Машина-двигатель От водяного колеса до атомного двигателя

А кроме того, в большом производстве уже стала нетерпима сезонность работы водяных колес, — зимой почти вся фабрика должна была или вовсе останавливаться, или работать далеко не на полную мощность. Кроме того, из-за водяных двигателей и вся фабрика оказывалась как бы привязанной к реке, хотя во многих случаях сюда было далеко и дорого подвозить сырье, отсюда далеко и дорого было перевозить готовые изделия, здесь чувствовался недостаток в рабочей силе.
Словом, внимание промышленников стали всё больше и больше приковывать к себе работы по созданию теплового двигателя, действующего паром. Удобство такого двигателя было очевидным. Потребность в нем всё больше и больше нарастала. Инженеры, техники, механики всего мира вплотную заинтересовались паром…
Уже в семнадцатом веке, и даже несколько ранее, многие передовые люди, ученые и инженеры, предвидели, какие широкие возможности откроются перед тепловым двигателем, и настойчиво искали пути использования силы пара.
Наиболее важной технической задачей того времени была задача создания двигателя, который приводил бы в движение насосы, откачивающие воду из шахт.
Без таких насосов в шахтах работать было нельзя, — подземные воды просачивались и мешали добывать уголь и руду. Насосы приводились в движение лошадьми, но при таком «двигателе» эти насосы обладали малой производительностью и мощностью, — не успевали откачивать воду, не могли поднимать воду с больших глубин. Надо было строить насосы больших мощностей, но для них нужны были и более мощные двигатели. Шахты и рудники не всегда располагались вблизи рек, — вот почему там раньше, чем в других производствах, делались попытки создания теплового двигателя. Это были очень интересные попытки. С них-то мы и начнем продолжение истории создания паровой машины.
  
Врач-инженер Дени Папен и его машины
 
Французский врач Дени Папен, встретившись с крупнейшим ученым того времени — голландцем Христианом Гюйгенсом, после долгих и увлекательных бесед с ним был до такой степени заинтересован задачами, стоящими перед инженерами, что решил изменить медицине и посвятить себя технике. И, как человек, решивший заниматься новым делом, он выбрал для себя самую интересную и самую важную по тому времени область техники — исследование свойств пара и затем создание тепловой машины.
В 1680 году Дени Папен нашел способ получения пара сравнительно высоких давлений, изобретя паровой котел, который и получил название, сохранявшееся долгое время, — «Папéнов котел».
Однако, создав паровой котел, Папен не сразу придумал способ его применения. Больше того, он на время вовсе отошел от пара — его поглотила идея создания машины, в которой использовалась бы сила давления атмосферного, наружного, воздуха.
Сложными зигзагами идет подчас развитие технических идей. Гюйгенс и Папен решили создать тепловой двигатель, но работающий не паром, а пороховыми газами.
Папен изготовил цилиндр, поместил в него поршень, а от поршня через блоки перекинул трос, которым, по мысли Папена, можно было бы поднимать груз, или качать воду, или выполнять любую другую работу. На дно цилиндра насыпали немного пороха, который поджигали фитилем. Происходило сгорание пороха, выделение горячих газов повышенного давления; газы толкали поршень, поднимая его вверх. Затем эти газы охлаждались, — для этого вокруг цилиндра пускали холодную воду. Охлажденные газы как бы съеживались, уменьшалось их давление, и поршень под собственным весом и под силой атмосферного давления оседал вниз. При этом он тянул трос и совершал работу.
Так действовала первая «атмосферная» машина Папена и Гюйгенса. Но этой машине не суждено было жить, — от нее прежде всего отказались сами изобретатели. Папен убедился, что сильно охладить газ он не может, что поршень поэтому опускается лишь немного и что полезная работа от такой машины получается незначительной.
И тогда Папен вновь вернулся к пару.
Прежде чем продолжить рассказ о новых поисках Папена, заметим, что Гюйгенс и Папен своей «пороховой» машиной открыли совершенно новую страницу техники — создание двигателя внутреннего сгорания. Правда, вписав на этой страничке первую строчку, они забыли о ней, но факт остается фактом. Однако к этому вопросу мы еще вернемся несколько позднее, — сейчас же вновь, вслед за Папеном, обратимся к пару.
Если газ от охлаждения не очень-то значительно уменьшается в объеме и под влиянием давления наружного воздуха поршень атмосферной машины опускается лишь слегка, то почему бы не воспользоваться для этой же цели паром, который охлаждением можно просто сконденсировать? Ведь при этом весь объем, занимавшийся паром, освободится, так как воде, в которую пар превращается при конденсации, потребуется очень мало места в цилиндре.
Свою первую паровую машину Папен и построил на этом принципе. Вместо пороха в цилиндр теперь наливали немного воды. Затем поршень опускали до соприкосновения с ее поверхностью; при этом воздух между поршнем и водой отводился из цилиндра, чтобы он не мешал поршню дойти до воды. Затем закрывали все отводы и цилиндр подогревали снаружи. Вода постепенно превращалась в пар, который своим давлением поднимал поршень вверх. Здесь поршень удерживался специальной «упоркой», а в это время от цилиндра убирали огонь и начинали цилиндр охлаждать. Подождав, когда пар сконденсируется, убирали упорку, и поршень под давлением атмосферного воздуха устремлялся вниз, совершая полезную работу.
Казалось бы, Папен добился своего, — он заставил работать и пар, и наружное воздушное давление. Но попробуйте представить себе, сколько возни было с такой машиной! Подводить — отводить огонь, подводить поршень, ставить — отпускать «упорку», охлаждать, ждать конденсации, — как много хлопот, а в результате — всего один рабочий ход в минуту и мощность меньше одной лошадиной силы. А к тому же и очень много топлива уходило для такой машины…
Не суждено было найти применение и этой машине Папена.
  
Паровой насос в Летнем саду
 
Но вот, пока Папен увлекался идеей использования атмосферного давления и производил в самом цилиндре машины парообразование и конденсацию, другие инженеры решили использовать забытое Папеном его же собственное изобретение — паровой котел.
Английский горный инженер Томас Сэвери предложил откачивать шахтные воды паровым насосом любопытной конструкции. Паровой котел всё время подогревался огнем, — отводить и подводить огонь оказалось ненужным. У котла была устроена топка, в которой огонь мог гореть всё время. Полученный в паровом котле пар подавался в насосный резервуар, из которого своим давлением он вытеснял воду в нагнетательную трубу и дальше в сток. После того, как вода из резервуара оказывалась вытесненной, закрывался кран паропровода и на короткое время открывался кран водоподводящей трубки, через который в резервуар попадала холодная вода, отчего пар быстро конденсировался. В резервуаре образовывалось разрежение, то есть почти пустота, и вода, выдавливаемая атмосферным давлением из шахты по трубке, устремлялась в резервуар.
Затем цикл повторялся.
Чтобы пар не мог гнать воду обратно в шахту, а поднимал бы ее наверх, был поставлен невозвратный клапан, который сам открывался только в одну сторону — при движении воды из шахты в резервуар. Такой же невозвратный клапан мешал слиться воде из нагнетательной трубки.
 Паровой насос Сэвери — Дезагюлье (схема). 
В том виде, как он был только что описан, насос Сэвери представлял собой уже несколько усовершенствованную французским физиком Дезагюлье конструкцию. Эта машина могла быть использована и на шахтах.
Паровой насос Сэвери — Дезагюлье для нас интересен еще и тем, что это была первая машина, использующая силу пара, появившаяся в России. Такой насос в 1717 году, по указанию Петра I, был установлен в Петербурге.