована – был добавлен второй цилиндр. Каждая такая машина содержала два вертикальных рабочих цилиндра. Пар по очереди поступал  под поршни этих цилиндров из общего котла через распределительный кран. Под воздействием давления пара поршень поднимался вверх до наивысшей точки, и в этот момент в цилиндр впрыскивалась вода, пар конденсировался, и поршень под воздействием атмосферного давления опускался, завершая рабочий ход. Поршни рабочих цилиндров соединялись с поршнями насоса через качалку-коромысло.

Водооткачивающая машина Ньюкомена

Машины Ньюкомена были более совершенны и производительнее, чем машины Севери, но получить патент на них Ньюкомен не смог, т.к. этому препятствовала формулировка патента Севери. Пришлось создать в 1711 г. совместную с Севери «Компанию обладателей правами на изобретение установки для подъема воды посредством огня».
С машинами Ньюкомена связана легенда (правдивость которой многие подвергают сомнению) об изобретении автоматического парораспределения, которое приписывают мальчику Гемфри Поттеру (Humphry Potter). Ему было поручено открывать кран для поочередной подачи пара в рабочие цилиндры. Дело несложное, но утомительное, особенно для ребенка, которому хотелось играть со сверстниками. Он взял две веревки, привязал их к рукоятке крана, а другие концы привязал к коромыслу, которые при движении отрывали и закрывали кран. Тут уместно опять вспомнить Эдисона, который в юные годы работал телеграфистом в ночную смену. Чтобы быть уверенным, что сотрудник бодрствует, начальник требовал от него каждые полчаса отправлять ему по телеграфу условное слово. Тогда Эдисон прикрепил к телеграфному аппарату валик с ручкой, на котором записал нужную комбинацию из точек и тире, и которую раз в полчаса крутил станционный сторож, а сам юный изобретатель в это время  спокойно спал. Вот уж действительно, лень - двигателем прогресса.

Гемфри Поттер – ленивый гений

У машин Ньюкомена были два основных недостатка:

1. они были атмосферного типа, т.е. работа совершалась под действием атмосферного давления, что гораздо меньше давления, которое мог создавать пар и, это сильно понижало КПД;
2. они предназначались только для одной операции, в то время как развивающейся промышленности требовался универсальный движитель для использования на различных операциях.

Первым кто попытался решить вторую проблему, был механик Воскресенских заводов на Алтае И.И.Ползунов. Машина была также атмосферного типа, однако движение от поршней с помощью цепей передавалось на главный вал, а от него, с помощью шкивов и цепей не только на насос, но и на кузнечные меха. Таким образом, впервые рабочие органы двигателя и потребитель его мощности оказались не связаны друг с другом. Ползуновым были сделаны множество других усовершенствований в конструкции машины, и в 1766 году она была испытана. Случилась это, однако уже после смерти изобретателя, который умер за несколько месяцев до этого от чахотки. Испытания паровой машины прошли удовлетворительно, однако, как и любой опытный образец, она нуждалась в доработке, которые делать уже было некому. Машина простояла без работы до 1779 года и была разобрана.

Схемы паровой машины Ползунова

История с машиной Ползунова, с одной стороны свидетельствует об одаренности изобретателя, которым были выполнены точные расчеты и построена машина, в которой впервые был осуществлен переход к непрерывному вращению, т.е. был создан первый универсальный движитель. А с другой стороны, и история Ползунова, и русского изобретателя радио – Попова, и изобретателя самолета – Можайского – это не только потеря приоритета. Важно понять, почему их имена остались известны только узкому кругу специалистов, а их изобретения известны всем, но уже под другими именами. Попытка объяснить неудачную судьбу российских изобретений и изобретателей невниманием к ним «прогнившего» самодержавия, как это делалось в советские времена, не выдерживает критики. А скорее всего, как раз все и объясняет. Не должен изобретатель ориентироваться на государство (чиновников) и ждать оттуда помощи. Главный ориентир – рынок или рыночный спрос. И тут сто раз прав Эдисон: - «никогда не изобретай того, на что нет спроса». Поэтому, главная беда российских изобретателей, это то, что они изначально не ориентировались на рынок, на получение прибыли, и (или) не обладали способностями внедрить свои изобретения, довести их до рыночного состояния. Ну а что касается Ползунова и его машины, то в этом случае все можно объяснить еще проще. Неизвестность – это конечно отдаленность и неразвитость транспортной инфраструктуры царской России, а невостребованность – это отсутствие рыночного спроса, т.к. рынка, в капиталистическом понимании, вообще не было. В России в то время был феодальный строй.
На первенство по созданию настоящей паровой машины универсального применения, кроме Ползунова (России), могут не без основания претендовать и другие изобретатели (страны). Примерно в одно и то же время, в разных странах предпринимались попытки создать универсальный двигатель на основе атмосферной паровой машины. Но все эти попытки особого успеха не имели, и потому заметного следа в истории не оставили.

Чего нельзя сказать о паровой машине Уатта.

Продолжение следует.