Пыхтящий двигатель прогресса: как люди «приручили» пар

О самых древних попытках использовать энергию пара знал еще Леонардо да Винчи. В его записных книжках есть страничный фрагмент о подобии паровой машины — точнее, паровой пушки («архитронито»), которую в III веке до новой эры пытался изготовить еще Архимед Сиракузский.

В ней сила сжатого пара использовалась для того, чтобы вытолкнуть каменное ядро, и с точки зрения практического и более мирного применения эолипил Герона Александрийского был бы значительно полезнее: согласно легенде, пар, вырывавшийся из котла через особым образом изогнутые трубки, заставлял сам котел вертеться на оси, приводя в действие лебедку для подъема дров к одному из чудес света — огромному маяку Александрии Египетской. Но насколько можно судить, эолипил не был построен во времена античности, и Леонардо да Винчи ничего о нем не было известно. Эпоха пара началась значительно позже!

Первые паровые машины

На роль изобретателя паровой машины у нескольких наций есть свои претенденты. В России это, как известно, Иван Иванович Ползунов, в англо-саксонском мире — Джеймс Уатт, а у французов — Дени Папен. Надеясь, поначалу, всего лишь обеспечить людей более здоровым питанием, в 1680 году он представил Лондонскому Королевскому обществу прообраз нынешней кастрюли-скороварки — герметично закрывавшийся двумя винтами «Котел для выварки костей».

При этом, поскольку сжатый в замкнутом пространстве горячий пар, разумеется, не только качественно обрабатывал кости, но и грозил разорвать даже самую прочную оболочку котла, Папену пришлось оснастить свое изобретение опять-таки первым в мире предохранительным клапаном, время от времени автоматически «стравливавшим» опасное избыточное давление.

Талантливого от природы исследователя не могла не увлечь открывшаяся ему могучая сила. Десятилетие спустя, в 1690 году, уже будучи профессором Марбургского университета, он разработал проект «пароатмосферного двигателя». Пар от закипавшей в котле воды должен был уже не столько вырываться бесцельно через предохранительный клапан, сколько толкать вверх размещавшийся внутри того же самого котла поршень, к которому через выведенный наружу шток могли присоединяться различные механизмы — например, насосы, откачивавшие воду из глубоких шахт, либо, напротив, затейливо вздымавшие над землей фонтаны создававшейся как раз тогда, начиная с 1682 года, новой резиденции французских королей — Версаля.

При подъеме поршня к самой верхней точке котла Папен предлагал впрыскивать прямо в котел холодную воду: пар бы остывал, его давление — снижалось, поршень под собственной тяжестью опускался бы вниз, впрыснутая холодная вода тем временем бы нагревалась, — и все повторялось бы снова.

Такой двигатель, реально изготовить и испытать который самому Папену, к сожалению, не удалось, в принципе мог действовать, но лишь совершая не более одного рабочего хода поршня в минуту. Тем временем, в 1698 году, англичанин Томас Севери запатентовал «пароатмосферный насос» в виде просто узкой и высокой вертикальной трубы, при нагревании которой снизу налитая внутрь вода, закипая, поднималась, частично выливаясь через отверстие вверху на лопасти стародавнего колеса, с которым уже соединялись механизмы. Между прочим, аналогичный принцип подъема воды кипячением используется ныне в гейзерных кофеварках.

На рубеже XVII и XVIII веков создать паровой насос пытались, с переменным успехом, такие выдающиеся ученые, как голландец Христиан Гюйгенс и Готфрид Лейбниц из Германии. Наиболее же удачной, получившей распространение на шахтах, оказалась конструкция, запатентованная в 1705 году англичанином Томасом Ньюкоменом.

Как и в неосуществленном проекте Папена 1690 года, поршень двигался внутри парового котла, но, по мере приближения к верхней точке, автоматически открывал, через систему дополнительных рычагов, подачу холодной воды в пространство НАД поршнем, отчего пар охлаждался не столь резко, обеспечивая сравнительно надежную и долговечную работу двигателя в целом.

Вдумчиво проанализировав этот и другие аналогичные замыслы, Дени Папен написал в 1707 году, пожалуй, главный труд всей своей жизни: «Новое искусство эффективно поднимать воду на высоту при помощи огня» («Ars nova ad aquam ignis adminiculo efficacissime elevandam»). Там впервые предлагалось отделить котел от цилиндра с поршнем, связав их лишь сравнительно тонкой трубкой-паропроводом. В результате поршень и котел переставали зависеть один от другого по конфигурации и размерам: котел не требовалось более «вытягивать» по вертикали для увеличения рабочего хода, а поршень — делать чересчур большим и, соответственно, массивным.

Мало того: пар из одного котла мог подаваться — одновременно или попеременно — в несколько цилиндров: пока поршень одного совершал рабочий ход, другой — возвращался в исходное положение, придавая двигателю в целом немыслимые прежде плавность и эффективность работы.

Успех Ползунова

За этими разработками пристально следили и в лишь начинавшей тогда промышленное развитие нашей России. Известно, к примеру, что экземпляр упоминавшегося выше «пароатмосферного насоса» Севери был приобретен лично государем-реформатором Петром I и выставлен на всеобщее обозрение в Летнем Саду основанного лишь незадолго перед тем Санкт-Петербурга. Читал зарубежную научно-техническую литературу, обучаясь на горного мастера, также Ползунов, получивший назначение в Барнаул и твердо вознамерившийся «пресечь водяное руководство», «облегчив труд по нас грядущим», то есть — будущим поколениям, созданием «огненного двигателя» собственной конструкции!

«Сей вымысел за новое изобретение почесть должно», — констатировали правительственные чиновники, осмотрев представленную им Ползуновым в 1763 году модель такой машины. Пар из медного котла должен был автоматически — благодаря остроумной системе рычагов — направляться то в один, то в другой из двух вертикальных медных цилиндров, а затем, продвинув поршень до верхнего положения, отводиться, используясь ещё и для дополнительного подогрева котла: так Ползунов заодно изобрел конструкцию, получившую затем широкое распространение в теплотехнике под названием «экономайзера».

Столь сложную, новаторскую для своего времени машину, по здравому разумению, следовало бы изготовить для начала небольшой, постепенно устраняя выявляемые недостатки и совершенствуя конструкцию. Однако поддержавшие Ползунова руководители крупного барнаульского завода требовали сразу же строить «большое тело» для решения конкретной задачи: нагнетания воздуха в металлургические плавильные печи. В спешке и крайнем напряжении всех сил изобретатель, к сожалению, заразился буквально косившим тогда «работных людей» туберкулезом, отчего умер всего за неделю до начала испытаний, не успев толком подготовить учеников-продолжателей своего дела.

Тем не менее 6 мая 1766 года «огненный двигатель» был успешно приведен в действие прежними подмастерьями Ползунова — Дмитрием Левзиным и Иваном Черницыным, проработав затем в общей сложности 95 дней. Машина Ползунова совершала 10 рабочих циклов в минуту против всего 4 у большинства современных ей зарубежных аналогов, что позволило заводчикам за три месяца работы нового двигателя не только сполна вернуть ассигнованные на его создание 7 200 весомых тогда рублей, но и получить прибыль в 12 000 рублей.

Однако заводу, в принципе, ещё вполне хватало традиционной, водной энергии соседнего пруда, тогда как «огненный двигатель» хозяева предполагали использовать для создания нового предприятия в богатых минералами, но бедных водой алтайских горах. Этим планам так и не суждено было осуществиться: осенью 1779 года вконец обветшавшую машину Ползунова разобрали, «дабы избегнуть обрушения оной».

Машина Уатта

Тем временем, ровно через полвека после публикации Дени Папеном «Нового искусства…», в 1757-м, на должность механика в университет шотландского города Глазго был принят Джеймс Уатт, сосредоточивший свои изыскания на «Способах уменьшения потребления пара и, вследствие этого, топлива в огневых машинах».

Начав в 1765 году опыты с уже хорошо известными тогда «пароатмосферными двигателями», Уатт всего четыре года спустя получил британский национальный патент №013 на обособленную от цилиндра емкость для конденсации отработанного пара — ее нарекли конденсатором задолго до появления одноименной радиодетали. А в 1782 году — патент №1321 на первый в мире универсальный паровой двигатель, который стали также называть «паровой машиной».

Благодаря разработкам Уатта, пар, максимально продвинув поршень вперед, полностью удалялся из цилиндра через особый клапан, не препятствуя обратному движению поршня, а сам — охлаждался уже в «конденсаторе», частично возвращаясь в котел как вода. Цилиндр, в который не приходилось более впрыскивать холодную воду, оставался равномерно прогретым все время работы, что значительно повышало его долговечность, исключало бесконечные прежде «заклинивания» поршня вследствие неравномерной тепловой деформации.

Пар от котла распределялся по цилиндрам автоматически: возвратно-поступательными движениями так называемого золотника. Постоянство скорости обеспечивал центробежный регулятор: вертушка, увенчанные грузиками «крылышки» которой, поднимаясь, по мере разгона начинали давить на шток особого клапана, стравливавшего избыток пара.

Подлинно же «универсальным двигателем» паровую машину Уатта сделало введение в ее конструкцию кривошипно-шатунного механизма. Если возвратно-поступательное движение поршней в ранее существовавших паровых двигателях удавалось передавать, разве что, к примеру, на действовавшие аналогичным образом малопроизводительные поршневые насосы, или — как у Ползунова — на воздуходувные меха, то «механическая триада» кривошип-шатун-ползун позволила преобразовывать возвратно-поступательное движение во вращательное.

Это нововведение пришлось как нельзя кстати: выше уже упоминалось о созданных в 1689 году Дени Папеном высокоэффективных центробежных насосах, по аналогии с которыми были созданы затем, вместо прежних мехов, центробежные воздуходувки для металлургической промышленности. Ну а современники Уатта в Англии изобрели к концу XVIII века быстродействующие ткацкие и прядильные станки: вся эта техника нуждалась в надежных и мощных двигателях, для которых требовалось именно быстрое вращение.

Вскоре после этого новинку оценили также изобретатели-транспортники: к 1805 году был создан колесный пароход. Вполне достаточными для таких судов оказались самые тихоходные (не более 50 оборотов в минуту) паровые машины. А с 1830-х годов по всему миру начали распространяться и быстроходные сухопутные локомотивы на рельсовом ходу, прозванные у нас, в России, паровозами.

«В былые времена волшебников и фей
Одни лишь колдуны быстрее птиц летали…
Но эти времена для всех теперь настали,
И сделал это Пар — великий чародей!»

Так, восторженно писал в 1882 году неизвестный поэт. А русский капитан первого ранга Александр Федорович Можайский действительно попытался оснастить паровым двигателем созданную им «летающую лодку»: довольно-таки точный прообраз нынешних самолетов! Но, к его сожалению, «паровик» с необходимыми ему внушительными запасами топлива и воды оказался чересчур тяжелым для воздушных путешествий, тогда как пароходы с паровозами, прослужив человечеству более полутора столетий, еще используются кое-где и сегодня.

Более того, некоторые специалисты предлагают оснащать паровыми двигателями крупные автобусы и автомобили большой грузоподъемности: мол, и коробка передач со сцеплением при этом не потребуются, и задний ход при необходимости будет дать куда как легче.

Век пара

Первый «универсальный двигатель» Уатта был испытан весной 1784 года, А уже в 1800 году по всему миру действовали 350 паровых машин суммарной мощностью 6 000 л.с. Еще четверть века спустя их было уже более двух тысяч с суммарной мощностью более 100 000 л.с.! Это подлинное триумфальное шествие продлилось почти весь XIX век: в 1900 году, когда уже начинали внедряться более экономичные и легкие электрические, бензиновые, дизельные двигатели, суммарная мощность испытанных «паровиков» планеты превышала 120 млн. л.с.

Паровые машины надолго стали истинными двигателями прогресса, позволившими многократно увеличить добычу полезных ископаемых, выплавку металлов, производство всевозможной промышленной и сельскохозяйственной продукции, объемы и скорости сухопутных и водных, грузовых и пассажирских перевозок. Ну а поскольку пар требовал самого серьезного к себе отношения, — большое, ускоренное развитие получили также и все, связанные с ним, отрасли науки: теплотехника и термодинамика.

_{Материал опубликован в апреле 2008 в проекте «Телеграф Вокруг света», частично обновлен в октябре 2023}