Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулся чуть ли не на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен. Впрочем, никем не отрицается, что прорыв, приведший к технологической революции, был осуществлен шотландцем Джеймсом Уаттом.

Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности. Однако лишь на рубеже XVII–XVIII вв. удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 г.: машина изобретателя Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Правда, изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода – например, со дна шахты – засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу.

Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 г. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.

Более совершенную машину в 1712 г. построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.

Машина Ньюкомена широко использовалась в Европе более 50 лет. В 1740‑х годах машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла за неделю. И все‑таки ее КПД был чрезвычайно низок.

Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие предложения тканей и стремительно возрастающего спроса привлекло лучшие конструкторские умы к разработке прядильных и ткацких машин. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса. Но созданные ими прядильные и ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (именно этого не могло обеспечить водяное колесо) приводил станки в однонаправленное вращательное движение. Вот здесь‑то во всем своем блеске предстал талант знаменитого инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Уатта.

Уатт родился в шотландском городке Гринок в семье кораблестроителя. Работая учеником в мастерских в Глазго, за первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравировщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов. По совету дяди‑профессора Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь Уатт начал работать над паровыми машинами.

Джеймс Уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем‑то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. В 1765 г. Уатт пришел к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших паро‑атмосферную машину в паровую. Например, он изобрел шарнирный механизм – «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев – рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно‑поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.

В 1776 г. машина Уатта прошла испытания. Ее КПД оказался вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. В 1782 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно‑поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась на прядильных и ткацких фабриках, а позже и на других промышленных предприятиях. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.

Паровая машина Уатта поистине стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не ограничился. Соседи не раз с удивлением наблюдали за тем, как Уатт гоняет по лугу лошадей, тянущих специально подобранные тяжести. Так появилась единица мощности – лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.

К сожалению, финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически кабальный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, потерпевшим вскоре полный финансовый крах.

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях , локомотивах , на паровых судах, тягачах , паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания , паровыми турбинами , электромоторами и атомными реакторами , КПД которых выше.

Паровая машина в действии

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии - это так называемая «баня Герона», или «эолипил». Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в несложных приспособлениях.

Первые промышленные двигатели

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Сейвери в 1698 году . На своё устройство Сейвери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель», который был первым паровым двигателем, на который мог быть коммерческий спрос. Это был усовершенствованный паровой двигатель Сейвери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Ньюкомен, возможно, базировался на описании экспериментов Папена, находящихся в Лондонском королевском обществе , к которым он мог иметь доступ через члена общества Роберта Гука , работавшего с Папеном.

Схема работы паровой машины Ньюкомена.
– Пар показан лиловым цветом, вода - синим.
– Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые - красным

Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым усовершенствованием было автоматизация действия клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда рассказывает, что это усовершенствование было сделано в 1713 году мальчиком Хэмфри Поттером, который должен был открывать и закрывать клапаны; когда это ему надоедало, он связывал рукоятки клапанов верёвками и шёл играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система регулирования, приводимая от механизма самого двигателя.

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. Уатт добавил к двигателю Ньюкомена ещё несколько важных деталей: поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движения поршня во вращательное движение приводного колеса.

На основе этих патентов Уатт построил паровой двигатель в Бирмингеме . К 1782 году паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволил передать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых машин поршень был связан с коромыслом, а не непосредственно с шатуном. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм , или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.

Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: "fardier à vapeur" (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем . Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход , построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7-8 миль в час . Пароход Дж. Фитча не был коммерчески успешным, поскольку с его маршрутом конкурировала хорошая сухопутная дорога. В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта для привода первого коммерчески успешного парохода. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив , построенный Ричардом Тревитиком.

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.

Вакуумные машины

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными » или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов , во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века . Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Сжатие

Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку» , замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Опережение

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.

Простое расширение

Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.

Компаунд

В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.

Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа . В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

• Перекрёстный компаунд - Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
• Тандемный компаунд - Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
• Угловой компаунд - Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте . Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.

Множественное расширение

Упрощённая схема паровой машины с тройным расширением.
Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через машину, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).

Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четверного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.

Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.

Прямоточные паровые машины

Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.

Прямоточные паровые машины бывают как одинарного, так и двойного действия.

Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии . Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.

Другие типы паровых двигателей

Применение

Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Паровой молот

Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба

Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:

• Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов , паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
• Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях , а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.

Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.

Транспортные машины

Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:

• Сухопутные транспортные средства:
  • Паровой автомобиль
  • Паровой трактор
  • Паровой экскаватор, и даже
• Паровой самолёт.

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.

Преимущества паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.

Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга , которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) -х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т.д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты , содержащейся в топливе . Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен

ПАРОВАЯ МАШИНА - тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня.

Ра-бо-чий про-цесс паровой машины обу-слов-лен пе-рио-дическими из-ме-не-ния-ми дав-ле-ния па-ра в ци-лин-д-ре (пар, по-сту-паю-щий в ци-линдр паровой машины, рас-ши-ря-ет-ся и пе-ре-ме-ща-ет пор-шень). Воз-врат-но-по-сту-пательное дви-же-ние порш-ня пре-об-ра-зу-ет-ся с по-мо-щью кри-во-шип-но-го ме-ха-низ-ма во вра-щательное дви-же-ние ва-ла. В паровой машине двой-но-го дей-ст-вия (по-вы-ша-ет ско-рость ра-бо-ты, улуч-ша-ет плав-ность хо-да) пар, с по-мо-щью си-сте-мы па-ро-рас-пре-де-ле-ния, по-оче-рёд-но по-да-ёт-ся по обе сто-ро-ны ци-ли-нд-ра, от-ра-бо-тан-ный пар с дру-гой сто-ро-ны вы-хо-дит в ат-мо-сфе-ру или в кон-ден-сат. Для сни-же-ния те-п-ло-вых по-терь ци-линдр паровой машины ок-ру-жа-ет-ся па-ро-вой ру-баш-кой (ка-ме-ра для под-дер-жа-ния при-мер-но по-сто-ян-ной температуры сте-нок ци-лин-д-ра).

Паровые машины раз-де-ля-ют-ся по на-зна-че-нию - на ста-цио-нар-ные, не-ста-цио-нар-ные (пе-ре-движ-ные и транс-порт-ные); по ис-поль-зуе-мо-му па-ру - низ-ко-го дав-ле-ния (до 1,2 МПа), среднего дав-ле-ния (до 6 МПа), вы-со-ко-го дав-ле-ния (свыше 6 МПа); по чис-лу обо-ро-тов ва-ла - ти-хо-ход-ные (до 50 об/мин), бы-ст-ро-ход-ные (до 1000 об/мин); по дав-ле-нию вы-пус-кае-мо-го па-ра - кон-ден-са-ци-он-ные (дав-ле-ние в кон-ден-са-то-ре 0,01-0,02 МПа), вы-хлоп-ные (дав-ле-ние 0,11-0,12 МПа), те-п-ло-фи-кационные с от-бо-ром па-ра на на-гре-вательной це-ли или для па-ро-вых тур-бин (дав-ле-ни-ем от 0,12 МПа до 6 МПа) в за-ви-си-мо-сти от на-зна-че-ния от-бо-ра (например, ото-пле-ние, ре-ге-не-ра-ция, тех-но-ло-гические про-цес-сы); по рас-по-ло-же-нию ци-лин-д-ров - го-ри-зон-таль-ные, на-клон-ные, вер-ти-каль-ные; по чис-лу ци-лин-д-ров - од-но-ци-лин-д-ро-вые, мно-го-ци-лин-д-ро-вые, сдво-ен-ные, стро-ен-ные и другие, в ко-то-рых ка-ж-дый ци-линдр пи-та-ет-ся пер-вич-ным па-ром од-них и тех же па-ра-мет-ров (вклю-че-ны па-рал-лель-но). Раз-ли-ча-ют паровые машины мно-го-крат-но-го рас-ши-ре-ния, в ко-то-рых пар по-сле-до-ва-тель-но рас-ши-ря-ет-ся в 2, 3, 4 ци-лин-д-рах воз-рас-таю-ще-го объ-ё-ма, пе-ре-хо-дя из ци-лин-д-ра в ци-линдр че-рез так называемые ре-си-ве-ры (кол-лек-то-ры). Осо-бую груп-пу со-став-ля-ют пря-мо-точ-ные паровые машины, в ко-то-рых вы-пуск па-ра из по-лос-ти ци-лин-д-ра осу-ще-ст-в-ля-ет-ся кром-кой порш-ня (че-рез до-пол-нительное ок-но, от-кры-ваю-щее-ся порш-нем в кон-це ка-ж-дой фа-зы, че-рез ко-то-рое пар по-ки-да-ет ци-линдр), что по-вы-ша-ет эф-фек-тив-ность ма-ши-ны.

Пер-вое из-вест-ное уст-рой-ст-во, при-во-ди-мое в дви-же-ние па-ром (эо-ли-пил), бы-ло опи-са-но Ге-ро-ном Алек-сан-д-рий-ским . Пер-вые опы-ты с па-ром в ка-че-ст-ве сред-ст-ва для при-во-да про-во-ди-лись ещё в XVII веке. В 1680 году Д. Па-пен изо-брёл па-ро-вой ко-тёл, в 1698 году Т. Се-ве-ри изо-брёл паровую машину для от-кач-ки во-ды из шахт (па-ро-вой на-гне-та-тель-но-вса-сы-ваю-щий на-сос). В 1707 году на-сос Се-ве-ри был вы-писан Пет-ром I и ус-та-нов-лен в Лет-нем са-ду в Санкт-Пе-тер-бур-ге для по-да-чи во-ды в фон-тан.

Со-вер-шен-ст-во-ва-ние и ин-тен-сив-ное ис-поль-зо-ва-ние паровой машины на-ча-лось с XVIII века, ко-гда основной не-дос-та-ток гид-ро-си-ло-вых ус-та-но-вок (за-ви-си-мость от ме-ст-ных ус-ло-вий) стал пре-пят-ст-во-вать раз-ви-тию ме-тал-лур-гических пред-при-ятий, вне-дре-нию в про-изводство пря-диль-ных, ткац-ких ма-шин и других. В 1712 году Т. Нью-ко-мен изо-брёл паровую машину для при-во-да шахт-ных на-со-сов. В Рос-сии паровая машина Нью-ко-ме-на бы-ла ус-та-нов-ле-на в 1772 году в Крон-штад-те для от-кач-ки во-ды из до-ка. Пер-вая в Рос-сии паровая машина по-строе-на И.И. Пол-зу-но-вым в 1764-1766 годы для при-во-да воз-ду-хо-дув-ных ме-хов пла-виль-ных пе-чей. Пер-вая паровая машина как уни-вер-саль-ный дви-га-тель впер-вые соз-да-на Дж. Уат-том в 1774-1784 годы. В Рос-сии Паровую машина Уат-та впер-вые ста-ли из-го-тов-лять под руководством К.К. Гас-кой-на на Алек-сан-д-ров-ской ма-ну-фак-ту-ре в 1805; од-на из ма-шин мощ-но-стью 60 л. с. (44,1 кВт) в 1820 году бы-ла по-став-ле-на на Санкт-Пе-тербургский мо-нет-ный двор. На-чи-ная с 1820 года Е.А. и М.Е. Че-ре-па-но-вы по-строи-ли около 20 паровых машин мощ-но-стью от 2 до 60 л. с. (от 1,47 до 44,1 кВт). Паровые машины ис-поль-зо-ва-лись как при-вод-ной дви-га-тель в на-сос-ных стан-ци-ях, па-ро-во-зах, па-ро-хо-дах, па-ро-вых ав-то-мо-би-лях и других транс-порт-ных сред-ст-вах.

Паровая машина уже ко 2-й половине XIX века дос-тиг-ла вы-со-кой сте-пе-ни со-вер-шен-ст-ва. За 100 лет раз-ви-тия мощ-ность паровой машины по-вы-си-лась от 5-10 л. с. (3,68-7,35 кВт) до 20000 л. с. (14,7 МВт); дав-ле-ние по-да-вае-мо-го па-ра от 0,01 МПа до 12 МПа; температура па-ра от 100 до 400 °C; чис-ло обо-ро-тов от 20-30 до 1000 об/мин.

Од-на-ко в середине XX века паровые машины бы-ли вы-тес-не-ны дви-га-те-ля-ми внутреннего сго-ра-ния, па-ро-вы-ми тур-би-на-ми, кпд ко-то-рых вы-ше. В сво-ём раз-ви-тии паровые машины спо-соб-ст-во-ва-ли по-яв-ле-нию но-вых об-лас-тей зна-ния; со-здан-ные на ос-но-ве про-из-водственного опы-та паровые машины по-ста-ви-ли пе-ред учё-ны-ми ряд во-про-сов, раз-ре-ше-ние ко-то-рых соз-да-ло но-вую нау-ку - тех-ническую тер-мо-ди-на-ми-ку.

Видный естествоиспытатель XVIII века, член-корреспондент, а потом ординарный член Петербургской Академии наук, Эрик Лаксман писал 11 февраля 1765 года с :

«…Другой, с чем наибольше имею знакомство, есть горный … Он строит теперь огневую машину, совсем отличную от венгерской и английской. Машина сия будет приводить в действие мехи или цилиндры в плавиль­нях посредством огня; какая же от того последует выгода! Со временем в России, если потребует надобность, можно будет строить заводы на высоких горах и в самих даже шахтах».К середине XVIII века на отечественных рудниках работы велись почти исключительно вруч­ную, а если и применялись механизмы (вороты и т.д.), то с мускульны­ми приводами. Примером может служить .

Змеиногорский рудник счи­тался тогда основным местом добычи серебряных руд. В основном на руднике применялись ручные вороты для подъема добытой руды на поверхность. Применение первых вододействующих механизмов на Змеиногорском руднике (вернее на заводах, связанных с этим рудником) относит­ся к концу 40-х годов XVIII века. А в 1752 году на одной из шахт начал строиться конный ворот; на остальных шахтах еще долгое время применяли ручные вороты.

На Колыванском заводе в конце 30-х годов XVIII века имелось только шесть во­дяных колес. Они обслуживали семь пар воздуходувных мехов, три тол­чеи и одну лесопильную раму.

На Барнаульском заводе также значительная часть операций произво­дилась вручную. Примером может служить кузнечный цех, в котором совсем отсутствовали вододействующие механизмы. Но в других цехах было немало водяных двигателей. В 1751 году там действовало 14 водяных колес. Они обслуживали восемь пар воздуходувных мехов, два молота, два мельничных постава для размола зерна, одну «мусорную толчею» и одну «пильную мельницу», т.е. всего 20 рабочих машин. На Барнауль­ском заводе лишь одни воздуходувные мехи были сгруппированы по две пары на водяное колесо, остальные рабочие машины имели каждая свой двигатель.

Объем рудничных работ, проводимых на Алтайских горных заводах, и их сложность возрастали, что требовало применения более совершенных технических средств.

Вентиляция подземных выработок осуществлялась через стволы шахт или через специальные вертикальные смотровые и вентиляционные ходы. Насыщенный пороховыми газами, сырой, спертый воздух близ за­боя содержал, помимо того, много рудной пыли, в состав которой вхо­дила вредная медная зелень и другие еще более ядовитые частицы. Чем глубже опускались подземные выработки, тем труднее было сдержать напор грунтовых вод, борьбу с которыми на всех этажах вели при помо­щи ручных насосов.

Тяжело было работать в забое, но еще быстрее изматывала людей работа у рукояток водяных насосов. Ее нельзя было прекращать, нельзя было делать даже кратковременных передышек. Лишь с напряжением всех сил удавалось работным людям держать на одной отметке уровень воды, стекающей со всех сторон в особые углубления, из которых воду поднимали с яруса на ярус.

Чем дальше углублялись выработки, тем все большее число работ­ников требовалось для обслуживания ручных насосов. При помощи та­ких примитивных технических средств становилось все труднее предот­вращать скопление воды в местах производства работ. В нижних гори­зонтах работа приостанавливалась в летнее время, так как их затопляла грунтовая вода.

Рудники представляли собой лабиринт шахт и галерей, идущих под разными уклонами. Там легко можно было заблудиться. Скудное осве­щение и крутые повороты подземных ходов сильно снижали производи­тельность труда, приводили к частым увечьям. Выработанные простран­ства заваливались «пустой» породой, к которой относили руды, содержа­щие менее 0,08% серебра на пуд руды.

Иногда горняки попадали в слои раздробленного камня и глины, и их засыпало породой. В большинстве случаев приходилось применять крепление, а крепежный лес спускать при помощи тех же ручных воро­тов, которыми поднимали руду на поверхность земли.

Узенькие лестницы без пе­рил почти вертикально опускались в те самые шахтные стволы, по которым поднималась в бадьях руда ручными воротами. Между лестницами и той частью стволов, где двигались бадьи, не было даже ограждения. Каждый пролет заканчивался небольшой площадкой. Спуск по многочисленным вертикальным лестницам, облепленным грязью, а зимой покрытым ледяной коркой, был очень изнурителен и опасен. Все это мало беспокоило администра­цию рудника. Лишь после не­скольких несчастных случаев производили технический ос­мотр, но и тогда ограничива­лись заменой лишь отдельных ступеней.

На многочисленных алтайских «приисках», как называли места закладок пробных шахт для разведки найденного месторож­дения, часто отсутствова­ли и ручные вороты, а руда поднималась попросту верёвкой, к концу которой привеши­валась бадья. Столь же при­митивным способом удалялась и грунтовая вода. Спуск в по­добные шурфы напоминал ла­зание по вертикальным скалам. Он осуществлялся при помощи шестов, и лишь с глубины 5-6 метров ставились лестницы.

В 1760 году в России было опубликовано руководство для металлургов и горняков под названием «Обстоятельное наставление рудному делу». Автор – руководитель канцелярии монетного департамента Иван Андреевич Шлаттер (до переезда в Россию — Иоганн-Виль­гельм Шлаттер, 1708-1768) — видный специалист в области горного дела, металлургии, пробирного и монетного дела. Поскольку написанное задолго до этого, но оставшееся в рукописи, аналогичное руководство М.В. Ломоносова было издано лишь три года спустя, книга Шлаттера явилась первым пособием такого рода. В этой книге было впервые дано изображение и подробное описание на русском языке паровой машины для откачки воды из шахт.

В 1761 году руководство Колывано-Воскресенских рудников обязало своих горных офи­церов (которых в то время называли на немецкий манер «шихтмейстерами») изучать эту работу Шлаттера.

Одним из таких горных инженеров был . После огромной подготовительной исследовательской работы, кото­рой Ползунов мог заниматься лишь урывками в немногие свободные часы, он подал в апреле 1763 года начальнику Колывано-Воскресенских заводов А.И. Порошину докладную записку, предлагающую начать широкое применение паровых («огнедействующих») машин, а также чертеж и описание такой машины, предна­значенной для заводских целей.

Первые проекты использования силы пара для приведения в дейст­вие различных механизмов встречаются в работах многих изобретате­лей XVII века. Одни, как например С. де Ко во Франции или Э. Сомерсет, известный также под именем маркиза Ворчестера (по английскому про­изношению Вустера) в Англии, проектировали сосуды, вода из которых должна была бить фонтаном под действием пара, давящего на поверх­ность воды. Другие предлагали использовать струю пара для вращения своеобразной турбины (итальянец Дж. Бранка).

Как говорил Ф. Энгельс: «Паровая машина была первым действительно интернациональным изобретением, и этот факт в свою очередь свидетельствует об огромном историческом прогрессе».

В создании первых паровых машин к концу XVII века видную роль сыграли проекты и опыты талантливого изобретателя Дени Папена, француза по происхождению, долго жившего в Англии и Германии и сотрудничавшего там с выдающимися учеными.

Решающие опыты Папена были произведены в Германии и связаны с теоретическими трудами знаменитого Лейбница, с которым Папен поддерживал переписку на протяжении ряда лет. Папен первый пред­ложил паровую поршневую машину (в 1690 г.), где, однако, паровой котел, цилиндр и конденсатор не были отделены один от другого (вода и кипятилась и охлаждалась в рабочем цилиндре). Кстати, Папен пред­полагал, что новый двигатель может быть применен не только «к подъе­му воды или руды из шахт», но и «для продвижения судов против ветра» и «для множества других подобных вещей». Но ни этот, ни последующие (например, предложенные в 1705-1706 годах) проекты и модели Папена практического примене­ния не получили.

В 1698 году английский инженер Томас Севери построил первую практически применимую паровую машину («огневой насос ») своеобразной конструкции. Изо­бретатель назвал ее «друг горняка». Ма­шины Севери имели очень узкое назначение — откачку воды из подземных выра­боток, хотя теоретически Севери допускал возможность применения «огнедействующей» машины и для других нужд.

В машине Севери котел был отделен от рабочего сосуда, но работа пара, пере­гонявшего воду из сосуда вверх по трубе непосредственным давлением на ее по­верхность, и его конденсация происходи­ли в одном и том же сосуде. Ни цилиндра, ни поршня в машине не было. Машина такого типа и была первой паровой ма­шиной, появившейся в России. В 1717- 1718 годах Петр I выписал из Англии маши­ну системы Севери, усовершенствованную физиком Жаном-Теофилем Дезагюлье . Этот «огневой насос», сферический котел которого вмещал 5-6 бочек воды, упот­реблялся для пуска фонтанов в Летнем саду.

В 1711-1712 годах английский изобретатель, кузнечный мастер Томас Ньюкомен построил совместно с Джоном Колли (или Коули) первую паровую (точнее пароатмосферную) поршневую машину.

Двигатель Ньюкомена предназначался вначале также лишь для откачки воды. Посредством балансира он соединен был с насосной уста­новкой. Двигатель представлял собой пароатмосферную машину. В от­крытом сверху вертикальном цилиндре двигался поршень. Движение поршня вверх (холостой ход) совершалось под действием пара, посту­пающего под поршень из котла, расположенного под цилиндром. Подъе­му поршня содействовал также вес насосной штанги и добавочного груза, подвешенного на противоположном конце балансира. Движение поршня вниз (рабочий ход) совершалось силой атмосферного давления после того, как пар под поршнем охлаждался путем вбрызгивания в ци­линдр (под поршень) холодной воды.

Даже после усовершенствований, внесенных в конструкцию машины Ньюкомена Г. Бейтоном, Дж. Смитоном и, наконец, знаменитым англий­ским изобретателем Джемсом Уаттом в 1769-1774 годах, паровая машина Ньюкомена сохраняла это узкое назначение.

«…Паровая машина в том виде, как она была изобретена в конце XVII века, в мануфактурный период, и просуществовала до начала 80-х годов XVIII века, не вызывала никакой промышленной революции », — подчеркивал К. Маркс.

И на Урале еще в 50-х годах XVIII века ставился вопрос о применении паровой машины (по-видимому, системы Ньюкомена) для откачки воды из шахт. Так, например, канцелярия Гумешевского медного рудника весной 1752 года обратилась в Берг-коллегию с просьбой затребовать из Академии наук модель машины, которая «чрез огонь из глубоких ям воду вытягивает», а также «аккуратное об ней описание». Впрочем, это начинание осталось неосуществленным.

До весны 1763 года нигде в мировой практике паровые («огнедействую щие») машины не применялись для непосредственного приведения в движение каких-либо заводских или транспортных механизмов , хотя теоретически такая возможность допускалась, как мы видели, Д. Папеном и Т. Севери, а также и некоторыми позднейшими конструкторами, например Дж. Хэллзом (Гулльзом) в Англии или И.-Э. Фишером в Германии в 30-х годах XVIII века.

В тех случаях, когда (к середине XVIII века) делались отдельные по­пытки использовать силу «огня» (пара) для приведения в действие за­водских механизмов (сверлильных станков, воздуходувок и т.д.), паро­вую машину (системы Севери или Ньюкомена) заставляли поднимать воду в резервуар, а затем пускали эту воду на колесо, которое приво­дило в движение данный механизм.

В докладной записке к своему первому проекту 1763 году Ползунов выдвинул поразительное по смелости предложение - заменить всю си­стему водяных двигателей на заводах «огненными», т.е. паровыми дви­гателями, тем самым «облегчая труд по нас грядущим».

Проектируя свою паровую машину для различных заводских целей, Ползунов стремился прежде всего разрешить конкретные запросы алтай­ского и вообще русского горнометаллургического производства. В связи с необходимостью постройки алтайских заводов непременно на реках, часто вдали от рудников и лесов, увеличивались трудности перевозки руды и угля. Именно в период 1762-1763 годов Колывано-Воскресенское горное начальство получило задание построить ряд новых заводов. Между тем было трудно найти места, где бы имелись и рудные место­рождения, и леса (древесное топливо), и которые были бы вместе с тем удобны для создания крупных водохранилищ.

Ползунов настойчиво стремился найти способ строить заводы в лю­бом безводном месте. Начиная свою докладную записку с анализа основных недостатков горного дела в России, он подчеркивал, что необ­ходимость строить заводы на реках ограничивает возможность строи­тельства новых заводов и вызывает огромные дополнительные расходы государственных средств.

Ползунов подчеркивал, что он замыслил «сложением огненной ма­шины водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничто­жить, а вместо плотин за движимое основание завода ее (паровую ма­шину) учредить так, чтобы она была в состоянии все наложенные на себя тягости, каковы к раздуванию огня обычно в заводах бывают потребны, носить и по воле нашей, что будет потребно, исправлять (здесь в смысле исполнять)… Дабы сей славы (если силы допу­стят) Отечеству достигнуть и чтоб во всенародную пользу… в обычай, ввести».

Докладная записка 1763 года показывает также, что скромный алтай­ский шихтмейстер, непрестанно отвлекаемый текущими поручениями, ничего общего не имеющими с изобретательством и с науками, успел приобрести солидные практические и теоретические знания. Он трезво оценивал, например, состояние литературы о паровых машинах, говоря, что «действие огненных машин должно более примечаниями (наблюдениями) и опытами, нежели в тягостях (в расчетах нагрузок) — механическими, а в фигурах — геометрическими доводами, утверждать и теоретически доказывать».

Он правильно отмечал отставание современной ему теории от прак­тики «особливо в воздушных и огненных делах», т. е. в области учений о газах и о теплоте. Теоретические замечания Ползунова показывают, что он был в курсе борьбы научных мнений о природе тепловых явлений. Ему было знакомо как старое учение о теплороде, так и новая молекулярно-кинетическая теория теплоты, главным представителем которой в России был М.В. Ломоносов.

Круг литературных источников, использованных Ползуновым, нам мало известен (на русском языке в то время имелась лишь одна книга, содержавшая беглое упоминание об использовании паровых двигателей для откачки воды из шахт: Г. Крафт «Краткое руководство и познания простых и сложных машин, сочинённое для употребления российского юношества», СПб, 1738). Несомненно лишь, что изобретатель изучал вышедшую в 1760 году книгу И.А. Шлаттера «Обстоятельное наставление рудному делу», где на страницах 150-169 давалось описание паровой (точнее - пароатмосферной) машины Ньюкомена с соответствующими рисунками. Шлаттер в свою очередь позаимствовал это описание из книги фран­цузского инженера Б.-Ф. Белидора «Гидравлические сооружения» (1739). О знакомстве Ползунова с некоторыми трудами Ломоносова можно лишь высказывать предположения.

В своем проекте Ползунов, и в этом его огромная историческая заслуга, впервые дал подробное описание оригинальной паровой (точ­нее — пароатмосферной) машины, позволявшей осуществлять непрерыв­ность отдачи работы, а потому пригодной для применения в различных заводских операциях. Описание сопровождалось тщательными расчета­ми и чертежами машины во всех ее деталях.

Канцелярия Колывано-Воскресенского горного начальства во главе с Порошиным, рассмотрев 25 апреля 1763 года представленные Ползуно­вым документы, одобрила проект, хотя с оговорками и сомнениями («сумнительствами»), особо подчеркнув, что осуществление замысла изобретателя позволит «избегнуть против нынешнего знатных расходов, а именно строения чрез великую сумму на реках плотин», и что если «сверх сомнения» Ползунов построит машину, то она «не столько при одних здешних, но и при многих в России заводах, фабриках и мануфак­турах руководить может с немалою пользою».

Затем проект Ползунова с заключением Канцелярии послан был на заключение Шлаттеру. Последний также выдвинул против предложений изобретателя ряд оговорок, возражений и «сумнительств». В целом же Шлаттер приходил к положительному выводу и рекомендовал «велеть такую машину, какую он (Ползунов) проектировал, построить и в действие производить, дабы практикою теорию свою подтверждала». Он одобрил намерение Канцелярии поощрить изобретателя производст­вом в чин горного механика («берг-механикуса») и денежной наградой.

Екатерина II утвердила это решение и «великодушно» пожаловала Ползунову 400 р., которые, однако, были доставлены изобретателю, когда он лежал уже на смертном одре.

К марту 1764 года Ползунов разработал подробный второй проект па­рового двигателя несколько иной конструкции, позволившего непосред­ственно приводить в действие воздуходувные мехи при сереброплавиль­ных печах.

В январе 1764 года заводское начальство вынесло решение о приме­нении машин системы Ползунова — как при Барнаульском заводе, так и на Новолазурском и Семеновском рудниках. Возможно, что на эти рудники предполагалось перенести барнаульскую машину.

Для производства деталей паровой машины Ползунов сконструиро­вал ряд станков — токарных и др. — с водяным приводом.

К числу серьезных ошибок, нередко повторявшихся в литературе о Ползунове, принадлежит утверждение, будто изобретатель был одиноч­кой и создавал все свои гидротехнические и теплотехнические установ­ки единолично.

Верно, конечно, что круг помощников Ползунова был еще узок. Но такие помощники были. Да было бы и физически невозможно одному человеку сооружать огромную по тем временам паровую машину.

К «механикусу» Ползунову было прикомандировано четыре учени­ка - Дмитрий Левзин, Федор Овчинников, Иван Черницын и Петр Вятченин, мастер по расковке меди Филат Медведев и отставной мастеро­вой Спиридон Бобровников.

19 марта 1764 года Ползунов просил также прикомандировать еще следующих мастеров по литейному делу: плавильщиков («шмельцеров») Ивана Шевангина, Сергея Трусова, Федора Кирсанова и Ивана Колмина, кузнеца Ефима Материна, обжигальщика Михайлу Густокашина и отставного мастерового Григория Бобровникова; по расковке меди - мастеров Семена Коренева и Козьму Девкина, по меднокотельному, паяльному, кузнечному и слесарному делу - Ивана Клюева, Андрея Зуева, Сафона Васильева и Григория Харитонова; столяров для изго­товления моделей и образцов - Игнатия Речкунова и Степана Худякова, а к ним работников из бочкарей - Ивана Сафонова и Петра Кунгурова. Кроме того, Ползунов просил дать ему чернорабочих из заводских кре­стьян по 40 человек на июль и август и с ними по 10 человек плотников.

Хотя в помощь изобретателю давали меньше людей, чем он просил, но все же частично его ходатайство удовлетворили. Помощники из чис­ла мастеров и чернорабочих у изобретателя были. Особенно значитель­ную роль в постройке машин играли механические ученики Иван Черни­цын и Дмитрий Левзин,

К декабрю 1765 года «огненная машина» была в основном закончена. Ползунов опробовал ее в действии, заменив для этого случая отсутство­вавшие мехи бревнами. Затем приступили к постройке мехов.

Алтайскому механику было несравненно труднее строить паровую машину, чем мастерам Англии, единственной страны, где вообще в то время производились такого рода двигатели.

Еще в первой четверти XVIII века там был создан около Лондона специальный завод для выделки паровых цилиндров и других деталей «огнедействующих» машин. С этого завода посылались и мастера для сборки паровых машин (как правило, одноцилиндровых, системы Ньюкомена). И все же английским теплотехникам второй половины XVIII века (в том числе и Уатту) пришлось сталкиваться с огромными трудностями в деле производства деталей паровых машин, которые зачастую оказы­вались непригодными.

На Алтае не было машиностроительных заводов. Примитивные, поч­ти полностью деревянные машины и механизмы мануфактурных пред­приятий строились и собирались обычными заводскими плотниками столярами, кузнецами и слесарями.

Ползунов должен был создавать не только детали машин (медные, железные, свинцовые, стальные), но и орудия для производства этих деталей.

И он действительно изготовил множество специальных инструмен­тов, сконструировал ряд станков - токарных и других, частично приво­димых в движение силой воды.

Что же представляла собой ползуновская машина - первая паровая машина, для заводских целей построенная в России?

Недалеко от заводского пруда было построено высокое деревянное здание около 19 м высотой, где размещалась огнедействующая машина с котельной установкой, парораспределительным, водораспре­делительным и передаточным механизмами. Часть здания была низкой и вытянутой в длину. Там должны были находиться воздуходувные мехи, обслуживаемые паровой машиной.

Котельная установка занимала нижний ярус основной (высокой) части здания и выступала над полом второго яруса. Медный котел имел внизу вид усеченного конуса, а вверху - полушаровидную форму. Он имел прибор для автоматического питания котла водой и еще несколько остроумных приспособлений, введенных Ползуновым для обеспечения бесперебойной работы котла.

Над котлом, занимая все верхние ярусы здания, размещались ци­линдры паровой машины с водо- и парораспределительными устройст­вами, а также механизм для передачи движения воздуходувным мехам.

«Огнедействующая машина», построенная в 1764-1765 годах, относи­лась в основном к той же системе, которая предусматривалась проектом 1763 года но имела значительно большую мощность — 32 л.с. вместо 1.8 л.с.

Взяв в качестве исходной конструкцию ньюкоменовской пароатмосферной машины, Ползунов запроектировал машину не с одним, а с дву­мя такими цилиндрами. Каждый из этих медных цилиндров имел огром­ные по тем временам размеры - около 3 м в высоту и 0.8 м в диаметре (по проекту 1763 года цилиндры должны были иметь в четыре раза мень­ший диаметр). В цилиндрах двигались железные поршни (как тогда говорили «эмволы»), обтянутые кожей. Техника того времени была еще столь несовершенной, что плотно подогнать поршни к внутренней поверх­ности цилиндров не удавалось. Зазоры достигали 15 мм. С подобной же трудностью сталкивались и западные теплотехники. В цилиндрах их па­ровых машин зазоры были тоже очень велики, и пар то здесь, то там вырывался из них.

Поршни в двухцилиндровой машине Ползунова двигались в проти­воположных направлениях - когда один поднимался, другой опускался. Движение поршней передавалось двум балансирам, которые качались вверх и вниз также в противоположных направлениях (в проекте 1763 года Ползунов предусматривал не балансиры, а шкивно-цепную передачу, но впоследствии отказался от такого устройства). Вторые плечи балансиров должны были соединяться посредством тяг с рукоятками двух воздуходувных мехов.

Только что описанное устройство двухцилиндровой машины с двумя балансирами обеспечивало непрерывное дутье для плавильных печей. Воздухораспределительная и парораспределительная системы машины были устроены в высшей степени остроумно. Хотя, как уже отмечалось, Ползунов был знаком с книгой Шлаттера, а может быть, и с некоторыми другими чертежами созданных к этому времени паровых машин, но его изобретение было новым вкладом в мировую теплотехнику. Это признал и Шлаттер, отметивший в своем заключении: «…Он, шихтмейстер, так похвалы достойною хитростию оную машину умел переделать (по срав­нению с машиной Ньюкомена) и изобразить, что сей его вымысел за новое изобретение почесть должно», потому что Ползунов «вместо того что все в свете находящиеся такие машины одинаки и из одного цилиндра состоят, то он оную на две разделил…»

Итак, замечательное творение первого русского теплотехника было в основном завершено. Оставались лишь некоторые доделки - и маши­на могла войти в строй. Однако судьба самого Ползунова складывалась трагически. За несколько лет до этого у него началось легочное заболе­вание. Постоянная нужда, тяжелая и нервная работа, нередко сопряжен­ная с большой опасностью, способствовали усилению болезни.

Материальные условия жизни Ползунова почти не улучшились и по­сле того, как он стал «механикусом».

Он вынужден был, отказывая себе в самом необходимом, строить за свой счет модель «огнедействующей» машины, которую намеревался послать в Петербург. Впрочем, собрать изготовленные им детали этой модели механик уже не успел.

Болезнь его становилась все более тяжелой. Непомерное физическое и нервное напряжение зимой 1765-1766 годов во время сооружения огром­ной машины усугубило ход болезни. Тридцатисемилетний изобретатель в расцвете творческих способностей, накануне завершения своей замеча­тельной машины почувствовал приближение смерти. И только тогда — 21 апреля 1766 года — продиктовал он своему ученику Ивану Черницыну «челобитную» на имя Екатерины II — потрясающий документ, в котором особенно ярко отразился духовный облик выдающегося русского изобре­тателя — скромного, настойчивого, полного «благородной упрямки» (говоря словами Ломоносова) в достижении основной цели жизни — раз­вития отечественного производства. Механик напоминал там о состояв­шемся в свое время одобрении его проекта «с планом и описанием новой машины», отметив, между прочим, и произвол горного начальст­ва, не выдавшего ему обещанной награды. Он предвидел возможность смерти, «о его больше всего беспокоила судьба машины. Вынужденный просить об увольнении по болезни «от всего того машинного производ­ства», изобретатель подчеркивал, что его ученики Левзин и Черницын при поддержке Порошина и других горных офицеров смогут довести его дело до конца, что Левзин и Черницын поняли устройство машины во всех деталях «и производство знают».

Видимо, заводские чиновники испугались нагоняя из Петербурга за то, что задержали наградные. В тот же день 21 апреля 1766 года они отослали прикованному к постели Ползунову, изнемогавшему от жесто­кого горлового кровотечения, жара и невыносимых болей, 400 рублей серебром. Лекарь Яков Кизинг стал более внимательно, чем прежде, «пользовать» больного. Но было уже поздно. 16 мая 1766 года первый рус­ский теплотехник скончался.

Паровая машина была введена в строй его учениками и соратни­ками, среди которых был другой .

Так оборвалась короткая, но славная жизнь «механикуса» Ползунова, сделавшего первый шаг не только в России, но и во всем мире к созданию такой паровой машины, которая была бы способна «по воле нашей, что будет потребно, исправлять», иначе говоря, к созданию уни­версального парового двигателя. Это дело завершено было в Англии Уаттом пятнадцать лет спустя.

Результаты работы первой русской паровой машины оказались вполне удовлетворительными. Как сообщал Порошин Кабинету рапортом от 29 января 1767 года, с помощью этой машины было проплавлено значительное количество руды, перевозимой со Змеиногорского рудника, причем чистая прибыль от работы парового двигателя составила 11 тыс. рублей. Однако из-за аварии котла (который признавался ненадежным самим Ползуновым) машина в ноябре 1766 года была остановлена и боль­ше не применялась.

Весной следующего 1767 году Д. Левзин и И. Черницын со всеми доку­ментами об окончании ползуновской машины и с моделью ее были от­правлены Порошиным в Петербург. Порошин пытался заинтересовать изобретением покойного механика кабинетное начальство и Академию наук. М.В. Ломоносова уже не было в живых, но в академии работали его ученики. Один из них, математик С.К. Котельников, вскоре возгла­вивший академический музей (кунсткамеру), должен был обучить Д. Левзина математике и механике (для чего решено было приобрести два экземпляра книги Г.В. Крафта «Краткое руководство к познанию простых и сложных машин»). Черницын был сразу же возвращен на Алтай. Машину Ползунова признали полезной. Ее модель поместили в кунсткамере, причем намечено было провести сопоставление работы ползуновской машины (на примере этой модели) с предыдущими конст­рукциями паровых двигателей.

Однако эта инициатива передовых ученых ломоносовской школы, натолкнулась на бездушное, а иногда и просто недоброжелательное отношение горных чиновников.

Они не были заинтересованы в распространении паровых двигате­лей. По их твердому убеждению, на и в других промышленных районах достаточно было дешевого крепостного труда. А если уж прихо­дилось применять какие-то двигатели, кроме ручных, то следовало огра­ничиться более привычными, простыми и недорогими конными и водя­ными двигателями.

В 1768 году А.И. Порошин ушел в отставку. Во главе заводов был по­ставлен горный чиновник Андрей Ирман, сторонник традиционной, ста­рой техники. Д. Левзин был скоро возвращен на Алтай.

Свое мнение о паровых машинах новый начальник Колывано-Воскресенских заводов вполне отчетливо выразил в рапорте от 1 февраля 1768 года: «Вышеписанная машина до сего уже давно оставлена, да и пущать в действо, по изобилию при здешнем заводе воды, за ненужно (за ненужностью) не признавается».

Что касается переноса машины Ползунова на один из двух ранее намеченных рудников, или на какой-либо другой завод (Черницин предлагал это в 1769 году) то и это пред­ложение было отвергнуто Канцелярией «по неимению здесь искусных ремесленников». Нечего говорить, что на Колывано-Воскресенских заво­дах было множество «искусных ремесленников». Мы увидим, что не раз в последующие десятилетия барнаульские механики выступали с замеча­тельными проектами паровых машин разных конструкций и систем, но им не удалось воплотить в жизнь свои замыслы. Горное начальство ни­чего не сделало, чтобы на родине первого русского парового двигателя, на Колывано-Воскресенских заводах, вместо водяных двигателей были введены паровые машины той или иной конструкции.

В 1778 году Ирман обратился в Кабинет с официальной просьбой разобрать ползуновскую машину. Ирман вновь подчеркивал, что в такой машине впредь никогда надобности не будет, «потому что при здешних заводах расплавка руд и получение серебра производится по довольству воды, чрез вододействуемые машины».

В 1780 году при преемнике Ирмана Меллере огромная машина и зда­ние, где она стояла, были разобраны. Медные цилиндры и другие части машины долгое время валялись без всякого присмотра под открытым небом на берегу заводского пруда. Еще в начале XIX века дети, играя у пруда, прятались в эти цилиндры.

Дело смелого новатора не замерло. На Алтае остались его ученики и последователи. Они стремились искать новые решения, соответствую­щие быстро растущему уровню мировой техники.

Попытки обеспечить непрерывность работы двигателя путем сочета­ния двух пароатмосферных цилиндров, делавшиеся в последующие годы и в других странах (например, Н.-Ж. Кюньо во Франции, Фальком в Англии), характерны для первого этапа разработки проектов универ­сальной паровой машины.

Второй и решающий этап борьбы за создание универсальной паро­вой машины относится уже к началу 80-х годов. Он связан прежде всего с деятельностью знаменитого английского механика Джемса Уатта.

Передовые русские теплотехники конца XVIII и начала XIX веков исхо­дили уже в своем творчестве из достижений Уатта. Однако при всех преимуществах второй паровой машины Уатта по сравнению с «огнедействующей машиной» Ползунова необходимо еще раз подчеркнуть, что Ползунов задолго до Уатта в тяжелых условиях крепостного Алтая выступил как пионер в деле создания универсального парового двига­теля для заводских целей .

А потому совершенно прав был Эрик Лаксман, давший оценку дея­тельности Ползунова в словах: « ».

Литература:

1. .- М.: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1962

Поставить пар на службу человечеству люди смогли лишь в самом конце XVII века. Но еще в начале нашей эры древнегреческий математик и механик Герон Александрийский наглядно показал, что с паром можно и нужно дружить. Наглядным подтверждением тому стал Героновский эолипил, фактически, первая паровая турбина - шар, который вращался силой струй водяного пара. К великому сожалению, многие удивительные изобретения древних греков на долгие столетия были прочно забыты. Лишь к XVII столетию относится описание чего-то, похожего на паровую машину. Француз Соломон де Ко (Salomon de Caus), бывший одно время строителем и инженером у Фридриха V Пфальцского, в своем сочинении от 1615 года описал полый железный шар с двумя трубками: принимающей и выводящей жидкость. Если наполнить шар водой и подогреть, то по второй трубке вода начнет подниматься наверх, повинуясь воздействию паров. В 1663 году уже англичанин Эдвард Сомерсет (Edward Somerset), маркиз Уорчестерский, написал брошюру, в которой рассказал о машине, могущей поднимать воду наверх. Тогда же Сомерсет получил патент ("привилегию") на описанную машину. Как видим, все мысли изобретателей Нового времени вращались вокруг выкачивания воды из шахт и копей, что, надо отметить, проистекало из насущной задачи. Поэтому неудивительно, что следующие три изобретателя, о которых пойдет речь ниже, также были в первую очередь озабочены созданием паровой машины для откачки воды. Ближе к самому завершению XVII века два человека в Европе результативнее других работали над укрощением пара - Дени Папен (Denis Papin) и Томас Сэйвери (Thomas Savery).

"Огненная" машина Сэйвери.

"Паровая телега" Кюньо.