История паровых машин

    История паровых машин началась еще в первом веке до нашей эры, одним из великих ученых древней Греции, Героном Александрийским был написан трактат «Пневматика». В нем описывались машины использовавшие энергию тепла. Наиболее интересными для нас, были две тепловые машины.

Эолипил - шар «Эола», вращался вокруг своей  оси под действием выходящего из него пара. Фактически это был  прообраз будущих паровых турбин.

Еще одним  замечательным устройством Герона Александрийского был привод дверей храма, открывающихся под действием огня зажженного на алтаре. При детальном разборе в этой сложной системе механизмов мы можем увидеть первый паровой насос.

Все тепловые машины созданные Героном Александрийским использовались лишь в качестве игрушек. Они не были востребованы в свое время.

  Настоящая история паровых машин начинается лишь в 17 веке. Одним из первых, кто создал действующий прообраз паровой машины, был Дени Папен. Паровая машина Папена, была фактически лишь набросками, моделью. Он так и не сумел создать настоящую паровую машину, которая могла бы использоваться на производстве. Но его труды не были забыты на тысячелетия как труды Герона. Все его идеи нашли применение в следующем поколении паровых машин.

Если  точно установить, кто первым в истории техники создал паровую машину очень сложно, то вот кто первым запатентовал и применил на практике свою паровую машину известно достоверно. В 1698 году, Англичанин Томас Севери, зарегистрировал первый патент на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня…». Как видите описание патента очень расплывчато. В действительности, им был создан первый паровой насос. Единственное что он мог делать, поднимать воду. При этом КПД насоса был крайне низким, потребление угля было просто огромно. Поэтому основное применение насос получил на угольных шахтах. Им откачивали грунтовые воды.

В 1712 году, мир увидел паровую машину Томаса Ньюкомена. Паровая машина Ньюкомена вобрала в себя лучшие идеи из паровой машины Папена и парового насоса Севери. В ней для совершения движения применялся паровой цилиндр с поршнем как в паровой машине Папена. При этом пар получали отдельно, в паровом котле, как в паровом насосе Севери.

Несмотря  на серьезный прорыв в создании паровых  машин, свое основное распространение  машина Ньюкомена получила только как  привод для водяных насосов. Главные  недостатки, паровой машины Ньюкомена  заключались в ее огромных размерах и большом потреблении угля. Попытки применить ее для привода пароходов не увенчались успехом.

Более 50 лет паровая машина Ньюкомена  оставалась неизменной. В 1763 году, Джеймсу  Уатту, работавшему механиком в  университете Глазго, предлагают починить паровую машину Ньюкомена. В процессе работы с машиной Ньюкомена, Уатт приходит к мысли, что неплохо бы ее усовершенствовать.

Во-первых, Уатт решает, что паровой цилиндр  надо держать постоянно горячим. Так можно будет сократить  расход угля. Для этого он создает  конденсатор для охлаждения пара. Следующее, что он делает, изменяет принцип работы парового цилиндра. Если в паровой машине Ньюкомена рабочий ход машина свершала под действием атмосферного давления, то в паровой машине Уатта, поршень свершал рабочий ход под действием давления пара. Благодаря этому можно было увеличить давление в цилиндре и уменьшить размер паровой машины.

В 1773 году, Уатт, строит свою первую действующую паровую  машину. А в 1774 году, совместно с  промышленником Метью Болтоном, Уатт открывает компанию по производству паровых машин. Дела шли успешно и Болтон, просит Уатта создать паровую машину для своего нового листопрокатного завода.

В 1884 году, Уатт создает первую универсальную паровую машину. Ее основное назначение – привод промышленных станков. С этого момента, паровая машина перестает быть привязана к угольным шахтам. Ее начинают применять на заводах, устанавливать на пароходы, создавать поезда.

Именно паровая машина Уатта совершила технологический прорыв в технике. Она открыла новую эпоху в истории техники – эпоху паровых машин.

Многие называют Джеймса Уатта, первым создателем паровой  машины. Но мы ведь с вами знаем, какова была истинная история паровой машины.

  На  основе интернационального труда названных  и многих иных изобретателей и  исследователей удалось создать  на рубеже XVII--XVIII в. первые промышленные установки, в которых за счет тепловой энергии получали механическую. Однако эти установки были пригодны исключительно для подъема воды. В лучшем случае при помощи их можно было накачать воду в какой-либо резервуар, а затем пускать ее на Прадедовское водяное колесо, которое и приводило в действие заводский механизм. Это были всего лишь, как их справедливо называли, огнедействующие насосы.  

  Для дальнейшего движения по пути технического прогресса необходимо было создать  новую машину, способную за счет превращения тепловой энергии в  механическую непосредственно приводить в действие любой заводской механизм.

  Проект  первой в мире паровой машины, способной  приводить в действие любые рабочие  механизмы, предложил 25 апреля 1763 года русский изобретатель И.И. Ползунов, механик на Колывано-Воскресенских горнорудных заводах Алтая.

Биографическая  справка великого инженера

Ползунов  Иван Иванович (1728 - 1766)

(1728, Екатеринбург  — 27 мая 1766, Барнаул) — русский  изобретатель, создатель первой  в России паровой машины и  первого в мире двухцилиндрового  двигателя.

  Он  родился в 1728 г. в Екатеринбурге. Его отец был солдатом Екатеринбургской роты. Он учился 6 лет в словесной и арифметической школах при Екатеринбургском металлургическом заводе.

  В 1742 г. Ползунову пришлось преждевременно и притом навсегда покинуть школу. Его заставили прервать учебу и пойти на Екатеринбургский завод, где он получил должность гиттеншрейбера, то есть плавильного писаря. Работа эта не только техническая, так как юноша узнавал, сколько и какой руды, угля, флюсов нужно для плавки в той или иной печи, знакомится, хотя и теоретически с режимом плавки. В библиотеке он знакомится с трудами М. В. Ломоносова, а также изучает устройство паровых машин

  Водяное колесо -- ведущий двигатель тогда  во всем мире -- здесь было основным. А применение водяного колеса привязывало завод к плотине, ставило производство в зависимость от времени года и по целому ряду статей ограничивало развитие его. Это было, как впоследствии выразился Ползунов, доподлинное "водяное руководство".

  В 1748 г. он приехал на Алтай для работы на Колывано-Воскресенских заводах. "Водяное руководство" он увидел и здесь. Приходилось учиться у плавильной печи, в руднике, перенимая опыт и знания у практиков, ведь ни вузов, ни техникумов, ни даже школ на Алтае в ту пору не было, как не было технической литературы на русском языке. Кроме изучения различных горных работ Ползунов именно здесь впервые проявил себя как изобретатель. Он принял участие в постройке близ плотины новой лесопилки. Пильная мельница была первым заводским сооружением, возведенным под руководством И.И.Ползунова. Ползунов сумел сам, в свободное от занятий время, овладеть передовой наукой и техникой того времена. Он стал знатоком практики и теории технических дел. Он все время стремился улучшать поручаемые ему дела, ввел много новшеств, изобретений. 

  В алтайской глуши к шестидесятым годам XVIII в. сформировался замечательный  человек Изобретатель и конструктор, технолог ц машиностроитель, строитель  пильных мельниц и рудотолчейно-промывальных предприятий, знаток руд и строительных материалов, опытный горняк и металлург, механик и математик, физик и метеоролог, мастер тонких опытов и искусник в приборостроении, педагог и график -- таким был этот выдающийся представитель русской технической мысли. Своим трудом он сам накопил обширные познания, познакомился с передовой русской и зарубежной литературой, стал человеком широкого кругозора и великих революционных дерзаний, твердо стоящим на почве действительности.

  Он  видел, что народу живется плохо, и задумал, если ее при жизни своей, то хотя бы в будущем облегчить народный труд: "Облегчить труд по нас грядущим".

  Он  рассуждал так: для того чтобы  народу легче жилось, страна должна стать возможно более богатой, а  для этого необходимо иметь возможно больше заводов, фабрик и мануфактур. Развитие же производства упиралось тогда в слабость техники, прежде всего в то, что основным двигателем являлось старое водяное колесо, привязывавшее заводы к рекам, да притом не ко всем, а только к немногим, удобным для использования их водяных сил ограниченными техническими приемами того времени.

  Казалось, что нет выхода из этого тупика. Но выход был найден. Ползунов решил: необходимо создать новую технику. В век, когда во всем мире господствовало водяное колесо, он задумал "водяное  руководство пресечь", освободить производство от рабской зависимости от старого водяного двигателя.

  В годы, когда в России и за рубежом  применялись немудреные, в основном деревянные машины, срубленные топором, он сказал:

  "Вся  машина должна быть сделана  из металла".

  Он  понял, что необходимо все производство -- "заводы, фабрики, мануфактуры" -- перевести на новую техническую основу, а такой новой основой он считал особенную машину, еще не бывшую нигде во всем мире. Он поставил перед собой задачу создать  "огненную машину, способную по воле нашей, что будет потребно исправлять".  
 
 

Изобретение паровой машины 

Строительство паровой машины

  И.И. Ползунов предлагал построить вначале  небольшую машину. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную машину для мощной воздуходувки.

Для выполнения работ, по расчетам Ползунова, необходимо было 76 человек, в том числе 19 высококвалифицированных  рабочих, которых он намеревался  пригласить с Уральских заводов. Канцелярия распорядилась по-своему: было разрешено взять всего троих, причем учеников. Постройка установки (полностью железной, в доме высотой более 20 м), начатая в январе 1764 на Барнаульском заводе, протекала в трудных условиях. Ползунову приходилось одновременно выступать в роли проектировщика, конструктора, технолога, строителя и воспитателя кадров. 

В помощь Ползунову были выделены  несколько  рабочих. Основными помощниками Ползунова считались юные ученики, особенно Дмитрий Лезвин и Иван Черницын.

  Строитель преодолел все трудности. Он изготовил специальный инструмент для строительства. Он создал специальные станки для того, чтобы выполнять "машинную на водяных колесах... токарную работу".

  Первый  русский теплотехник, он стал одним  из пионеров мирового машиностроения.

  Творец  первой двухцилиндровой паровой  заводской машины, он решил при ее постройке очень иного частных, но очень важных технических задач. Он изобрел оригинальное крановое паро- и водораспределение, основанное на возвратно-вращательных движениях, осуществляемых при помощи зубчатых передач. Самое создание парораспределения для двухцилиндрового двигателя представляло собою новое изобретение.

  Он  изобрел прибор для автоматического  питания котла, балансирный передаточный механизм для двухцилиндрового двигателя, аккумулятор дутья--воздушный ларь, шарнирные цепи для передаточного механизма.  
 

  Он  изобрел способ питания парового котла исключительно подогретой водой.

  Кроме того, пришлось решить массу частных  задач, связанных с тем, что ему  надо было впервые осуществить постройку  огромной паровой машины для заводских нужд, ни одна из деталей которой ранее не изготовлялась в стране.

  Все задачи были решены и притом блестяще.

  20 мая 1765 г. было уже готово  сто десять частей установки,  не считая котла с его арматурой  и гарнитурой. Отдельные части  весили более ста семидесяти пудов. Наибольший диаметр котла составлял 3,5 метра. Паровые цилиндры имели в высоту 2,8 метра.

  На  исходе 1765 г. теплосиловая установка  Ползунова была закончена. На берегу заводского пруда возвышалось машинное здание высотой более 18 метров. Машина была готова, но постройка воздуходувной установки, для работы которой предназначили машину, всего лить начата. К постройке плавильных печей еще не приступали по вине начальства.

  Строилась она год и девять месяцев. Когда  машина уже прошла первое испытание, изобретатель заболел скоротечной чахоткой и за несколько дней до завершающих испытаний умер (16 мая 1766 г.).

  23 мая 1766 года ученики Ползунова  Лезвин и Черницын одни приступили  к последним испытаниям паровой  машины. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на ее постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль в 12640 рублей 28 копеек. Это при том условии, что использовали только одну треть развиваемой машиной мощности: одну треть дутья использовали, а две трети выпускали в воздух. Если бы машину загрузили полностью, она принесла бы намного больше дохода.

  10 ноября 1766 г. произошло то, что предвидел строитель. Котел, на который отпустили слишком тонкие медные листы, дал течь и машина остановилась. Несмотря на то, что эту неисправность можно было легко устранить, заводское начальство, не заинтересованное в механизации, забросило творение Ползунова.

  Первая  в истории паровая машина, предназначенная  не для подъема воды, а для заводских  нужд, действовала успешно, хотя из всех людей, занятых ее эксплуатацией, некоторый опыт был только у юных учеников Ползунова. Ведь ни один специалист не был дан в помощь изобретателю во время строительства.  
 

Историческая  оценка ползуновского  изобретения. Взгляд из 1947 года

  Начатое Палласом и Фальком завершили  Ирман и Меллер, физически уничтожившие машину Ползунова.

На вечные времена  останется записанным на страницах  истории, что русский новатор  И. И. Ползунов за двадцать с лишком лет до Джемса Уатта построил первую паровую машину не для подъема воды, а для заводских нужд. Машина Уатта для непосредственного привода заводских механизмов, построенная в 1784 г.. была несравненно совершеннее 
 

  первой, а машина английского -- второй паровой  машиной, созданной для непосредственного привода заводских механизмов.

  Трагически  закончились жизнь и дело И. И. Ползунова, но неправильно было бы думать, что его почин не имел значения для последующего развития техники.

  Машину  Ползунова видели не только Паллас и Фальк, но и многие другие специалисты-иностранцы. В таких людях не было недостатка в те годы в Барнауле и вообще на Колывано-Воскресенских заводах Алтая. Здесь постоянно работали многие иностранные горнозаводские специалисты: Христиани, Эйсфельт, Улих, Леубе и другие, имевшие связи с зарубежными деятелями. Барнаул в те годы часто посещали ученые путешественники. В 1772 г. здесь побывали: Иоганн Готлиб Георги, молдавский грек Христофор Барданес. Затем в Барнаул приезжали: Евгений Патрон, Иван Ренованц, Иоанн Сиверс и другие выдающиеся исследователи XVIII в. В Барнауле же с января 1764 г. работал замечательный натуралист, химик и минералог Эрик Лаксман, писавший за рубеж о творческом подвиге Ползунова и справедливо сказавший о нем:  "Муж, делающий истинную честь своему отечеству".

  Горнозаводские  дела России, именно в те годы завоевавшей  мировое первенство в металлургии, привлекали внимание широких кругов зарубежных предпринимателей. Они стремились выведать, на чем держатся успехи русских, и, несомненно, машина Ползунова стала известной за рубежом не только в том извращенном виде, как это преподнесли Паллас и Фальк. Больше того, в 1794 г. в Англии на прядильной фабрике в Манчестере появилась двухцилиндровая огнедействующая машина, воспроизводящая машину, изобретенную Ползуновым. Строитель английской машины, повторивший изобретение Ползунова, носил весьма любопытную фамилию -- Фальк... Этот Фальк приспособил к построенной им машине некоторые новшества, и она работала более тридцати лет, подтвердив тем самым обоснованность предложений И. И. Ползунова.

Почин Ползунова  подхватили продолжатели его дела в  нашей стране. Оригинальный проект новой огнедействующей машины создал ещё в XVIII в. в Кронштадте "шлюзной  подмастерье поручиского рангу" Роман Дмитриев. В девяностых годах  того же столетия работал в Кронштадте и в далеком Забайкалье строитель огнедействующих машин Федор Борзой. В те же годы при постройке и использовании таких машин работали в Кронштадте: Евстафий Кокушкин, Алексей Андреев, Илья Леонтьев, Петр Михеев. Дмитрий Смирной, Дмитрий Кондратьев. Огненными машинами в России все в том же веке занимался тверской губернский механик Лев Сабакин, трудились в этой области и иные. Этими машинами в последние десятилетия 'XVIII в. занимались и государственные деятели: И. Г. Чернышев, И. С. Мордвинов, В. Г. Лизакевич, посол в Англии Мусин-Пушкин, олонецкий губернатор Тутолмин и другие. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Строительство машины  

Необходимые познания о природе теплоты, свойствах  воды, воздуха, пара он почерпнул из трудов М.В.Ломоносова. Трезво оценивая трудности осуществления совершенно нового в России дела, Ползунов предлагал построить вначале в порядке эксперимента одну небольшую машину разработанной им конструкции для обслуживания воздуходувной установки (состоявшей из двух клинчатых мехов) при одной плавильной печи.

 
На чертеже, приложенном  к записке, в объяснительном тексте установка, согласно первому проекту Ползунова, включала: котел - в общем той же конструкции, которая применялась в ньюкоменовских машинах; пароатмосферную машину, состоявшую из двух цилиндров с поочередным движением в них поршней ("эмволов") в противоположных направлениях, снабженных 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. Водяной пар из котла поступал на поршень одного из рабочих цилиндров. Этим выравнивалось давление атмосферного воздуха. Давление пара лишь незначительно превышало давление атмосферного воздуха. Поршни в цилиндре были соединены цепями, и при подъеме одного из поршня второй опускался. Когда поршень достигал верхнего положения, доступ пара автоматически прекращался, и внутрь цилиндра вбрызгивалась холодная вода. Пар конденсировался и под поршнем образовывался вакуум (разреженное пространство). Силою атмосферного давления поршень опускался в нижнее положение и тянул за собою поршень во втором рабочем цилиндре, куда для уравнивания давления впускался пар из того же котла автоматом, действующим от передаточного механизма двигателя. Тот факт, что поршни с системой передачи движения были связаны цепями, показывает, что при подъеме поршней по цепи нельзя было передавать движения (цепь при этом не натянута). Работали все части двигателя за счет энергии опускающегося поршня. т.е. того поршня, который двигался под действием атмосферного давления. Пар не производил полезной работы в двигателе. Величина этой работы зависела от затраты тепловой энергии на протяжении всего цикла. Количество затраченной тепловой энергии выражало собою величину потенциальной энергии каждого из поршней. Это - сдвоенный пароатмосферный цикл. Ползунов отчетливо представлял принцип работы теплового двигателя. Это видно на примерах, которыми он характеризовал условия наилучшей работы изобретенного им двигателя. Зависимость работы двигателя от величины температуры воды, конденсирующей пар, он определял следующими словами: "действие эмволов и их подъемы и спуски тем сделаются выше, чем в фанталах будет вода холоднее, а паче от такой, которая близ пункта замерзания доходит, а еще не сгустеет и от того во всем движении многую подаст способность".

 
Это положение, известное  ныне в термодинамике  в качестве частного случая одного из основных ее законов, до Ползунова  еще не было сформулировано. Сегодня это означает, что работа теплового двигателя будет тем больше, чем ниже будет температура воды, конденсирующей пар, а особенно при достижении ею точки затвердевания воды - 0 градусов по Цельсию.  
 
Двигатель Ползунова в его проекте 1763 года предназначался для подачи воздуха в плавильные печи воздуходувными мехами. При желании двигатель легко мог совершать вращательные движения с помощью широко известного в России кривошипного механизма. Проект Ползунова был рассмотрен канцелярией Колывано-Воскресенских заводов и получил высокую оценку со стороны начальника заводов А.И.Порошина. Порошин указывал, что если Ползунов возьмется сделать машину, годную для обслуживания нескольких печей сразу, если он построит машину, пригодную для выливки воды из рудников, то Канцелярия охотно поддержит его замыслы. Окончательное решение этого вопроса оставалось за Кабинетом и хозяйкой заводов - Екатериной II. Проект был направлен в Петербург, но ответ Кабинета был получен в Барнауле только через год.  
 
Указом Кабинета от 19 ноября 1763 г. императрица пожаловала изобретателя в "механикусы" с чином и званием инженерного капитан-поручика. Это означало, что Ползунову теперь было обеспечено жалование в 240 рублей годовых, с добавлением на двух денщиков и содержание лошадей он получал 314 рублей. Ему было обещана награда в 400 рублей. Все это - немалая милость. Она еще раз свидетельствует о том, что императрица Екатерина II любила поддерживать свою славу покровительницы наук и искусств. Но размеры поощрения подтверждают, что значение изобретения Ползунова не поняли в Петербурге.