История создания паровой  машины

В 1784г. англичанин Джеймс Уатт взял патент на паровую машину. Однако история создания паровой машины является классическим  подтверждением  мысли  К. Маркса,  писавшего «Критическая история технологии вообще показала бы, как мало какое бы то ни было изобретение XVIII столетия принадлежит тому или иному отдельному лицу».

Еще задолго  до рождения Уатта, в 1681г., французский  ученый Дени Папен решил создать  машину для откачки воды из шахт, применив в качестве движущей силы порох, а позже водяной пар. Появилась пароатмосферная машина, в совершенствование которой весомый вклад внесли английские изобретатели Томас Севери, Томас Ньюкомен, а также наш соотечественник талантливый) изобретатель-самоучка Иван Иванович Ползунов.

Далекая от совершенства пароатмосферная машина привлекла к себе внимание судостроителей, и в частности, Д. Папена. На последние деньги изобретатель купил небольшое судно и установил на нем водоподъемную пароатмосферную машину своей конструкции. Падая с высоты, вода должна была вращать гребные колеса.

В 1707г. в Германии с набережных р. Фульды любопытные взирали на необычное  судно, двигавшееся по реке без весел  и парусов. Испытания закончились  катастрофой: двигатель взорвался, погибло несколько человек. На Папена обрушился гнев обывателей и властей, чем не замедлили воспользоваться судовладельцы, стремясь убрать с пути конкурента. Судно было разрушено, а всеми забытый изобретатель спустя несколько лет умер.

Следует признать, что пароход Папена не имел будущего. Двигатель был крайне неэкономичен и, что самое главное неудобен в эксплуатации. Чтобы машина работала, на дно цилиндра необходимо было залить немного воды. Под цилиндром была расположена жаровня; вода закипала, пар, расширяясь, поднимал поршень. Воздух из пространства над поршнем выталкивался через специальный клапан. После этого жаровню надо было убрать, перекрыть клапан для удаления воздуха и охладить стенки цилиндра водой. При этом пар в цилиндре конденсировался, под поршнем создавалось разрежение и под действием атмосферного давления он возвращался в первоначальное положение. Полезная работа совершалась в процессе движения поршня вниз.

У Папена нашлись последователи. В 1736г. англичанин Д. Хулл построил судно с пароатмосферной  машиной и лопастными колесами в  качестве движителя. Опыт оказался удачным. Было построено несколько подобных судов, которые применялись для буксировки барж, судов и кораблей. В связи с недостаточной надежностью пароатмосферной машины суда Хулла в качестве основного средства движения были оснащены парусами. Однако, хотя Хулл и оказался удачливее Папена, от его судов постепенно отказались; давали себя знать специфические недостатки пароатмосферных машин.

Жизнь между тем не стояла на месте. Все  настоятельнее становилась необходимость  замены парусного движителя другим, более эффективным, не зависящим от капризов природы, который позволил бы увеличить скорость судов и кораблей. В 1753г. парижская Академия наук объявила конкурс и назначила награду тому, кто предложит способ заменить силу ветра для движения судов другими видами энергии. Однако, хотя в конкурсе участвовали такие авторитетные ученые, как Д. Бернулли, Л. Эйлер, Кантон де Лакруа и другие, награда не была вручена никому.

Шли годы. По мере развития науки и техники  все отчетливее ощущалось, что идея эффективного механического двигателя витает в воздухе. Необходимость в таком двигателе диктовалась промышленной революцией, которая вовлекала в свою орбиту все новые страны. Первенство в темпах промышленного развития продолжала удерживать Англия, которая к концу XVIII в. создала крупную промышленность, быстро завоевавшую мировую монополию. «Социальный заказ» на эффективный механический двигатель становился все более актуальным, И такой двигатель был создан.

Рис. 1. Буксирный катер  «Шарлотта Дандас»

Изучая  в течение нескольких лет пароатмосферные  машины, механик из Глазго Д. Уатт пришел к выводу, что для того, чтобы  машина была эффективной, необходимо обеспечить равенство температуры в цилиндре и температуры пара, поступающего в машину: ведь в пароатмосферных машинах цилиндр приходилось периодически охлаждать водой. Уатт заключил цилиндр в паровую рубашку, поддерживая его, таким образом, в постоянно нагретом состоянии. Кроме того, изобретатель трубой соединил цилиндр с отдельным сосудом, погруженным в проточную воду,— конденсатором. Отработавший в цилиндре пар поступал по трубе в конденсатор, где конденсировался, превращаясь в воду.

Продолжая совершенствовать двигатель, Уатт создал в конденсаторе разрежение, что позволило сконденсировать в нем весь пар, поступивший из цилиндра. Благодаря разрежению в конденсаторе стало возможным существенно увеличить процесс расширения пара, а значит, извлечь из того же количества пара с тем же первоначальным давлением значительно большую работу. Это было венцом успеха. 

  Рис. 2. «Клермонт».

Пар в  цилиндр Уатт подавал попеременно: под поршень, чтобы его поднять, и над поршнем, чтобы его опустить. Таким образом, в отличие от пароатмосферной, в машине Уатта оба хода поршня стали рабочими. У первых машин Уатта расход угля на 1л. с. был в 3—4 раза меньше, чем у пароатмосферных.

Паровая машина быстро завоевала сначала  Англию, а затем и весь мир.

В 1802 г. англичанин Уильям Саймингтон построил судно с машиной Уатта мощностью 10 л.с.— буксирный катер «Шарлотта  Дандас». В качестве движителя на катере было применено гребное колесо, расположенное в корме (рис. 1). Испытания  прошли успешно. За шесть часов при сильном встречном ветре «Шарлотта Дандас» отбуксировала по каналу на 18 миль две баржи. Однако, опасаясь, что волны от гребного колеса размоют берега канала, судно поставили на прикол.

Среди зрителей, наблюдавших за испытаниями  «Шарлотты Дандас», находился Роберт Фултон (1765—1815), которого принято считать изобретателем первого парохода. Фултон родился в семье бедного ирландского эмигранта. Увлекавшийся живописью юноша отправился в Англию, где вскоре занялся судостроением, которому посвятил всю свою дальнейшую жизнь.

В компании с американским посланником во Франции  Р. Ливингстоном, взявшим на себя финансовую сторону дела, Фултон строит судно  с паровой! машиной — сложное  сооружение, в котором использована идея весельного движителя. Ряд плиц гусеничного устройства, расположенных побортно, как бы имитировал большое число весел. При этом плицы мешали друг другу и зачастую ломались. Разумеется, можно было получить тот же эффект, заменив множество плиц двумя-тремя, но... Это очевидно с позиций науки и техники настоящего времени; тем, кто более 150 лет назад создавал первые пароходы, приходилось значительно труднее.

В 1803г. судно было испытано на Сене в присутствии  огромного числа зрителей, среди  которых находились многие ученые Парижа. Пароход шел ровным, хотя и очень малым ходом — немногим более 2 уз. Однако попытка предложить судно правительству Наполеона оказалась безуспешной. Раздосадованные компаньоны в 1806г. направились на родину Ливингстона, чтобы строить там пароходы.

«North River Steamboat», известный в литературе под названием «Клермонт», водоизмещением 160 т с паровой машиной мощностью 20 л. с. был испытан в августе 1807г. Многие из собравшихся на берегах Гудзона не верили в успех. Но вот дрогнули и завертелись колеса; «Клермонт» пошел (рис. 2).

Началась  коммерческая эксплуатация парохода. В первый рейс Фултон отправился без  груза и без пассажиров: желающих испытывать судьбу на борту огнедышащего судна не нашлось. Но на обратном пути объявился смельчак — фермер, купивший билет за шесть долларов. Это был первый пассажир в истории пароходства. Растроганный изобретатель предоставил ему пожизненное право бесплатного проезда на своих судах.

 Рис. 3. Пароходофрегат «Демологос»

Почему  именно Р. Фултона принято считать  изобретателем первого парохода. Ведь мы уже знаем, что задолго  до него пытались использовать паровой  двигатель на судах. Дело в том, что  Фултон не просто применил паровую  машину, но создал надежное паровое судно, вполне пригодное для повседневной эксплуатации.

Под руководством Фултона в Америке было построено  несколько колесных пароходов. Правда, их скорость не превышала 7 уз, что объясняется  сравнительно небольшой мощностью  паровых     машин    и    неоптимальными    формообразованиями корпуса. В течение первых лет своей деятельности в качестве судостроителя Фултон полагал, что наиболее благоприятной с точки зрения ходкости является плоскодонная подводная часть корпуса.

Одним из последних проектов изобретателя был первый в истории военный пароходофрегат «Демологос», после смерти Фултона переименованный в «Фултон-первый» (рис. 3). Корабль имел два корпуса с продольным промежутком между ними, в котором размещалось гребное колесо, защищенное таким образом от боевых и навигационных повреждений.

Машина  располагалась в одном корпусе, а котел в другом. Фрегат был  вооружен 20 пушками. Кроме того, в  трюме ниже ватерлинии в носу и  в корме было размещено по одной  пушке для стрельбы ядрами по подводной  части неприятельских кораблей. На ходовых испытаниях, до которых Фултон не дожил, «Демологос» развил скорость 5 уз.

* В системе СИ 1 я. с. = 736 Вт