Steam Engine - Part 2.

Джеймс Уатт (James Watt) и его Паровые машины (Steam Engines)

Portrait of Watt, after Sir W. Beachy, and Watt’s Autograph.

Джеймс Уатт (James Watt) был не новичок в паровых машинах. Работая в должности механика университета в Глазго, он в 1765 году занимался ремонтом модели машины Ньюкомена для лаборатории физики, во время которого провел ряд исследований, впоследствии приведшие к созданию паровой машины. Видя достоинства, а главное недостатки парового насоса Ньюкомена, он искал пути их устранения. Вот основные идеи, которые сделал Уатт, стремясь усовершенствовать университетскую модель паровой машины:

1. Основной причиной низкой экономичности машин Ньюкомена являлось охлаждение пара стенками цилиндра. И у Джеймса Уатта родилась идея вынесения конденсации пара за пределы цилиндра, что завершало формирование рабочего цикла паровой машины. Идеи приходят иногда внезапно, но рождаются не на пустом месте. Если бы Уатт не знал хорошо физические свойства воды и пара, то вряд ли бы понял причину низкой эффективности паровых машин того времени. Все его мысли были направлены на решение этой задачи. Вот что он писал впоследствии: «Однако все же эта задача настолько овладела моим умом, а мои обстоятельства настолько требовали вернуть потраченное время и деньги, что я не мог бросить этого дела. После того как я всячески обдумал вопрос, я пришел к твердому заключению, что, для того чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда горяч, как и входящий в него пар; но с другой стороны, конденсация пара для образования вакуума должна была происходить при температуре не выше 30°». Так родилась идея вынесения конденсации пара за пределы цилиндра в отдельный сосуд – конденсатор.
2. Как уже упоминалось, все паровые машины того времени были атмосферного типа, т.е. на поршень действовал перепад давлений равный разнице между атмосферным давлением и давлением конденсации при температуре 30°. Уатт сделал вывод, что мощность машин можно существенно поднять, если использовать не атмосферное давление, а давление пара, которое можно увеличивать намного выше.

На основе этих идей и родилась первая паровая машина Уатта, на изготовление модели которой изобретатель потратил все имеющиеся у него средства, и в конце 1765 года продемонстрировал её работу.

Паровая машина Уатта простого действия (single engine).

Как нетрудно заметить, взглянув на рисунок, что это тоже водооткачивающая машина (насос), как и машина Ньюкомена. Т.е. это еще не универсальный двигатель для промышленности, но, тем не менее, усовершенствования были столь революционными, что резко подняло КПД таких установок. Вот как сам Уатт описывает эти изменения в заявке на патент поданной им в 1769 году:

«Мой способ уменьшить потребление пара, а следовательно, и топлива в огненных машинах (fire engines) основан на следующих положениях:
во-1-х, тот сосуд (vessel), в котором сила пара употребляется для действия в машине и который называется цилиндром (cylinder) в обыкновенных огненных машинах, а я называю паровым сосудом (steam vessel), должен во все время работы машины поддерживаться столь же горячим, как и входящий в него пар, что может быть достигнуто:
1) покрывая его деревянной или иной оболочкой из материалов, дурно проводящих теплоту;
2) окружая его паром или другими нагретыми телами;
3) не допуская ни воду, ни какое-либо другое вещество, более холодное нежели пар, входить или соприкасаться с ним в течение этого времени;
во-2-х, в тех машинах, которые вполне или частью работают при помощи сгущения пара, пар должен быть сгущаем в сосудах (vessels), отдельных от цилиндров (cylinders), хотя по временам и сообщающихся с ними. Такие сосуды я называю конденсаторами, или холодильниками (condensers), и они во время работы машины должны поддерживаться столь же холодными, как и окружающей воздух, посредством воды или других холодных тел;
в-3-х, все то, что остается не сгущенным от холода в холодильнике, будет ли то воздух или другой упругий пар, должно быть извлекаемо из паровых сосудов (steam vessels) или холодильников (condensers) посредством насосов, движимых самими машинами или иным образом;
в-4-х, я намерен во многих случаях пользоваться упругой силой пара для производства давления на поршень или на что-либо другое, заменяющее поршень, подобно тому как в обыкновенных огненных машинах пользуются давлением атмосферы. В тех случаях, когда не имеется в изобилии холодной воды, машины могут быть движимы одной только силой пара, посредством выпуска отработавшего пара на воздух».

Ну а дальше начинается этап, который является очень важным и для нашего времени – внедрение изобретения в производство, выход с ним на рынок. К сожалению, этот этап безболезненно не могут преодолеть многие современные изобретатели. И тут есть чему поучиться, не смотря на время, отделяющее нас от тех дней.
Для доведения машин до уровня продаж требовались еще деньги, или, говоря современным языком, нужен был инвестор. Необходимо было также производство с высоким для того времени техническим уровнем. Чтобы решить эти проблемы, Уатт договаривается сначала с владельцем угольных копий Ребеком. Последний, впрочем, когда его финансовые дела пришли в упадок, уступил свои права фабриканту, владельцу металлообрабатывающего завода Мэтью Болтону (Matthew Boulton).

Болтон и Уатт обсуждают производство паровых машин на заводе в Сохо, возле Бирмингема.
Ateliers de construction de machines à vapeur de Boulton et Watt, à Soho, prés Birmingham.

На каких же условиях договорились изобретатель и предприниматель? Болтону, по договору, должны были принадлежать две трети прибылей от продажи машин. Впрочем, расходы по производству были его на все 100%. Кому-то может показаться, что договор является несправедливым. Особенно некоторым, не в меру амбициозным современным изобретателям. В данном случае, однако, ни кто не прогадал, а весь мир только выиграл. Партнерство между изобретателем Уаттом и предпринимателем Болтоном было настолько удачным, что их совместное детище - паровая машина осталась в истории именно как Boulton and Watt steam engine.
Однако доведение машины и её производство оказалось делом не простым. Вторая машина была готова только к 1775 году и по экономичности превосходила атмосферные машины Ньюкомена более чем в два раза.
Началась реализация машин. Но на этом этапе возникли сложности. Основным местом, где они в тот момент могли использоваться были шахты, в качестве водооткачивающих машин. Но там уже почти везде стояли машины Ньюкомена и хорошо себя зарекомендовали. Поэтому нужно было, как-то убедить и заинтересовать владельцев шахт заменить старые машины.
Тут необходимо опять сделать небольшое отступление. В современном маркетинге есть понятие комплекса маркетинга или 4P-маркетинг (Product – товар, Price – цена,  Promotion – продвижение, Place – место, сбытовая политика). Товар у Джеймса Уатта и Мэтью Болтона был. И очень хороший товар. Но об этом мало кто знал, а главное, ни кто не хотел менять старый на новый. И в этой ситуации был придуман способ, который охватывает, пожалуй, последние три P, если смотреть с позиции современного маркетинга.
Уатт с Болтоном предлагают приобретать у них машины бесплатно. Более того, они берут на себя расходы по демонтажу машин Ньюкомена и установке своей машины. А вместо платы каждый владелец новой машины должен был в течении 25 лет отчислять одну треть стоимости сэкономленного угля. Не сразу владельцы новых машин начинают понимать,  как они прогадали от такого способа покупки.
Но и затраты были не маленькие. Ведь для того чтобы машины хорошо работали и приносили прибыль, Уатту и Болтону приходилось содержать штат высококвалифицированных инженеров и техников. Также много внимания уделялось патентной защите. Прежде всего, в 1775 году старый патент был продлен еще на 25 лет (современным изобретателям на такую роскошь надеяться не стоит, т.к. срок большинства современных патентов ограничен 20-ю годами). Машина продолжала совершенствоваться. Появлялись новые идеи и как следствие этого - патенты. В 1781 году Уатт берет патент на связь поршня с валом посредством шестеренчатой передачи – прообразом планетарного редуктора. В 1782 году патентуется расширение пара в цилиндре. В 1784 году в знаменитом патенте №1432 заявляются последние крупные изобретения Уатта: подача пара с обеих сторон поршня; центробежный регулятор и параллелограммный механизм для передачи движения оси поршня к балансиру. На схеме представленной ниже, видны все эти усовершенствования.

Схема паровой машины Уатта двойного действия.
Watt's Double Engine

Изобретения Уатта примененные в его паровой машине:
планетарный механизм;
цилиндр двойного действия;
центробежный регулятор;
параллелограммный механизм.

Именно эта паровая машина Уатта в 1784 году превратилась, наконец, в универсальный двигатель. Вот что по этому поводу пишет Карл Маркс в своем фундаментальном исследовании «Капитал»:

ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ
МАШИНЫ И КРУПНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
1. РАЗВИТИЕ МАШИН

Только с изобретением второй машины Уатта, так называемой паровой машины двойного действия, был найден первичный двигатель, который, потребляя уголь и воду, сам производит двигательную силу и мощность которого находится всецело под контролем человека, - двигатель, который подвижен и сам является средством передвижения, который, будучи городским, а не сельским, как водяное колесо, позволяет концентрировать производство в городах, вместо того чтобы, как этого требовало водяное колесо, рассеивать его в деревне 99, двигатель, универсальный по своему техническому применению и сравнительно мало зависящий от тех или иных условий места его работы. Великий гений Уатта обнаруживается в том, что в патенте, который он получил в апреле 1784 г., его паровая машина представлена не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности. Он упоминает здесь о применениях, из которых некоторые, как, например, паровой молот, введены лишь более чем через полвека. Однако он сомневался в применимости паровой машины в морском судоходстве.
 99 «В первое время существования текстильных мануфактур местонахождение производства зависело от наличия реки с высотой падения воды, достаточной для вращения водяного колеса; и хотя устройство водяных фабрик было началом уничтожения домашней системы мануфактуры, однако эти фабрики… по необходимости расположенные вдоль рек и зачастую на значительных расстояниях одна от другой, представляли собой элемент скорее деревенской, чем городской системы; и только с введением силы пара взамен силы воды фабрики сосредоточиваются в городах и в местностях, где можно найти в достаточном количестве воду и уголь, необходимые для производства пара. Паровая машина - мать промышленных городов» (А. Редгрейв в «Reports of the Insp. of Fact. for 30th April 1860», p. 36).

Карл Маркс
Капитал. Том 1.

У тех, кто хоть немного знаком с устройством тепловых машин, может возникнуть закономерный вопрос – почему в машинах Уатта не применялся кривошипно-шатунный механизм? Может он еще не был известен? Конечно дело не в этом. Механизм этот настолько прост, что конечно он к тому времени был известен. Все дело в том, что в 1779 году был выдан патент изобретателям Вайсброу и Пикару на применение кривошипно-шатунного механизма в паровых машинах, хотя сам механизм был уже известен. Уатт был возмущен, но ни чего поделать не мог, и вынужден применять в своих машинах другие механизмы для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение вала. Но этот случай может также служить примером того, что не бывает безвыходных ситуаций. Обладая определенным изобретательским талантом можно найти способы обойти патенты конкурентов.
Ко времени появления последнего патента Уатта, на заводе Болтона было окончательно отлажено производство, разработаны инструкции по сборке, монтажу и эксплуатации паровых машин. Дальнейшая деятельность изобретателя свелась к незначительным усовершенствованиям, решению текущих вопросов связанных с финансами и конкуренцией.
А конкуренты, конечно, были, и поэтому Уатт и Болтон внимательно следили за нарушением их патентных прав. Что интересно, так происходило и в тех случаях, когда сами они не использовали запатентованные технические решения, например, машину высокого давления, заявленную еще в патенте 1769 года, но не воплощенную в жизнь. Их машины работали при низких давлениях (1,2 ÷1,5 атм.), но первый патент Уатта блокировал развитие машин высокого давления на весь период действия патента. Это может и первый, но далеко не последний пример в истории техники такого способа конкурентной борьбы. Много позже, с целью не допустить торможения технического прогресса, в патентном законодательстве для подобных случаев появилось понятие «принудительная лицензия». Однако, как способ защиты своего бизнеса, о подобных способах надо помнить.

На этом примере можно проследить весь жизненный цикл изобретения: от зарождения идеи до массового применения, включая промежуточные стадии патентной защиты своих прав, финансирование, организация продаж, борьба с конкурентами и др. Все эти этапы характерны и для нашего времени при организации производства инновационных товаров. И поэтому история паровой машины Уатта может служить хорошим примером и успешного изобретателя и удачного изобретения.

Но история паровых машин не заканчивается на истории паровой машины Уатта, а, пожалуй, только начинается. Паровая машина совершенствовалась, находила много новых способов применения, а также послужила основой (породила) для создания других типов тепловых двигателей. Все это чрезвычайно интересно, и потому -

Продолжение следует.