Лучшие друзья рудокопов
В 1690 году французский физик Дени Папен придумал устройство, которое могло поднимать груз, используя силу пара, но не сумел создать работоспособную конструкцию. Однако именно Папен первым описал все процессы замкнутого термодинамического цикла: парообразование, расширение пара, конденсацию. Он же изобрел паровой котел, проложив тем самым путь к первому паровому двигателю.
Такой двигатель был создан в 1698 году. Его придумал и сконструировал английский военный инженер, капитан саперных войск Томас Севери. Это был первый в истории промышленный образец паровой машины, который можно было использовать на производстве.
В 1698 году Севери опубликовал описание машины и получил на нее патент. Однако насос был маломощным и не очень эффективным, но за неимением лучшего начал широко использоваться для откачки воды из шахт. Сам Севери называл свое изобретение «другом рудокопов».
Кстати, одного из таких «друзей» в 1707 году приобрел Петр I. Машина была установлена в Летнем саду для приведения в действие фонтанов.
В 1705 году соотечественник и тезка Севери — Томас Ньюкомен — занялся созданием более практичной пароатмосферной машины. Вместе с ним над этой машиной работал стеклодел Джон Коули. Они объединили идеи Папена и Севери, добавили предохранительный клапан в котел и поршень в камеру насоса. Чуть позже они также заменили ручное открывание-закрывание клапанов автоматическим.
Первая действующая модель машины Ньюкомена — Коули была создана в 1712 году. Но получить на нее патент изобретатели не смогли, поскольку действие патента Севери еще не закончилось. Ньюкомену пришлось взять предшественника в компанию — дело того стоило. С развитием угледобывающей промышленности и разработкой более глубоких пластов спрос на водоподъемные насосы был огромным.
Машины Ньюкомена быстро вытеснили с шахт и рудников Англии «друзей» Севери. К двадцатым годам XVIII века они и вовсе завоевали почти всю Европу. Их применяли не только для откачки воды, но и для систем водоснабжения, и в гидротехнических сооружениях. Например, одна из машин Ньюкомена, построенная в 1720 году, перегоняла в Лондон воду из Темзы.
С пароатмосферных машин Ньюкомена, точнее — с недействующей модели одной из них, и начинается история изобретателя парового двигателя Джеймса Уатта.
Джеймс против Ивана
Джеймс Уатт родился в 1736 году в крохотном шотландском городке Гринок. В начальную школу он ходил от случая к случаю, потому что был болезненным ребенком, но при этом превосходно знал математику, умел пользоваться любыми инструментами и даже освоил литейное дело — все это благодаря домашнему образованию.
Когда Джеймсу исполнилось 20 лет, его дядя — профессор Университета в Глазго — помог племяннику открыть при университете мастерскую по ремонту и изготовлению математических и физических приборов.
В 1763 году университетскому механику поручили отремонтировать модель паровой машины Ньюкомена. Уатт приступил к ремонту этой машины без особого вдохновения. Отремонтировать можно то, что сломалось, а этот злосчастный экспонат никогда не работал. Но задание получено, делать нечего, надо чинить. И Уатт начал работать.
Возился он несколько недель. Пока однажды не сообразил, что дело не в самой модели, а в принципах ее устройства. С этого момента вместо ремонта университетского экспоната Уатт занялся созданием собственной паровой машины. Спонсировал эксперименты владелец знаменитых Карронских заводов Джон Ребек.
Над моделью парового двигателя Уатт работал в общей сложности десять лет. Он, конечно же, не изобретал пароатмосферную машину с нуля, а занимался усовершенствованием детища Ньюкомена.
Первое, что сделал Уатт, — вынес процесс конденсации пара за пределы рабочего цилиндра. Затем решил использовать не атмосферное давление, а давление пара, что сделало машину более мощной.
В 1769 году Уатту удалось создать модель паровой насосной установки с отдельным конденсатором. Но она не работала. Механик-самоучка не смог достичь достаточной точности обработки и плотности соединений для герметичности камеры. Нужно было вкладывать дополнительные средства, но как раз в этот самый момент Ребек обанкротился.
Уатт начал лихорадочно искать другие источники финансирования и чуть было не уехал в Россию по приглашению русского правительства. За «занятия, сообразные с его вкусом и познаниями» английскому инженеру было обещано ежегодное жалованье в одну тысячу фунтов стерлингов.
Это было удивительное предложение. Удивительное тем, что действующая, работоспособная и — более того! — испытанная на производстве пароатмосферная машина непрерывного действия на тот момент уже шесть лет как была создана в самой России. Русским инженером Иваном Ивановичем Ползуновым.
В апреле 1763 года — того самого года, когда Джеймс Уатт получил задание отремонтировать недействующую модель машины Ньюкомена, — горный инженер Ползунов подал начальнику Колывано-Воскресенских заводов предложение о постройке изобретенной им огнедействующей машины для нужд предприятия.
Это был настоящий прорыв! Ведь во второй половине XVIII века промышленность России располагала только двумя видами заводских машин — воздуходувными мехами для металлургических печей и молотами для ковки металлов. Самым совершенным двигателем для них было водяное колесо. Именно поэтому металлургические заводы строили не рядом с рудниками, а вблизи водоемов. Что, конечно же, было крайне неудобно. В тех случаях, когда доставка руды, леса и горючего к водоему была невозможна, рядом с заводом рыли пруд. Производство часто останавливалось: воды то не хватало, то во время паводков ее уровень поднимался выше допустимого, а иногда стремительное половодье целиком разрушало плотину.
Огнедействующая машина была придумана Ползуновым для того, чтобы освободить металлургические заводы от рабской водяной зависимости и, как говорил сам изобретатель, «облегчить труд по нас грядущим».
«Водяное руководство пресечь. Я должен все возможные труды и силы на то устремить, коим бы образом огонь слугою к машинам склонить», — писал Ползунов.
По принципу действия машина Ползунова была пароатмосферным двигателем. Причем двигателем универсальным: его можно было использовать в любом производстве и сооружать в любом месте.
Джеймс Уатт создаст подобную машину (не промышленный образец, а только модель) через шесть лет, в 1769 году.
«Больше в работу не пущать»
Мощность установки Ползунова составляла примерно 32 лошадиные силы. Мощность первого двигателя Уатта, по его собственным подсчетам, оценивалась в 3-4 лошадиные силы.
Паровой двигатель Уатта был его первым изобретением. А вот Ползунов уже имел на своем конструкторском счету и «вододействующую лесопилку», и множество других остроумных приспособлений и новшеств, придуманных для нужд завода.
Кстати, Ползунов, как и Уатт, не получил никакого образования.
Он родился на Урале, в Екатеринбурге, в 1729 году, рос в очень бедной семье — его отец был солдатом. О каком-нибудь образовании, кроме самой обычной начальной школы, и мечтать было нечего. Но маленькому Ване повезло, заводской механик Никита Бахарев взял его в «механические ученики». Ползунов оказался расторопным и сметливым. Самостоятельно изучил книги по металлургии и минералогии, прочел все труды Ломоносова, а также работы известного российского химика, президента Берг-коллегии Ивана Андреевича Шлаттера.
Как раз к Шлаттеру проект Ползунова об «огнедышащей» машине и попал на отзыв. Ученый нашел проект оригинальным и доложил об этом Екатерине II. Ползунов тут же был произведен в «механикуса с чином и званием инженерного капитан-поручика» и представлен к награде «в четыреста рублев». А также ему было предложено поступить на учебу в Академию.
Но в тот момент Ползунов мечтал вовсе не об учебе. Ему не терпелось приступить к строительству своей машины.
Ползунов планировал сначала построить небольшой опытный образец. Однако его заставили сразу же приступить к постройке крупной установки, которая обслуживала бы 10-12 печей. При этом не обеспечили ни квалифицированными рабочими, ни грамотными помощниками, ни даже необходимыми инструментами. Тем не менее работа была выполнена в фантастически короткие сроки — всего лишь за 13 месяцев. Но какой ценой…
Ползунов подорвал на этой работе здоровье, заболел скоротечной чахоткой и умер, не дожив до пробного пуска всего неделю.
Первый в истории универсальный пароатмосферный двигатель был пущен в эксплуатацию 7 августа 1766 года. Он проработал с небольшими перерывами до ноября, успев за это время не только окупить все расходы на его постройку, но и принести ощутимую прибыль — почти 12 000 рублей.
А потом у огнедышащей машины прогорел котел. Можно было починить этот или соорудить новый, но заводское начальство решило, исходя из каких-то своих соображений, агрегат «больше в работу не пущать».
Главное — патент
Спустя три года после смерти Ползунова русское правительство обратится к Уатту с очень заманчивым предложением. На тот момент у него не было работоспособного парового двигателя, зато имелся патент на него.
Свой первый патент Джеймс Уатт получил 5 января 1769 года. Но это был патент не на паровой двигатель, а на… принципы его работы. Уатт получил охрану для теплоизоляционной оболочки цилиндра, уплотнения и отдельного сосуда-конденсатора. Он также запатентовал применение упругой силы давления пара и то, что воздух должен удаляться из конденсатора насосом!
«Во многих случаях я рассчитываю применить упругую силу (давление) пара на поршень или другие части, заменяющие его…», — говорится в патенте № 913 от 5 января 1769 года.
«Применить упругую силу пара» — это была самая главная фраза. Теперь на весь срок действия патента Уатт получал монопольное право на строительство любых установок, использующих для своей работы силу пара.
Свою первую работоспособную машину Уатт построил только в 1775 году, через девять лет после Ползунова. Следующие 25 лет жизни выдающийся шотландский инженер, как пишут о нем во всех энциклопедиях, занимался незначительными усовершенствованиями своего парового двигателя и оформлением разнообразных патентов на эти усовершенствования.
Самым знаменитым считается патент № 1432. Уатт получил его в 1782 году, закрепив за собой права на подачу пара с двух сторон цилиндра и на использование пара высокого давления. По сути, он не столько охранял права Уатта, сколько блокировал работу конкурентов.
Срок действия первого патента Уатта истек в 1808 году, и паровые машины начали строить на разных заводах и в разных странах. В том числе и в России.
В 1810 году первая паровая машина отечественного производства начала работать на Златоустовском заводе на Урале. Через пять лет паровой двигатель заработал на Верх-Исетском заводе. А потом по Волге и Каме поплыли первые пароходы, в Нижнем Тагиле первые три версты одолел паровоз отца и сына Черепановых.
А могло бы это все заработать, поплыть, поехать на полвека раньше. И в энциклопедиях имя изобретателя парового двигателя было бы другим. И приоритет был бы наш.
Да что там приоритет. Единица мощности могла бы называться не ватт, а, предположим, иван. Послушайте, как круто звучит: мощность моего чайника — 1200 иванов.
Автор: Марина Собе-Панек
