Раздел 6. Техника периода становления индустриальной цивилизации
Обуздавшие энергию
Рождение паровой энергетики
Создание и распространение промышленных машин со всей остротой поставило вопрос о принципиально новом источнике энергии. Ответом на запрос времени стал паровой двигатель универсального назначения Уатта (1784 г.), явившийся результатом творчества изобретателей многих стран.
Для первой стадии создания паровой машины характерны попытки обеспечить непрерывность работы двигателя. Приоритет в этом принадлежит замечательному русскому теплотехнику И.И. Ползунову.
Изобретатель был знаком с описанием машин Севери и Ньюкомена, а также с работами по теплотехнике М.В. Ломоносова. Еще в апреле 1763 г. Ползунов выдвинул проект создания «огнедействуюшей машины», способной «что будет потребно исправлять» (т. е. исполнять), заменив собою водяные двигатели. К марту 1764 г. Ползунов разработал второй по счету подробный проект парового двигателя несколько иной конструкции, позволявшего непосредственно приводить в действие воздуходувные мехи при сереброплавильных печах. К декабрю 1765 г. «огненная машина» была в основном закончена.
Это был двухцилиндровый пароатмосферный двигатель непрерывного действия. Поршни обоих цилиндров двигались в противоположных направлениях, что обеспечивало непрерывное рабочее усилие. Здание, где помещалась машина, было высотой 19 м. Цилиндры имели по 3 м в высоту и 0,3 м в диаметре. Мощность машины современные исследователи оценивают приблизительно в 32 л. с.
Надорвавшись на непосильной работе, И.И. Ползунов тяжело заболел и умер еще до ввода машины в строй весной 1766 г. В 1768 г. заводское начальство заявило, что машина «по изобилию при здешнем заводе воды» признается ненужной, и в 1780 г. она была сломана.
Независимо от Ползунова применить двухцилиндровую пароатмосферную машину непрерывного действия — но не для заводских нужд, а на транспорте — пытались во Франции инженер Н.Ж. Кюньо в 1769-1770 гг. (для паровой повозки) и Ж.Б. д'Оксирон с компаньонами в 1774 г. (для парового судна). В обоих случаях изобретения не нашли практического применения.
Вторая стадия создания универсальной машины непосредственно связана с промышленным переворотом в Англии. Главную роль в успешном завершении этой задачи сыграл Дж. Уатт. В 1769 г. он получил патент на новый тип парового двигателя, так называемую машину простого действия. Рабочий ход этой одноцилиндровой вертикальной машины производился не атмосферным давлением, а силой пара. Она снабжена была конденсатором, в который отводился отработанный пар. Однако и эта машина не была универсальной.
В 1785 г. первый двигатель этой системы был установлен на английской прядильной фабрике. Затем паровые двигатели стали внедряться в различные отрасли промышленности по всей стране. Началось распространение паровых машин в США и в Европе.
В России уаттовские «огненные новоизобретенные» машины двойного действия стали известны в конце 80-х годов XVIII в. Первое в русской литературе (правда, очень схематичное) изображение и описание такой машины дал механик-изобретатель Л.Ф. Сабакин (1787 г.). Машины системы Уатта начали строить в России в 90-х годах XVIII в.
В первых двигателях Уатта давление лишь немного превышало атмосферное. В конце XVIII в. стали проводиться опыты по созданию паросиловых установок с повышенным начальным давлением. В 1800 г. такую машину построил американец О. Эвене. В руководстве для конструкторов паровых машин (1805 г.) он обосновал необходимость техники этого рода и соответствующих котлов к ней. О. Эвене рекомендовал применять паровые машины с давлением от 8 до 10 атм.
В это же время в Англии начинает свои опыты Р. Тревитик. В патенте 1802 г., полученном им совместно с Вивьеном, речь шла об «усовершенствованиях в устройстве и применении паровых машин», как стационарных, так и предназначенных для паровых повозок. Давление в машинах Тревитика достигало порядка 3 атм.
В 1804 г. английский инженер А. Вулф запатентовал машину повышенного давления (3-4 атм.). Он использовал двукратное расширение пара последовательно в двух рабочих цилиндрах, повысив таким образом коэффициент полезного действия (КПД) машины более чем в три раза.
В России над созданием котлов высокого давления в первой четверти XIX в. работал С.В. Литвинов, алтайский инженер, запроектировавший оригинальный паровой котел мощностью 10 атм.
Опыты по созданию паросиловых установок высокого давления — до 45-50 атм. — проводились Дж. Перкинсом (1822 г.) в США и Э. Альбаном в Германии (1828 г.). Эти эксперименты опередили уровень техники того времени, когда давление в 2-5 атм. считалось высоким. В самом конце рассматриваемого периода, после исследований, проведенных в 50-х годах французским изобретателем Г.А. Гирном в целях дальнейшего повышения КПД паровых двигателей, началось применение перегретого пара.
На протяжении всего последующего периода, вплоть до 90-х годов XIX в., универсальная паровая машина оставалась основным двигателем силовой установки. Котел, собственно паровой двигатель и передаточный механизм подвергались непрерывным усовершенствованиям. Конструкторы стремились к повышению мощности и экономичности паросиловых установок, увеличивая паропроизводительность котлов, повышая начальное давление пара, создавая двигатели с многократным расширением пара — компаунд-машины, применяя перегрев пара, увеличивая скорость хода и т. д. Они отказались также от балансира — характерной детали передаточного механизма первых уаттовских машин; золотниковое парораспределение заменялось клапанным.
В 60-х годах XIX в. отдельные паросиловые установки достигали мощности свыше 1000 л. с. При фабриках и шахтах обычно строился особый корпус для размещения котельной и машинного отделения. Фабричные паровые двигатели передавали работу трансмиссионным валам, располагавшимся внутри производственных цехов. Посредством шкивно-ременной передачи от этих валов приводились в действие разнообразные рабочие механизмы.
Наряду со стационарными паросиловыми установками с 30-х годов XIX в. в практику входят локомобили — передвижные несамоходные паросиловые установки, применяемые в основном в сельском хозяйстве, на строительных и других работах.
Различные типы двигателей в промышленности
Господство паровой энергетики не исключало использования и других источников энергии. Повсеместно довольно широко использовались устаревшие мускульные, конные, ветряные и водяные двигатели. Они также подвергались усовершенствованиям, хотя в исторической перспективе представляли уже технику вчерашнего дня. Так, водяные колеса в Западной Европе иногда изготовлялись из металла и были огромных размеров. Например, железное водяное колесо для откачки воды из рудников на британском о-ве Мэн (1854 г.) достигало 22 м в диаметре и мощности около 200 л. с.
Наиболее перспективным видом водяных двигателей в то время были водяные турбины разных модификаций (например, турбины Понселе, Фурнейрона, Геншеля — Жонваля, Фрэнсиса), которым предстояла столь видная роль впоследствии, когда началось промышленное использование электрической энергии. Поскольку существовала лишь механическая трансмиссия, сфера применения турбин ограничивалась рабочей площадкой, расположенной непосредственно у источника водной энергии. Однако по мере того как происходила концентрация и централизация производства, механическая трансмиссия все менее успешно справлялась с задачей передачи работы от центральной паросиловой станции к рабочим машинам фабричных цехов.
Транспорт также предъявлял к двигателям дополнительные требования: мировая торговля и связи между отдельными районами бурно росли, и возникла потребность в усовершенствовании транспортных средств. Научно-техническая мысль направлялась на поиски нового двигателя, который не требовал бы наличия котельной установки и был бы более компактным. Таким двигателем должен был стать двигатель внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания
В 1860 г. французский изобретатель Ж.Ж.Э. Ленуар построил газовый двигатель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием. Однако КПД этого двигателя был слишком низок, и его распространение ограничилось мелкими предприятиями во Франции.
Некоторые изобретатели, работавшие над двигателем внутреннего сгорания, связывали с его применением утопические надежды на укрепление мелкой промышленности, обрекаемой на разорение быстрым ростом крупного капиталистического производства. В действительности же применение двигателей внутреннего сгорания — как и все наиболее важные технические нововведения этого периода — в конечном счете способствовало развитию крупного машинного капиталистического производства.
В 1862 г. французский инженер А. Бо де Роша получил патент на двигатель внутреннего сгорания четырехтактного цикла, однако своего изобретения не реализовал. И лишь в 1878 г. немецкая фирма «Отто и Ланген» ввела в практику подобный газовый двигатель внутреннего сгорания.
П.Л. Отто сконструировал атмосферный вертикальный газовый двигатель в 1867 г. Подъем поршня в нем происходил в результате взрыва горючей смеси, а опускание (с производством полезной работы) — под влиянием сил тяжести поршня и атмосферного давления.
Электрические двигатели
Наиболее распространенными источниками тока в первой половине XIX в. были гальванические элементы различных систем (Даниеля — 1836 г., Гроува — 1839, Бунзена — 1841, Лекланше — 1867 г. и др.) и аккумуляторы, использующие принцип превращения химической энергии в электрическую. В дальнейшем такого рода источники тока перестали удовлетворять запросы производства.
Открытие М. Фарадеем электромагнитной индукции (начало 30-х годов XIX в.) указало изобретателям новый способ получения электрического тока — посредством создания магнитоэлектрического генератора, в котором ток возбуждался в обмотке катушек от постоянных магнитов. К их числу относятся генераторы И. Пиксия (1832 г.), Ю. Кларка (1835 г.) и академика Российской академии наук Б.С. Якоби (1842 г.). Последний генератор был принят на вооружение «гальванических команд» русской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов. Все эти и появившиеся вслед за ними генераторы Э. Штёрера (1843 г.) и других приводились в движение вручную.
Развитие судоходства в период промышленного переворота потребовало снабжения маяков более мощными источниками света. Были созданы горелки «друммондова света», работавшие на накаливании извести в пламени, питаемом кислородом и водородом. Для получения этих газов в больших количествах путем электролиза после длительных экспериментов в 1856 г. был создан магнитоэлектрический генератор «Альянс».
Характерно, что свое название генератор получил не по имени изобретателя, а по названию электропромышленной компании «Альянс» (Париж). Генератор приводился в движение паровой машиной мощностью от 6 до 10 л. с.
Параллельно с усовершенствованием источников тока развивались и электродвигатели — машины, превращающие электрическую энергию в механическую.
Машины такого рода, напоминавшие лабораторные приборы (двигатели П. Барлоу, Дж. Генри, У. Риччи и др.), появились еще в 20-30-е годы XIX в. В качестве источника тока для питания этих двигателей служили батареи гальванических элементов.
В 1834 г. практически применимый электромагнитный двигатель построил академик Б.С. Якоби. Изобретатель был убежден, что такой двигатель будет использоваться на транспорте.
Однако вплоть до 60-х годов XIX в. применение электроэнергии ограничивалось такими отраслями, как телеграфная связь и гальванопластика (от греч. «покрываю» и «ваяю», технология получения точных копий предметов и их покрытия тонким слоем металла при электролизе), если не считать использования электрических запалов при производстве взрывов в горных разработках и военном деле, а также первых опытов с электроосвещением.
Предпосылкой использования нового вида энергии в качестве двигательной силы в промышленности и на транспорте было создание на рубеже 60-70-х годов динамо-машины, основанной на принципе самовозбуждения (использование для запуска генератора постоянного тока явления остаточного магнетизма), и освоение способа передачи «механической работы на расстояние», т. е. электрической энергии по проводам для питания электродвигателей.
Вопросы и задания:
1. Существует мнение, что паровой двигатель — результат коллективного творчества изобретателей разных стран. Согласитесь или опровергните это мнение.
2. Представьте себе, что ребенок десяти лет задал вам вопрос: как устроена паровая машина? Объясните принцип ее устройства, не прибегая к сложным терминам.
3. Чем можно объяснить тот факт, что даже с появлением парового двигателя не прекратились поиски других вариантов универсального двигателя?
4. Составьте каталог «Двигатели эпохи промышленного переворота». Устно объясните, какие принципы положены в основу вашего каталога.
5. Сравните основные характеристики парового двигателя с другими типами двигателя, изобретенными в этот же период.
