Уатт и Кулибин

Обе эти проблемы – необходимость повышения мощности и экономичности паровой машины широко обсуждались изобретателями, инженерами и учёными. Многие брались за их решение. Мы остановимся на Тривальде, Смитоне и Уатте.

М. Тривальд был широко известным учёным середины XVIII в. Его можно назвать даже модным учёным, потому что он придерживался весьма распространённых, но ошибочных взглядов того времени на природу тепла и пара. Он считал, что в горючих веществах содержится некий флогистон (теплород), который освобождается в процессе горения и распространяется, создавая тепло. Пар М. Тривальд считал влажным воздухом, распространённым в воде в огромных количествах. Исходя из таких воззрений, он разработал проект, по которому в Даннеморских рудниках (Швеция) была построена самая большая паровая машина Ньюкомена. Тривальд считал, что она будет самой мощной машиной, поскольку имеет самый мощный диаметр поршня. Однако машину не удалось даже запустить в действие. Она имела сравнительно небольшой котёл и, вопреки уверениям Тривальда "влажного воздуха" (пара) в небольшом котле оказалось совершенно недостаточно, чтобы наполнить громадный цилиндр, и машина не смогла работать.

Знаменитый шотландский инженер Джон Смитон взялся за совершенствование машины Ньюкомена в 1763 г. Он решил проверить с помощью инженерных расчётов, насколько целесообразно соотношение отдельных частей машины Ньюкомена. Наблюдая за работой различных паровых машин и используя статистические данные о расходе ими каменного угля в единицу времени, сопоставляя размеры топок с размерами котлов и паровых цилиндров, а также меняя длину плеч у балансира, Смитон нашёл оптимальное соотношение всех конструктивных элементов машины Ньюкомена и сумел значительно повысить её мощность.

Смитон обратил внимание, что расход топлива зависит от температуры воздуха в котельной и от степени охлаждения цилиндра. Он ввёл теплоизоляцию парового цилиндра с помощью деревянного кожуха.

Сравнивая расход топлива в различных режимах работы котла, Смитон пришёл к выводу о целесообразности снижения форсировки. С этой целью он стал конструировать паровые машины с двумя и тремя паровыми котлами на один цилиндр.

Важным достижением Смитона считается создание специального расточного станка, на котором обрабатывались цилиндры его паровых машин.

Все эти меры позволили Смитону повысить КПД своих машин с 0,6% до 1%, а расход топлива на 1 л.с. в час понизить до 25 кг каменного угля. Эти усовершенствования позволили английским шахтовладельцам ещё 10 лет сохранять своё производство, углубляясь в недра земли, однако не дали коренного решения проблемы.

Усовершенствованная Смитоном паровая машина получила дальнейшее распространение в различных отраслях производства и в разных странах. Одна такая машина в 1777 г. была установлена в Кронштадте. Она имела три котла и приводила в движение насос, который откачивал воду из бассейна канала Петра Великого. Так в Кронштадте назывался док, в котором ремонтировали подводные части кораблей. Корабль входил в канал, после чего открывались ворота, и вода самотёком быстро уходила в бассейн, расположенный ниже уровня моря. В считанные минуты днище корабля обнажалось для ремонта, но воду из бассейна нужно было выкачать, чтобы принять в ремонт следующий корабль. Для этого и использовался насос, приводимый в действие паровой машиной смитоновской конструкции.

Одновременно со Смитоном или даже несколько раньше его совершенствованием паровой машины занялся молодой механик Глазговского университета Джеймс Уатт. Он работал независимо от Смитона и шёл совершенно иным путём. Уатт открыл новый способ конденсации пара и сумел применить его в паровой машине. Это позволило в несколько раз увеличить как мощность, так и экономичность паровой машины и превзойти все показатели, достигнутые Смитоном.

Это объясняется тем, что Смитон вносил усовершенствования, не меняя основного принципа работы паровой машины, а Уатту удалось улучшить сам этот принцип, самую конденсацию пара, находившегося в цилиндре. Если бы Уатт сумел внедрить своё открытие в кратчайшие сроки, то в улучшениях Смитона не было бы нужды. Однако, сделав действующую модель своей будущей машины в 1765 г., Уатт смог получить патент на неё лишь в 1769 г., а наладить стабильное производство только с конца 1775 г. Это позволило Смитону занять в истории техники прочное место предшественника Уатта.

Полную драматизма судьбу Уатта мы изложим несколько позже, после того, как расскажем ещё о некоторых изобретателях, изобретения которых не получили распространения.

3. Паровая машина И.И. Ползунова

и её место в истории

Как установил В. В. Данилевский, Иван Иванович ползунов родился в Екатеринбурге в семье солдата в 1728 г. Более точной даты рождения изобретателя не известно. В это время во второй екатеринбургской роте, находившейся в распоряжении правления уральских заводов, т.е. скорее в рабочей команде, чем в воинской части, служил солдатом Иван Ползунов, 43 лет от роду, рекрутированный из крестьян небольшого уральского городка Епанчин (Туринск). Этого солдата предположительно и считают отцом изобретателя, хотя прямых указаний на его отцовство нет.

В эти годы в Екатеринбурге действовала открытая де Генниным. Первая русская горнозаводская школа. Солдатские дети могли поступать в эту школу беспрепятственно. Местное начальство даже поощряло учёбу солдатских детей, памятуя традиции, заложенные Петром I.

В 1733 г. Иван Иванович Ползунов окончил словесный класс этой школы и перешёл в цифирный, где преподавали арифметику, геометрию, тригонометрию, черчение и рисование ручное.

В феврале или марте 1742 г. И.И. Ползунов как весьма сметливый был переведён на службу учеником к главному механику уральских заводов Никите Бахареву. Работа под непосредственным присмотром этого крупного деятеля российской промышленности позволила Ползунову хорошо узнать заводскую технику того времени.

С 1748 г. И.И.Ползунов работает в Барнауле сначала техником по учёту выплавленного металла, а затем, с 1750 г. унтершихтмейстером, потом шихтмейстером.

В библиотеке Колывано-воскресенских заводов И.И. Ползунов познакомился с трудами М.В. Ломоносова, И.А. Шлаттера, академика Крафта, Рейхеля и некоторых других учёных. В 1760 г. вышла в свет на русском языке книга президента Бергколлегии, действительного статского советника Ивана Андреевича Шлаттера "Обстоятельное наставление рудному делу". На стр. 150 163 этой книги Шлаттер даёт перевод описания машины Ньюкомена, заимствованный им из книги французского математика Билидора. Эти страницы послужили для И.И. Ползунова исходным материалом для проектирования своей паровой машины.

Мы не имеем сведений, как и когда И. И. Ползунов пришёл к мысли построить паровую машину, которая приводила бы в действие воздуходувные мехи плавильных печей Колывано-воскресенских заводов. Но документально засвидетельствовано, что 25 апреля 1763 г. его проект такой машины рассмотрело Колывано-воскресенское горное начальство во главе с А.И. Порошиным.

И.И. Ползунов сопроводил свой проект тремя пояснительными документами: общим представлением, описанием машины и профилем (чертежом). Принципиальное значение имеет "Представление", в котором излагается суть предложения И.И. Ползунова, его цель и определяются средства, необходимые для осуществления проекта. Приводим основное содержание этого документа в переводе на современный русский язык.

Для обоснования необходимости предлагаемой паровой машины И. Ползунов выдвинул четыре следующих положения. Первое: обычно все заводы в российском государстве на реках построены, -пишет Ползунов, но иногда их приходится строить там, где рек нет, или они не пригодны для строительства плотин. Второе: "в рудничных местах (около рудников) обычно бывает так, что там, где воды достаточно, нет лесов, или их очень мало, а где лесов вполне достаточно, воды нет или очень мало", отмечает И.И. Ползунов.

Действительно, вся металлургия России в это время работала на древесном угле, и предпринимались большие усилия, чтобы подвести к заводу как лес и древесный уголь, так и руду. Обычно заводы использовали реку как основную транспортную артерию, однако Ползунов указывает, что это далеко не всегда возможно.

Третье, указывает Ползунов, у заводов, стоящих на реках, , бывают перебои с работой из-за недостатка воды у плотин особенно в засушливую пору лета.

Наконец, четвёртое затраты на строительство плотины со всеми её принадлежностями "умирают безвозвратно". Понятия об окупаемости основного капитала в ту пору ещё не было.

Всю эту зависимость заводов от рек и плотин, "водяное руководство заводами" И.И. Ползунов предлагал "пресечь" действием паровых машин.

В.В. Данилевский называет эти положения "энергетической концепцией Ползунова". (1)

На наш взгляд, это – завышенная оценка. Лауреат Сталинской премии, В.В. Данилевский дал её, быть может, в угоду своему времени. Ползунов не даёт полного сравнения "энергетики водяного колеса" с "энергетикой" его паровой машины. Он правильно указал основные недостатки применения водяного двигателя в промышленности, но не показал, во что эти недостатки обходятся заводам. Он совершенно прав, говоря, что паровая машина эти недостатки "пресечёт", но у ней самой тоже есть недостатки. В частности, она для своей работы требует постоянных затрат на топливо, которые превышают расходы на содержание заводских плотин, когда они уже построены. Не в этом ли причина того, что Колывано-воскресенское горное начальство не стало ремонтировать паровую машину Ползунова, когда у неё прогорел котёл, хотя к этому времени машина уже доказала своё преимущество. Характерно и заключение, которое сделало горное начальство по этому поводу: "У Колывано-воскресенских заводов воды довольно, и в паровой машине нужды нет".

Однако эту неразработанность "энергетической концепции" нельзя ставить в упрёк Ползунову. Россия XVIII в. была "не в ладах с математикой". Даже в работах президента Бергколлегии И.А. Шлаттера встречаются арифметические ошибки. Мы выступаем только против преувеличения, сделанного В. В. Данилевским.

На наш взгляд, И.И.Ползунов заслуживает восхищения, но не тем, что выдвинул "энергетическую концепцию", а тем, что проявил широту ума и широту подхода при обосновании проекта своей паровой машины.

Далее И.И. Ползунов в своём "Представлении" пишет: Чтобы определить работу будущей паровой машины, нужны наблюдения и эксперименты. Законов механики для определения её движений и геометрических аксиом и доказательств для определения её внешних форм и устройства недостаточно. На основе наблюдений и опытов чаще удаётся получить нужное решение и выводы, "потому как теория особливо в воздушных и огненных делах бывает многим слабее практики, потому как сила воздушного знания поныне недалеко найдена и притом ещё будучи великой тьмой закрыта" (2)

И.И. Ползунов, как и авторы известных ему книг, считал пар растворённым в воде влажным воздухом, поэтому данное место на современный русский язык можно перевести так: "…теория, особенно в сфере огня и пара, бывает намного слабее практики, потому что сила пара в настоящее время изучена поверхностно, и многое здесь совершенно неясно. Поэтому, заключает Ползунов, приступая к решению указанной проблемы, надо первоначально сделать небольшую опытную паровую машину, например, для одной плавильной печи, но со всей оснасткой, "какая и при большом заводе должна быть". Это позволит избежать гораздо больших расходов в дальнейшем, так как на небольшой опытной машине можно будет обучить мастеров, рассмотреть в действии её рычаги и движения, моменты силы вместе с пропорциями рычажных плеч, чтобы при строительстве паровой машины для промышленного использования изменить и исправить всё, что потребуется.

Идея опытного образца паровой машины является важной творческой находкой Ползунова. Здесь он пошёл гораздо дальше Ньюкомена и Смитона, которые совершенствовали конструкцию своих машин, наблюдая за их работой в обычных заводских условиях. К сожалению, судя по имеющимся материалам, это предложение Ползунова не было осуществлено.

Каким образом расположить эту опытную машину, пишет далее И.И.Ползунов, как расположить рычаги и связи, и как ими пользоваться, для этого предлагается чертёж с описанием, по которому должны быть сделаны все металлические части машины. Деревянные части в машине Ползунова, конечно, были, хотя и в несравненно меньшем количестве, чем вообще в заводском оборудовании того времени, но они обычно изготовлялись на месте методом подгонки к уже изготовленным и установленным металлическим частям. Изготавливали деревянные детали, как правило, мастера более низкой квалификации, не умевшие работать по чертежам.

Таким образом, И.И. Ползунов подчёркивает, что опытный образец нужен для отработки механизма действия машины. Это указание имеет принципиальное значение. Ни у Билидора и Шлатера, ни у других известных Ползунову авторов механизм действия машин не рассматривался. Вся техническая литература того времени давала лишь описание машин в статике. Кинематики машин как науки ещё не существовало. Она появляется лишь в работах Монжа, Бетанкура и Ланса лишь в начале XIX в.

Далее Ползунов указывает, какие специалисты и с какой квалификацией потребуются для изготовления опытного образца его машины. Что же касается искусства мастеров, пишет он, то, во-первых, нужен мастер высокой квалификации ("знающий дело исправно") по отливке, а также сверлению, обточке и шлифовке больших и мелких деталей из меди, во в этом звании могут быть даже "не очень справны", так как в сборк-вторых, мастер пайки медных котлов, а также, наконец, слесаря и токари по образцам, которые е машины от этих работников большой точности не потребуется.

Представленная в описании и на чертеже паровая ("огненная") машина Ползунова существенно отличалась от паровой машины Ньюкомена. Во-первых, у неё был не один, а два паровых цилиндра. Во-вторых, она предназначалась для привода в действие воздуходувных мехов плавильных печей. В-третьих, у неё был оригинальный передаточный механизм, состоявший не из балансира (коромысла), а из системы шкивов, надетых на валы и связанных между собой цепями. Пар из котла поступал непрерывно, также непрерывно текла и холодная вода для вспрыскивания под поршень. Но, проходя через особое паро-водо-распределительное устройство, пар и вода попеременно направлялись то в один, то в другой цилиндр. Когда в один цилиндр поступал пар, в другой цилиндр впрыскивалась вода для конденсации пара. Затем паро-водо-распределительное устройство меняло расположение, и вместо пара по трубке начинала поступать вода. Это устройство обеспечивало попеременную работу цилиндров: когда один поршень поднимался, другой опускался, и наоборот. Оба цилиндра работали на один общий вал, который приводил в движение воздуходувные мехи. При этом паровая машина только поднимала вверх крышки ящечных воздуходувных мехов. Дутьё происходило, когда эти крышки опускались под действием тяжести грузов, специально для этого уложенных на крышки.

Объединение работы двух цилиндров на одном общем валу считается советскими историками главным достижением И.И. Ползунова. Они видят в этом превращение паровой машины в универсальный паровой двигатель и считают, что таким образом И. И. Ползунов на 20 лет опередил Уатта.

Два цилиндра, работающие на один общий вал действительно важное открытие Ползунова, но всё же его машина является вариантом паровой машины Ньюкомена, потому что принцип работы цилиндра и принцип конденсации пара в цилиндре один и тот же.

Мощность опытного образца машины Ползунова, судя по представленному им описанию и чертежу, была бы равной 1,8 л.с. Эта цифра фигурирует во всех справочных изданиях, хотя сам Ползунов не имел понятия о такой единице измерения и о мощности как особой характеристике машины только догадывался. И понятие мощности, и понятие лошадиной силы как единицы измерения этой мощности были введены во всеобщее употребление Джеймсом Уаттом.

25 апреля 1763 г. Колывано-воскресенское горное начальство во главе с А.И. Порошиным рассмотрело проект новой "огнедействуемой" машины и заслушало представление Ползунова "об учинении опыта, чтобы плавильные печи действовать могли не вододействуемыми колёсами, а писаной им, Ползуновым, огненной машиной и через посредство воздуха и паров, происходящих от варения в котле воды с представленными к тому цилиндрами и прочими механическими членами".

Перспектива применения паровой машины, видимо, увлекла Порошина и возглавляемое им начальство. "Ежели, несмотря на упомянутое сомнение (смогут ли местные специалисты построить такую машину) будет удача, и произойдёт запуск машины в надлежащее прямое действие, говорится в постановлении Колывано-воскресенской канцелярии, то не только при одних редешних, но и при многих в России заводах и мануфактурах её можно будет применить с немалой пользой и избегнуть знатных расходов по сравнению с нынешними. А именно: строительства чрез великую сумму плотин на реках и расходов по их содержанию и защите от паводковых вод и других опасностей". Далее канцелярия пересказывает то, что написал И. И. Ползунов в своём "Представлении" о невыгодности и затруднениях, связанных с зависимостью заводов от рек и водного режима на них.

Одобрив проект Ползунова, канцелярия поручила ему же возглавить производство работ по его осуществлению. Так как успех может быть достигнут "только при неусыпном рачении любопытного человека, говорится в том же постановлении, то оному Ползунову объявить: Ежели он подлинно искреннее намерение и охоту к тому имеет, то, чтобы он принял на себя неотступный труд и совершенное руководство над избранными в здешних местах мастеровыми людьми медного отливного, слесарного, плотницкого дела, чтобы отлить и полировать сии цилиндры и изготовить все другие части для паровой машины". Канцелярия отмечает, что, назначая Ползунова, она надеется "чрез то избежать многих переделок и великих казне убытков".

Было особо оговорено, что Ползунову на опытный образец машины отпускается до одной тысячи рублей, включая сюда затраты на исправление ошибок, сделанных из-за недостаточной квалификации мастеровых людей и неоднократные переделки и переправки "по невиданию такой машины в практике". Если Ползунов уложится в эту сумму при изготовлении своей первой машины, предназначенной для одной плавильной печи, то канцелярия обещала не накладывать на Ползунова никаких взысканий за излишние траты и убытки и стараться защищать его от всяких наветов и нареканий.

Эта же тысяча рублей фигурирует и в донесении, посланном в Кабинет Её Императорского Величества, но несколько иначе. "Хотя бы при изысканиях в столь нужном и полезном деле, говорилось там, вследствие вышеизложенных недостатков это мероприятие оказалось вовсе неудачным и принесло убытку до тысячи рублей, то по сравнению с доходами от здешних заводов такой убыток можно считать весьма небольшим или вовсе ничем".

В случае успеха опытного образца машины, рассчитанной на 1 – 3 плавильные печи, канцелярия поручала Ползунову построить паровую машину на 6 – 12 плавильных печей, а также машину для отлива воды из рудников.

18 июня 1763 г. вместе с очередным грузом серебра, добытого на заводах, в Петербург было отправлено донесение о проекте Ползунова. При этом заводское начальство просило наградить изобретателя чином механикуса и сверх обычного годового жалования суммою до 200 руб. Никакого утверждения расходов, связанных с осуществлением проекта Ползунова, не спрашивали.

Из Барнаула в Петербург (свыше 5 тыс. км) транспорт с серебром и документами Ползунова шёл 40 дней. Это чрезвычайно высокая скорость для того времени.

Кабинет Её Императорского Величества передал чертёж и описание на отзыв И.А. Шлаттеру. В сентябре 1763 г. Шлаттер составил "Рассуждение о проектированной шихтмейстером Ползуновым огнём действующей машине". Шлаттер высоко оценил техническую сторону изобретения Ползунова. "Вместо того, что все в мире паровые машины одинаковы и из одного цилиндра состоят, писал Шлаттер, Ползунов эту машину разделил на две и из двух цилиндров делать предлагает. Следовательно, он и другие части, необходимые для действия своей машины, должен был изобрести… Он так похвалы достойною хитростью оную машину сумел переделать и изобразить, -пишет далее Шлаттер, -что сей его вымысл за новое изобретение почесть должно".

Но Шлаттер усомнился в экономичности машины Ползунова и предложил свой вариант. "Ежели действие мехов необходимо такими машинами производить, -писал он, -то, по моему мнению, довольно, когда две одинаковые машины, т.е. с одним цилиндром построив, одну действующую, а другую запасную, которые бы воду насосами на потребную вышину подавали и в бассейн к тому построенный выливали, а из оного бассейна на водяные колёса, сколько к печам плавильным потребно, пустить"Однако Шлаттер не настаивал на этом своём предложении. "Я вышеописанное не к опровержению огненной машины Ползунова докладываю, -пишет он далее, -но к тому только, как этой машиной порядочным образом пользоваться надлежит". Более того. В последнем пункте своего "Рассуждения" Шлаттер рекомендует: "велеть такую машину, какую он, Ползунов, проектировал, построить и в действие производить, чтобы практикою теорию свою подтверждала".

Это своё "Рассуждение", содержавшее целый ряд других хвалебных отзывов о машине и её изобретателе, Шлаттер "поднёс" Екатерине II. "Сущая (настоящая) И ЩЕДРАЯ покровительница наук", Екатерина II была "всемилостивейше" довольна Ползуновым. Она распорядилась произвести Ползунова в механикусы с чином и жалованием инженерного капитан-поручика и выдать ему в награду не 200 руб., как предлагало Колывано-воскресенское начальство, а 400 руб.

19 ноября 1763 г. управляющий Кабинетом Её Императорского Величества А. В. Алсуфьев подписал именной указ Колывано-воскресенскому горному начальству, который вместе с копией "Рассуждения" И.А. Шлаттера был отправлен в Барнаул. 18 января 1764 г. этот указ дошёл до адресата. Пятый пункт этого указа гласил: "Привести указанного Ползунова к присяге (в связи с производством в бергмеханикусы и присвоением чина инженерного капитан-поручика) и за повышение произвести из жалования надлежащий по указу вычет". В шестом пункте содержалось пожелание Екатерины II: "Буде он, Ползунов, при заводах необходимо не надобен, то прислать его сюда при серебре, дабы он для приобретения себе большего в механике искусства здесь при академии года два или три сей науке прилежать мог". Однако это пожелание императрицы осталось без последствий.

Осенью 1764 г. Ползунову было дано несколько помощников, и он приступил к строительству своей паровой машины. К этому времени он существенно переработал свой первоначальный проект, и теперь это должна была быть не маленькая машина мощностью в 1,8 л.с., а полномасштабная заводская машина, способная приводить в действие воздуходувные мехи 6 – 12 заводских плавильных печей. Судя по сохранившимся чертежам, её мощность составляла 27 л.с. Это был мировой рекорд того времени. Столь мощных паровых машин нигде в мире тогда не было. Главный секрет такой большой мощности заключался в наличии двух цилиндров.

И.И. Ползунов сконструировал и изготовил специальный станок для обточки и шлифовки цилиндров и других частей строящейся машины.

К несчастью, 16 мая 1766 г., за неделю до пробного пуска машины, Ползунова не стало. Он умер от чахотки, т.е. от туберкулёза, которого тогда совершенно не умели лечить. Это определило дальнейшую судьбу его паровой машины. Больше не было человека, способного столь энергично продолжить начатое дело.

Ученики и помощники Ползунова закончили строительство машины, руководствуясь его чертежами и устными пояснениями и указаниями, которые он давал им при жизни, и 30 мая 1766 г. состоялся её пуск. Затем два с половиной месяца шло испытание, в ходе которого было выявлено и устранено несколько мелких неполадок, главным образом, в передаточном механизме машины.

7 августа 1766 г. началась эксплуатация машины, т.е. она стала работать с полной нагрузкой и приводить в действие воздуходувные мехи, подававшие воздух в действующие плавильные печи. Эксплуатация продолжалась до 10 ноября 1766 г., т.е. немногим более трёх месяцев. За это время были периоды, когда машина работала до 17 суток подряд, днём и ночью, беспрерывно подавая воздух в печи.

В официальном донесении, подписанном А.И. Порошиным и отправленном в Петербург 29 января 1767 г., работа паровой машины Ползунова охарактеризована следующим образом: "Действие оной машины, раздувание в плавильных печах жару, при искусном и радетельном плавильщике от беспрерывного течения воздуха несомненно полезнее и к выплавке металла поспешнее, нежели от вододействующих при плавильных печах машин"

Остановка паровой машины Ползунова 10 ноября 1766 г. была вызвана необходимостью заменить паровой котёл, давший течь. Этот паровой котёл не соответствовал расчётам Ползунова и рассматривался им как временный. От изготовления постоянного котла изобретателю пришлось в своё время отказаться. Теперь этот котёл явился камнем преткновения для всей паровой машины, и из-за его отсутствия машина так и осталась недостроенной.