Уатт и Кулибин

Владимир Кузавков

Уатт и Кулибин

Введение

Основное содержание этой книги составляют жизнеописания двух великих изобретателей- английского – Джеймса Уатта (1736 – 1819 гг.) и русского – Ивана Петровича Кулибина (1735 – 1818 гг.). На примере этих и других судеб изобретателей мне хотелось привлечь внимание к самоотверженному, поистине героическому труду изобретателей, показать, какие препятствия приходится преодолевать каждому из них, прежде чем их труд и изобретения получат общественное признание. Мне хотелось подчеркнуть, что талант изобретателя быстрее преодолевает инерцию общества, если он сочетается с талантом предпринимателя, организатора производства, и это относится к любой общественной формации, в том числе к условиям современной России. Примером Боултона, верного соратника Джеймса Уатта, мне хотелось увлечь наших предпринимателей на путь поддержки отечественных изобретателей и конструкторов, чтобы на основе отечественных изобретений создавать широкомасштабные производства, ориентированные на разработку отечественных ресурсов.

Кроме того, сопоставление судеб Уатта и Кулибина позволяет ответить на вопрос, почему паровая машина двойного действия – первый генератор искусственно вырабатываемой энергии – была создана не в России, а в Великобритании. Почему выдающийся русский изобретатель, безусловно превосходивший по своему таланту Джеймса Уатта, не смог внедрить свои изобретения в производство и умер в нищете, забытый современниками, а английский изобретатель добился всего, о чём мечтал: богатства, славы, почёта?

Я надеюсь убедить читателя, что главным в деятельности изобретателя является не удачная идея, положенная в основу изобретения, а внедрение этой идеи, воплощённой в новой машине или приспособлении, в широкое использование. Только тот изобретатель добивается успеха, который смог широко распространить своё изобретение. Я постараюсь показать на примерах Уатта и Кулибина, а также некоторых других изобретателей, каких трудов, титанических усилий, изворотливости ума, настойчивости это стоит.

Мы всё ещё живём под грузом представлений советской эпохи о том, что общественный строй, материальные условия, предопределяют судьбу человека. Жизнь и творчество Джеймса Уатта опровергают эти расхожие представления. Какими бы ни были неблагоприятными условия нашей жизни, всегда можно найти выход из них, какими бы ни были неблагоприятные тенденции, достаточно одной счастливой случайности, чтобы их преодолеть.

Советские историки техники, такие как И.Я. Конфедератов, С.В. Шухардин и другие, доказывали, что паровая машина – интернациональное изобретение, закономерно появившаяся в Англии. Эта книга показывает, как неоднократно судьба этой машины целиком и полностью зависела от случайностей. Никто, кроме Уатта, не был в состоянии изобрести универсальный паровой двигатель, его знаменитую паровую машину двойного действия.

Извечная российская отсталость от Запада вот уже на протяжении трёх столетий волнует лучших представителей нашего народа. Каких только причин не высказывалось в объяснение этой отсталости! И монголо-татарское иго, и крепостное право, и Великая отечественная война, и много, много других. Эта книга покажет читателю, как и почему Россия отстала от Запада в создании и использовании парового двигателя, в переходе от водяного колеса и предприятий мануфактурного типа к первому поколению индустриальной техники и фабрично-заводской машинной индустрии. Правда, для этого придётся ненадолго заглянуть в далёкое прошлое, в римскую эпоху и Средневековье, проследить историю паровой машины с самых истоков.

Сейчас наша историческая наука освобождается от многих догматов советской эпохи. В том числе настало время показать истинное отношение царского правительства к отечественным учёным и изобретателям. Я постараюсь показать, что царское правительство поддерживало И.П. Кулибина (а также И. И. Ползунова) в их изобретательской деятельности и почему они потерпели крах, несмотря на эту поддержку.

В нашем народе всё ещё сильны иждивенческие настроения и враждебное отношение к предпринимательству. Мы всё ещё считаем, что государство обязано предоставить нам работу и социальное обеспечение, а предпринимателей считаем спекулянтами, эксплуататорами, захватчиками, присвоившими государственную собственность, и т.д. история изобретательства учит, что предприниматель – лучший друг и соратник изобретателя. Счастлив тот изобретатель, который, как Джеймс Уатт, встретил на своём пути талантливого Боултона, предоставившего ему свой капитал и производственные мощности, свой талант организатора нового производства на базе изобретения, предоставленного ему изобретателем. И трагически несчастен тот изобретатель, который, как И.П. Кулибин, не нашёл предпринимателя, согласившегося перевозить грузы на изобретённом им водоходе. Пока мы не поймём, что предприниматель – это труженик, достойный уважения, нам не преодолеть нашей отсталости. Русский народ должен стать таким же предприимчивым, как английский и другие народы передовых стран. Если эта книга поможет убедить вас в этом, я буду считать свою задачу выполненной.

Часть первая

Создание парового двигателя

Джеймс Уатт

Производство энергии является коренной чертой, отличающей фабрично-заводскую машинную индустрию от всех предшествующих стадий производства. Ремесло и мануфактура базировались на естественных силах природы: на мускульной силе человека и животных, на силе ветра (парус и ветряная мельница) и на силе быстро текущей или падающей воды (нижнебойное и верхнебойное водяное колесо). Фабрично-заводская машинная индустрия начинает сама вырабатывать энергию, которую затем использует для работы своих машин и механизмов. Первым видом такой вырабатываемой человеком искусственной энергии была энергия пара.

Родиной первых энергетических машин, первых паровых машин, как и родиной каменноугольной чёрной металлургии явилась Великобритания. Проследим подробнее, как создавался и совершенствовался паровой двигатель, и как расширялась сфера его применения в ведущих отраслях английской промышленности.

Основная заслуга в создании парового двигателя принадлежит Джеймсу Уатту. Его биографии и его деятельности в этой части книги уделено наибольшее внимание.

Паровая машина Ньюкомена

1. Зачинатели паровой машины

Первое применение упругой силы пара относится к античным временам. Механик Гирон-старший, который жил за сто с лишним лет до н.э. устроил небольшой фонтан для забавы и украшения комнаты, который действовал силой пара. В закрытый медный сосуд сверху вставлялась трубка, немного не доходившая до дна. Затем сосуд наполнялся водой и ставился на жаровню. От нагревания из воды выделялся пар, который пузырьками поднимался кверху, но не находил там выхода и начинал давить на воду, которая фонтаном вылетала из сосуда вверх по трубке.

Следующая попытка использовать силу пара относится к 1615 г. нашей эры. Соломон де Ко описал фонтан, предназначенный для королевского сада Франции. В нагреваемый шар де Ко предлагал провести две трубы с кранами. По одной из них вода должна была поступать в шар, а по другой после открытия крана, как у Гирона, выбрасываться вверх силой пара. Однако доподлинно неизвестно, был ли осуществлён этот проект.

Для дальнейшего развития техники, применявшей пар, принципиальное значение имели открытия великого итальянского учёного Эванжелиста Торричелли (родился 15 октября 1608 г. умер 25 октября 1647 г.)

В 1643 г. Торричелли открыл атмосферное давление, а в 1644 г. теоретически обосновал возможность получения безвоздушного пространства, так наз. торичеллиевой пустоты. На основе этих открытий Торричелли создал барометр прибор, получивший широкое распространение и, следовательно, распространивший понятие об атмосферном давлении и свойствах безвоздушного пространства.

Большую известность открытиям Торричелли придал немецкий учёный Отто фон Герике, который изобрёл так называемые магдебургские полушария. На глазах у зрителей два отдельных стеклянных полушария складывались вместе, из образовавшегося внутри них пространства откачивался воздух, и силой атмосферного давления они довольно прочно удерживались друг с другом.

Затем в 1663 г. английский учёный Эдуард Соммерсет Ворчестер построил паровую помпу насос, который выдавливал воду из бака силой пара, подаваемого по трубке из котла, Однако широкого распространения этот насос не получил, так как расходовал слишком много тепла и пара.

Систематическое применение пара в промышленности началось на рубеже XVII и XVIII вв. в Англии. В это время там появились три паровые установки: паровой котёл Денииса Папена для выварки костей, паровой насос Томаса Севери (Th. savery), и паровая машина Томаса Ньюкомена (th. newcomen), предназначенная для откачки воды из каменноугольных шахт и рудников.

Дени Папен был профессором физики и математики и заведовал постановкой опытов в английском научном обществе. В этом своём качестве он помогал знаменитому английскому физику Роберту Бойлю проводить исследования атмосферного давления. Однажды они поместили сосуд с тёплой водой под колпак и выкачали из-под колпака воздух. Тёплая вода вдруг начала кипеть. Это навело Папена на мысль, что температура кипения жидкости зависит от давления воздуха на поверхность этой жидкости. Дальнейшие опыты подтвердили такое предположение. Тогда Папен решил создать котёл, в котором вода кипела бы не при 100 градусах Цельсия, а при более высокой температуре, и использовать его в промышленности.

Повышенное давление в котле мог создать сам пар, если не дать ему свободного выхода из котла. Этого можно достичь, привинтив к котлу плотную крышку. Однако давление может настолько повыситься, что разорвать котёл изнутри. Чтобы предотвратить эту опасность Папен изобрёл предохранительный клапан.

Он оставил в крышке котла небольшое круглое отверстие, которое запиралось снаружи шариком. Сверху на этот шарик припаивался горизонтальный стержень, служивший рычагом. Один конец рычага закреплялся шарнирно так, чтобы шарик мог на нём подпрыгнуть вверх, но, падая, упал бы снова в отверстие крышки котла. Другой конец рычага высовывался за пределы крышки настолько, чтобы к нему можно было подвесить груз для увеличения давления на шарик. Если давление пара в котле поднималось слишком высоко, то пар отбрасывал шарик вверх и вырывался наружу. Но, подпрыгнув на оси качания, шарик снова запирал отверстие в крышке, пока новый напор пара снова не подбрасывал его вверх. Таким образом, несколько снижалось давление пара в котле, и шарик стучал о крышку, подавая сигнал кочегару, чтобы снизил жар в топке.

Котёл Папена нашёл особенно широкое применение при производстве сальных свечей – этого основного средства освещения того времени. Раньше свечи делались из так называемого топлёного сала, т.е. из вполне качественного продукта питания, и стоили они очень дорого. Папен предложил делать свечи из жира, вывариваемого из костей и других пищевых отходов животного происхождения. Благодаря высокой температуре, получаемой в котле его конструкции, кости вываривались быстро и тщательно, причём обходилась выварка гораздо дешевле, чем в простом котле. Это ускоряло процесс производства свечей, снижало его издержки и расширяло сырьевую базу.

Это изобретение Папена датируется 1698 годом. В том же году получил патент и Томас Севери, сапёрный инженер. Он изобрёл паровой насос, весьма напоминавший насос Ворчестера, но отличавшийся от него назначением и степенью использования атмосферного давления. Основная часть насоса Севери бак, к которому подведена труба для подачи пара из парового котла, и который периодически можно обливать холодной водой. В нижней части бака клапан, открывающийся внутрь, в верхней части клапан открывающийся наружу. От нижнего клапана труба опускалась в воду, собиравшуюся на дне шахты, от верхнего клапана труба шла вверх, на поверхность земли.

Работал такой насос следующим образом. Пар подавался в бак и конденсировался, остужаясь о стенки бака, обливаемого холодной водой. В баке образовывалось сильно разреженное воздушное пространство. Под действием атмосферного давления вода из шахты поднималась вверх по трубе, отпирала нижний клапан и заполняла бак. Верхний клапан бака в это время был заперт под воздействием того же атмосферного давления. Затем рабочий открывал кран и пускал в бак пар из котла, который выдавливал воду из бака через верхний клапан вверх на поверхность земли. Затем подача пара прекращалась, бак снова остужался холодной водой, и цикл работы повторялся.

Через некоторое время Севери добавил к котлу второй насос аналогичного устройства, чтоб подавать пар из котла попеременно. Это удвоило производительность, доведя её до 48 галлонов в минуту (около 16 вёдер) при глубине шахты 32 м. Идею второго насоса Севери, по-видимому, заимствовал у Ворчестера. Далее Севери пристроил к основному, большому котлу маленький, вспомогательный котёл для предварительного подогрева воды. Когда вода в нём вскипала, её переливали в большой котёл, где вырабатывался пар. Это позволило вырабатывать пар беспрерывно в течение длительного времени. Раньше, когда вода в котле выкипала, работу насосов приходилось останавливать в ожидании, когда закипит новая порция воды в котле.

В таком усовершенствованном виде насос Севери был запатентован в 1702 г. Расход топлива у него равнялся приблизительно 80 кг каменного угля на 1 л.с. в час, к.п.д. составлял 0, 2%. Это довольно низкий показатель. Кроме того, давление пара на воду в насосе составляло около 3 ат. Металл той эпохи часто не выдерживал такого давления и рвался. Однако, несмотря на всё это, в каменноугольных шахтах, где был даровой уголь, насос Севери получил широкое распространение. Его называли "другом рудокопа".

В 1717 г. два насоса Севери были доставлены в Петербург. По их образцу русские мастера сделали третий насос сами. Один насос подавал воду в баню, два другие для фонтанов Летнего сада. Но дальнейшего распространения в России насосы Севери не получили. Слишком много дров требовалось для их работы, а более важной сферы для их применения в России в ту эпоху не оказалось.

В 1705 – 1713 гг. изобрёл свою паровую машину сельский кузнец Томас Ньюкомен. Его машина состояла из вмазанного в печь котла, соединённого короткой трубкой с поршневым цилиндром. На трубке был кран, регулировавший подачу пара в цилиндр. Верхний конец штока поршня соединялся цепью с концом балансира (коромысла). Чаще всего это был деревянный брус с осью качания посредине. Другой конец этого бруса был соединён цепью со штангой насоса, опущенного в шахту. Штанга состояла из нескольких деревянных жердей или шестов, связанных между собой. На штангу крепился груз, давивший её вниз. У стойки балансира устанавливался бак с холодной водой, которой обливали цилиндр, чтобы остудить его и вызвать конденсацию пара.

Работала эта установка следующим образом. В исходном положении штанга насоса была опущена вниз, а поршень цилиндра поднят вверх. Открытием крана в цилиндр подавался пар, который вытеснял воздух. Затем цилиндр обливали холодной водой. Пар конденсировался, в цилиндре возникало сильно разреженное воздушное пространство, и под действием атмосферного давления поршень всасывался в цилиндр, т.е. вниз. Одновременно противоположный конец балансира поднимался вверх и тянул за собой штангу насоса вместе с укреплённым на ней грузом. В это время в насос всасывалась вода. Груз на штанге служил для аккумуляции потенциальной энергии. Затем пар из котла снова подавался в цилиндр, но на этот раз он уже служил для поднятия поршня вверх. В это же время штанга насоса опускалась вниз под давлением как груза, так и привязанного к ней конца балансира. Таким образом, вытеснение воды из цилиндра насоса происходило под действием двух сил: силой атмосферного давления, аккумулированного в грузе, и силой пара, оказывавшего давление на поршень.

Таким образом, паровая машина Ньюкомена отличалась от парового насоса Севери, во-первых, тем, что в ней пар давил не непосредственно на воду, а через поршень цилиндра. Это давало большую экономию топлива, потому что, соприкасаясь с водой, значительная часть пара конденсировалась, не произведя никакой работы. Поршень цилиндра, хоть и нагревается больше, чем вода, однако потери тепла и пара при этом в несколько раз меньше.

второе принципиальное отличие машины Ньюкомена – чёткое выделение трёх основных элементов: двигателя (паровой котёл и цилиндр), передаточного механизма (балансир) и рабочей части (насос).

Однако, когда кузнец Ньюкомен пытался запатентовать свою машину, ему отказали, потому что Севери запатентовал не только изобретённый им насос, но и сам принцип получения движения при помощи огня. В патенте Севери значилось, что он выдан "на новое изобретение для подъёма воды и получения движения для всех видов производства при помощи движущей силы огня". Ньюкомен не смог обойти эту формулировку патента Севери и вынужден был продолжать работу, не имея патентной защиты своего изобретения. Хорошо ещё, что ему удалось договориться с Севери, чтобы тот не препятствовал ему в этом.

Первая машина была построена Ньюкоменом в 1705 г., но работала она очень плохо. Нужно было улучшить её конструктивные элементы и научиться управлять ею. Это требовало не только труда и времени, но и денег. Понимая, что одному с этой задачей не справиться, Ньюкомен привлёк Джона Коули (cowley), по одним сведениям, лудильщика, по другим, торговца стеклом. Ньюкомен и Коули составили компанию и заключили соответствующий договор. Ньюкомен брал на себя ответственность за техническое совершенствование машины, Коули – за всё остальное: добывал деньги, покупал расходные материалы и инструменты, помогал в работе. Некоторые исследователи считают роль Коули в создании паровой машины такой же важной, как и роль самого изобретателя, и называют паровую машину машиной Ньюкомена-Коули.

Первые машины были проданы Ньюкоменом и Коули для производственного использования только в 1711 – 1713 гг.

Наблюдая за их работой, Ньюкомен заметил утечку пара между стенками цилиндра и поршня. Думая, как бы ликвидировать эту утечку, он налил на поршень сверху немного воды. Однако, вместо того, чтобы закрыть щель и не выпускать пар из цилиндра, вода сама просочилась под поршень внутрь цилиндра и внезапно вызвала там быструю конденсацию пара.

Ньюкомен повторил это действие, когда нужно было обливать цилиндр холодной водой. Просочившись под поршень, вода произвела конденсацию пара в несколько раз быстрее, чем обливание цилиндра холодной водой. Соответственно быстрее заработала и вся паровая машина. Это побудило Ньюкомена провести из бака в цилиндр особую трубку, чтобы впрыскивать воду под поршень. Скорость машины повысилась до 8 рабочих движений в минуту, и существенно понизился расход топлива. Цилиндр теперь меньше остывал при конденсации пара, и на него меньше тратилось тепла при очередной подаче пара в цилиндр.

Однако это усовершенствование имело и негативную сторону. На дне цилиндра стала быстро накапливаться вода, и машину приходилось часто останавливать, чтобы выливать её.

Нужно было найти способ удаления воды из цилиндра без остановки машины. Трудность состояла в том, что воду нужно было удалить, сохраняя сильно разрешенное воздушное пространство в цилиндре.

Из опытов Паскаля, Торичелли и Герике к тому времени уже было известно, что атмосферное давление может поднять воду в безвоздушном пространстве не более, чем на 32 фута (около 10 м). Ньюкомен использовал это для решения своей проблемы. Он провёл трубку из дна цилиндра в колодец глубиной более 10 м, и вода собственным весом стала преодолевать атмосферное давление и самотёком уходить в колодец, растекаясь по поверхности его зеркала. Важно было только следить, чтоб конец этой трубки всегда был несколько ниже поверхности воды в колодце, и чтобы таким образом разреженное воздушное пространство в цилиндре всегда оставалось запертым.

По расчётам И.Я. Конфедератова, это усовершенствование позволило Ньюкомену повысить коэфициент полезного действия своей паровой машины с 0,3% до 0,6%, а разреженность воздушного пространства в цилиндре до 50%.

После этого усовершенствования машина управлялась с помощью двух кранов. Когда конец балансира, прикреплённый к поршню цилиндра, был наверху, открывали кран для впрыскивания холодной воды под поршень, когда же наверху был конец балансира, прикреплённый к насосу, открывали кран для подачи пара под поршень. Краны были не винтовые, как в современной водопроводной сети, такие краны были предложены Н.Е. Жуковским лишь в конце XIX в., а поворотные. Достаточно было повернуть ручку крана на 90 градусов, и кран полностью открывался или, наоборот, закрывался.

В 1713 г. молодой рабочий по фамилии Коттер, работавший на этих кранах, придумал хитроумное устройство. Утомлённый однообразной работой, он установил на краны сравнительно длинные рукоятки и концы их связал верёвками с концами балансира машины. Поднимаясь вверх, каждый конец балансира тянул на себя две верёвки. При этом одной верёвкой один кран открывался, а другой верёвкой другой кран закрывался. Ньюкомен заменил верёвки железными тягами, чтобы связь концов балансира с концами рукояток была более жёсткой, а потом и сами краны заменил клапанами. Переключение подачи в цилиндр холодной воды и пара стало автоматическим. Рабочий для открытия и закрытия кранов стал не нужен.

В 1728 г. инженер Гейсон снабдил котёл машины Ньюкомена предохранительным клапаном Папена. Такое устройство паровой машины Ньюкомена сохранялось до середины 60х годов, т.е. около полувека. Подобное долголетие в сфере техники встречается весьма редко и свидетельствует о том, что для своего времени паровая машина Ньюкомена являлась выдающимся достижением.

По данным Смитона, выдающегося инженера той эпохи, который сам внёс большой вклад в совершенствование паровой машины, в Великобритании к 60-м годам XVIII в. работало 130 машин Ньюкоменовской конструкции, в том числе в каменноугольных копях Нью-Кестля – 60, в других каменноугольных копях – 10, в медных рудниках Корнуэлса – 30, на лондонских водопроводных устройствах – 10, в судоремонтных доках – 20. 10 ньюкоменовских машин было вывезено в другие страны.1 Их применение позволило вдвое увеличить глубину английских шахт и рудников.

1 См. Конфедератов И. С. Джеймс Уатт – изобретатель паровой машины. М: изд. АН СССР, 1968. С. 194.

Это значит, что ньбюкоменовские машины увели английскую горнодобывающую промышленность на такую глубину, откуда возвратиться к средневековой технике откачки подземных вод было уже невозможно.

Почему же паровая машина возникла именно в Англии, а не где-нибудь в другой стране? Главная причина состоит в том, что в Англии была широко развита каменноугольная промышленность, чего не было в других странах. Только наличие дешёвого, а иногда просто дарового каменного угля позволило выгодно использовать первые паровые машины – насос Севери, у которого к.п.д. был равен 0,2% и паровую машину Ньюкомена с к.п.д. в 0,3%.

2. Тривальд, Смитон и Уатт -

два основных пути совершенствования техники

На Британских островах залежи полезных ископаемых часто начинаются сразу под почвой и уходят вглубь земли на невероятную глубину. Каменный уголь, медь, железо, олово и другие руды были открыты здесь ещё в раннем средневековье и даже в римскую эпоху. Тогда их можно было добывать с помощью ручной техники, и промышленность ещё тогда стала важнейшим источником жизненных средств для населения Британских островов.

Затем истощились леса, и англичанам пришлось более ста лет мучиться, чтобы перевести чёрную металлургию на минеральное топливо. В это же время шахты и рудники настолько углубились в недра земли, что их стало заливать водой, а запасы каменного угля и руд нисколько не истощались. Приходилось шаг за шагом наращивать мощности водоотливных устройств, чтобы продвигаться вглубь земли вслед за скрывающимися в подземных водах сокровищами. В других странах месторождения полезных ископаемых, известные в ту пору, обычно заканчивались на небольшой глубине. Поэтому там вопрос об увеличении мощности водоотливной техники не стоял так остро, как в Великобритании.

В начале 60х годов XVIII в. английские шахтовладельцы снова оказались накануне разорения. Водоотливная техника снова не справлялась с удалением подземных вод, хотя в шахтах по-прежнему оставались несметные запасы каменного угля и руд. Стало ясно, что повысить мощность насосов можно только на пути дальнейшего применения силы пара.

К этому же времени паровая машина Ньюкомена постепенно нашла применение не только в угольных копях, где стоимость топлива и количество его расходования паровой машиной не имело существенного значения, но и в других отраслях, где каменный уголь приходилось покупать. Поэтому, чем шире применялась эта машина, тем острее вставал вопрос об её экономичности.