март 26, 2011
Паровые установки, впервые увидевшие свет в начале XVIII века, использовались в Европе только в качестве насосов. Имя первого изобретателя, как сообщают исторические источники, вряд ли может быть достоверно установлено. Известно, что к 1705 году англичанин Томас Ньюкомен построил пароатмосферную машину для откачки воды из шахт. Эта работа была описана в книге русского ученого Ивана Шлаттера "Обстоятельные наставления по рудному делу", вышедшей в Петербурге в 1760 году. Здесь же шла речь о других изобретениях (например, Сайвери 1698 года). Труд Шлаттера попал в руки Ползунову, и на его основе он в 1763 году разработал собственный проект, соединив две машины Ньюкомена в одном паровом котле. Кабинет одобрил проект и спустя год выдал Ползунову приоритет на изобретение (аналог нынешнего патента). К тому времени самородок продумал второй, более совершенный вариант "огнедейственной машины" и начал строительство. Примечательно, что чертежей и описаний конструкций в книге, по которой он изучал вопрос, не было.
— котел;
— собственно пароатмосферную машину (она состояла из двух цилиндров, в которых поочередно в противоположных направлениях двигались поршни ("эмволы"), снабженные парораспределительной
и водораспределительной системами;
— резервуары, насосы и трубы для снабжения установки водой;
— передаточный механизм в виде системы шкивов с цепями (от балансира Ползунов отказался), приводящей в движение воздуходувные меха.
Второй проект паровой машины отличался от первого мощностью — он был рассчитан на 15 плавильных печей. Это была уже настоящая теплосиловая станция.
Водяной пар из котла поступал на поршень одного из рабочих цилиндров. Этим выравнивалось давление атмосферного воздуха. Поршни в цилиндре были соединены цепями: когда один поднимался, второй опускался. Когда поршень достигал верхнего положения, доступ пара автоматически прекращался, и внутрь цилиндра вбрызгивалась холодная вода. Пар конденсировался, и под поршнем образовывался вакуум. Силой атмосферного давления поршень опускался в нижнее положение и тянул за собой поршень во втором рабочем цилиндре, куда для уравнивания давления впускался пар из того же котла автоматом, действующим от передаточного механизма двигателя. Работали все части двигателя за счет энергии опускающегося поршня. Пар не производил полезной работы в двигателе. Величина этой работы зависела от затраты тепловой энергии на протяжении всего цикла. Количество затраченной тепловой энергии выражало величину потенциальной энергии каждого из поршней. Это был сдвоенный пароатмосферный цикл.
Двигатель предназначался для подачи воздуха в плавильные печи воздуходувными мехами. Одновременно с этим он мог приводить в действие два разных механизма — водяные насосы и воздуходувные мехи, чего не делала до него ни одна машина. Кроме того, он заставлял работать молоты, рудодробилки и многие другие заводские и рудничные механизмы. Также двигатель мог совершать вращательные движения с помощью широко известного в России кривошипного механизма.
Для выполнения работ, по расчетам Ползунова, требовалось 76 человек, в том числе 19 высококвалифицированных рабочих, которых он хотел пригласить с уральских заводов. Канцелярия распорядилась иначе: Ивану Ивановичу было разрешено взять в работу четверых учеников (Овчинникова, Левзина, Черницына и Вятченина) и нескольких отставных мастеровых.
Строительство началась в 1764 году в Барнауле. Во время работы Ползунову приходилось выступать одновременно в роли проектировщика, конструктора, технолога, строителя и воспитателя кадров.
Машина строилась сразу в двух местах. Поддоны, цилиндры и другие крупные части отливали и обрабатывали в одном из цехов Барнаульского завода, где можно было использовать водяное колесо, токарные станки, молоты и т. д. Мелкие детали делали в помещении временно закрытого стекольного завода, где специально для этой цели была построена небольшая плавильная печь с кузнечным горном. Завод находился в верховьях пруда, в трех верстах от поселка.
К 1765 году большинство частей машины было готово. Для сборки построили сарай (высотой с пятиэтажный дом) на правом берегу пруда, недалеко от сереброплавильного и стекольного заводов. Осень ушла на эту работу: надо было поднять на высоту 150-пудовые цилиндры, установить их точно по вертикали в заданных точках, собрать многометровую паутину труб, насосную установку, балансиры и т. д., все закрепить, пропаять. К 7 декабря сборка была закончена. Ползунов взялся за исправление недостатков и не дожил неделю до запуска машины.
Современники называли двигатель Ползунова "плавиленной фабрикой". Высота готовой конструкции составляла около 10 метров. Тепловой двигатель развивал мощность 40 лошадиных сил. Общее время полезной работы машины составило 1023 часа (42 суток и 15 часов). За это время было получено:
— серебра 14 пудов 38 фунтов 17 золотников 42 доли;
— золота 14 фунтов 22 золотника 75 долей.
За вычетом всех расходов на постройку машины, оплату плавильщиков и награды, выплаченной семье уже покойного Ползунова (400 рублей), чистая прибыль от машины составила более 10 000 рублей (по разным источникам, от 11 016 до 12 640 рублей).
Специалисты Алтайского государственного технического университета проанализировали достоинства и недостатки универсального двигателя Ползунова.
Достоинства
— Введение двух цилиндров, работающих на один вал. Автомат питания котла.
— Парораспределительный механизм, управляющий подачей воды и пара на основе зубчатых передач.
— Автоматический регулятор. Отказ от "водяного руководства", суммирование энергии двух цилиндров.
— КПД машины оценивается в 3,5%.
— Обеспеченность цветными и черными металлами.
— Технологии обработки камня (точение) использованы для обработки деталей.
— Использование плотин для получения энергии.
— Подготовка квалифицированных рабочих осуществлена самим автором.
— Автору известны работы от Л. да Винчи до Д. Блэка. Работы Ломоносова могли лечь в основу создания.
— Относительно сформированная приборная база.
— Просматривается попытка создания методики теплового расчета.
— Определена топливная экономичность.
— Двигатель мог приводить в движение орудие непрерывного действия, групповой привод агрегатов.
— Двигатель мог быть отсоединенным от приводимого им агрегата.
— Удельная масса снижена за счет исключения системы балансиров.
— Материалоемкость снижена за счет использования стали.
— Двигатель был всесезонным.
— В качестве топлива использовался древесный уголь.
— Сложность обслуживания снижена за счет применения автоматики управления.
— Безопасность обеспечивалась клапанами сброса давления. Автоматическое наполнение котла водой.
Недостатки
— Не использовалась идея подачи пара с двух сторон поршней.
— Не использован золотник парораспределения.
— Отсутствует конденсатор паров воды.
— Недостаточно внимания уделено снижению механических потерь в паре "поршень-цилиндр".
— Использование меди для изготовления котла.
— Привод энергии воды с низким КПД.
— Зависимость от климатических условий.
— Нехватка инженерных кадров.
— Нет специальной измерительной аппаратуры.
— Методика теплового расчета несовершенна.
— Двигатель не рассчитан на использование каменного угля, газа, нефти.
Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закрепленных на шаре, заставлял последний вращаться.
Реальная паровая турбина была изобретена в средневековом Египте арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диноме. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закрепленные по ободу колеса.
Англичанин Эдвард Сомерсет опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъема воды на стену Большой башни в замке Реглан.
Дэни Папен в ходе множественных экспериментов понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведен отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла.
Первым примененным на производстве паровым двигателем была "пожарная установка", сконструированная английским военным инженером Томасом Сайвери.
Английский кузнец Томас Ньюкомен продемонстрировал свой "атмосферный двигатель" — первую паровую машину, пущеную в серийное производство.
Ученики Ивана Ползунова, умершего за несколько дней до испытания машины, сдают ее успешно в эксплуатацию. Двигатель Ползунова коренным образом отличался от машины Ньюкомена. Та была одноцилиндровой и пригодной лишь для откачки воды из шахт. Двухцилиндровый двигатель непрерывного действия Ползунова мог подавать дутье в печи и откачивать воду.
Джеймс Уатт модернизирует машину Ньюкомена, вдвое увеличивая ее эффективность. В 1776 г. машина была построена и успешно прошла испытания.
Ричард Тревитник усовершенствует машину Уатта, для того чтобы приспособить ее к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода. Такие машины получили название машин Корниша и строились вплоть до 1890-х годов.