Промышленный переворот и двигатель Уатта
Промышленный переворот представлял собой замену ручного ремесленного и мануфактурного производства машинным фабрично-заводским производством.
Рост спроса на машины, строившиеся уже не для каждого конкретного промышленного объекта, а на рынок и ставшие товаром, привел к возникновению машиностроения, новой отрасли промышленного производства. Зарождалось производство средств производства.
Широкое распространение технологических машин сделало совершенно неизбежной вторую фазу промышленного переворота - внедрение в производство универсального двигателя. Если старые машины (песты, молоты и т. п.), получавшие движение от вращающихся валов водяных колес, были тихоходными и обладали неравномерным ходом, то новые, особенно прядильные и ткацкие, потребовали вращательного движения с большой скоростью. Только это могло обеспечить достаточную производительность станков и повысить степень равномерности натяжения хлопчатобумажных, шерстяных или льняных нитей, чтобы не допускать их разрыва.
Таким образом, характеристика «универсальность по техническому применению» в процессе развития первой фазы промышленного переворота приобрела новые конкретные черты: универсальный двигатель должен отдавать работу в форме однонаправленного, непрерывного и равномерного вращательного движения.
В этих условиях неизбежно должны были появиться конструкции двигателей, способные удовлетворить назревшие требования производства. Конструкторы и изобретатели стремились прежде всего приспособить освоенный многолетней практикой двигатель Ньюкомена - Коули для равномерного вращения шкивов прядильных и ткацких станков.
Многие участники изобретения универсального двигателя оказались забытыми. Обширная литература по истории развития паровых двигателей до последнего времени выделяла из числа изобретателей универсального двигателя одного Д. Уатта. На это есть свои причины. Во-первых, Д. Уатт и его компаньон, заводчик М. Болтон, запатентовав такие приемы использования пара, как конденсация в отдельном конденсаторе и применение избыточного давления, крайне ограничили возможности других изобретателей. Во- вторых, двигатель Уатта (рис. 1.15), будучи равноценным с другими в отношении универсальности по техническому применению, был вдвое экономичнее по расходу топлива благодаря отделенному конденсатору. Экономичность двигателя и коммерческий талант заводчика Болтона сделали Уатта одним из наиболее известных изобретателей в мире.
Уатт начал свою работу в 1763 г. почти одновременно с Ползуновым, но с иным подходом к проблеме двигателя и в совершенно других экономических условиях. Ползунов начинал с общеэнергетической постановки задачи о полной замене зависящих от локальных условий гидросиловых установок универсальным тепловым двигателем, но не смог реализовать свои смелые планы в крепостной России.
Уатт начал с частной задачи - повышение экономичности двигателя Ньюкомена - Коули, возникшей в связи с порученной ему, как механику университета в Глазго (Шотландия), работой по починке действовавшей модели водоотливной паровой установки.
В 1769 г. Уатт запатентовал паровой двигатель с отдельным конденсатором. Конструкция этого двигателя уже содержала паровой котел, цилиндр, конденсатор. Отделение конденсатора явилось существенным шагом в поисках путей снижения расхода топлива, но не разрешило основную задачу - получение непрерывного вращательного движения; универсальный двигатель с таким движением может работать и без конденсатора.
Благоприятные условия деятельности Уатта: денежная поддержка промышленников, общение с учеными, поддержка в парламенте и, наконец, возможность использования высококвалифицированных инженерных кадров - позволили ему осуществить ряд важных мероприятий, резко повысивших экономичность парового двигателя. Главные из них - введение паровой рубашки, уменьшавшее температурные колебания стенок цилиндра и потерю пара от конденсаций на них, и расширение пара в полости цилиндра.
Расширение пара (правда, очень незначительное) применялось уже в двигателях Ньюкомена - Коули, где оно являлось результатом прекращения впуска пара при подходе поршня к мертвой точке во избежание резких толчков. Уатт исследовал экономический эффект более раннего прекращения впуска пара в цилиндр и ввел расширение пара на значительной части хода поршня. Это резко снижало удельный расход пара. Стремясь компенсировать потерю мощности, вызванную отсечкой пара, без увеличения размеров цилиндра, Уатт предложил впускать пар во вторую полость цилиндра. Таким путем он пришел к двигателю двойного действия, в котором осуществляется один из методов суммирования работы полостей. Теперь уже не составляло особого труда построить двигатель с вращательным движением: нужно было только применить маховик для достижения равномерности вращающего момента. Уатт писал, что применить кривошипно-шатунный механизм к «паровой машине было так же легко, как воспользоваться ножом, предназначенным для резки хлеба, для разрезания сыра».
Чтобы обойти патентные запреты, Уатт использовал планетарную передачу, тем самым увеличив вдвое число оборотов вала, что привело к четырехкратному увеличению выравнивающего действия маховика. Уатт не отказался от балансира, используя для его соединения со штоком двигателя параллелограмм, теория которого значительно позднее была разработана П. Л. Чебышевым.
Наконец, Уатт ввел центробежный регулятор скорости, изменявший сечение паропровода, а следовательно, и подачу пара к двигателю при изменении числа оборотов вала. Этот регулятор, как и регулятор уровня воды в котле Ползунова, явился одноимпульсным механическим регулятором простого действия с одним регулируемым параметром. Теория центробежных регуляторов была разработана И. А. Вышнеградским только в 1877 г.
Двигатели Уатта повсеместно начали решительно вытеснять водяное колесо. Если с 1700 по 1769 г. было установлено около 140 паронасосных установок, из которых около 100 работали по откачке воды на рудниках и шахтах, а остальные - в водопроводных схемах различного назначения (городские, промышленные, парковые), то, начиная с 1775 г., количество паровых установок резко возросло. Количественное увеличение и внедрение в промышленность и транспорт тепловых установок, характерное для конца XVIII и всего XIX в., сопровождалось увеличением их единичной мощности и повышением КПД.
