Укротитель пара Джеймс Уатт

Уатт родился в Шотландии в 1736 г., в детстве часто болел, поэтому учился в школе с большими перерывами, и образование у него было этакое «лично-домашнее» — чему-то его обучили родители, чему-то научился сам благодаря врожденной сообразительности. В 18 лет юноша приехал в Лондон, где за год обучился ремеслу изготовления и починки измерительных инструментов. Помимо пытливого ума у Джеймса были золотые руки, сочетание этих двух качеств в итоге и сделало его человеком с мировым именем.

Свою трудовую деятельность Уатт начал механиком в университете г. Глазго, где он исполнял должность мастера математических инструментов и заведовал маленькой мастерской. Это ныне позабытое ремесло требовало от человека не только доскональных знаний устройства любых механизмов, но и обладания определенными научными познаниями. Согласитесь, не каждый из вас сможет собственноручно изготовить теодолит, сконструировать большой орган для костела или починить монументальные башенные часы. Уатту подобная работа представлялась обычным несложным делом, казалось, нет на свете такого поломанного механизма, который бы не смогли вернуть к жизни его умелые руки.

Постоянно находясь в научной среде и будучи от природы любознательным, Уатт в скором времени стал всесторонне развитым человеком, ознакомился с основами естественных наук тех лет и даже мимоходом выучил несколько иностранных языков, а на досуге увлекался философией и музыкой. С годами молодой мастер превратился в настоящего ученого-инженера, а его маленькая мастерская вскоре стала своеобразным клубом, где вечерами собирались молодые ученые, чтобы совместно обсудить какую-то идею, а потом тут же проверить ее правильность посредством эксперимента.

Служба в университете молодому мастеру очень нравилась, но вот только его финансовые дела находились в плачевном состоянии, ибо дар делать деньги не был ниспослан Всевышним этому талантливому человеку. Но все же в итоге Господь сжалился над Уаттом: его приятель Крейг предложил организовать совместное дело, возложив на себя расходы по организации новой самостоятельной мастерской и осуществление административных функций, предоставив партнеру возможность полностью посвятить свой досуг любимому занятию – конструированию и починке механизмов. Новое дело пошло успешно, Крейг оказался хорошим администратором, и скоро мастерская приобрела в городе огромную популярность, ее в буквальном смысле завалили заказами.

Как-то раз один из профессоров обратился к Уатту с просьбой разобраться, отчего недавно переданная университету модель примитивной пароатмосферной машины Ньюкомена упорно не желает работать.


Мастер взялся за дело с обычной основательностью и, неожиданно увлекшись конструкцией этого двигателя, не только разобрался, в чём заключаются его механические недостатки, но и внес существенное усовершенствование. В машине Ньюкомена пар конденсировался в цилиндре в результате впрыскиваемой внутрь воды, и поршень совершал рабочий ход от верхнего положения к нижнему благодаря возникающему в цилиндре разряжению (отсюда название этой машины — «атмосферная»).

Уатт ввел в конструкцию дополнительное устройство – конденсатор пара, что позволило существенно повысить экономичность двигателя.

Постепенно паровая машина целиком овладела мыслями мастера, и Уатт начал производить различные опыты, чтобы лучше уяснить себе свойства пара и понять процессы, происходящие после его подачи в цилиндр. Успеху его деятельности значительно способствовала помощь физика Блэка, ставшего его учителем и «научным консультантом». Эта деятельность всё больше и больше увлекала механика, и в скором времени он забросил все дела и занимался лишь своими «огневыми машинами».

Так, в результате двухлетних изысканий, Уатт изобрел собственный паровой двигатель, скромно названный им «усовершенствованной машиной Ньюкомена». Двигатель по устройству и экономичности превосходил свой примитивный прототип, хотя пока еще работал по принципу прерывистого действия (рабочий ход поршень совершал только при движении от ВМТ к НМТ, увлекаемый силой, образующейся в результате возникновения разряжения в цилиндре).

Но Уатту долгое время не везло, он никак не мог построить нормально работающий опытный образец, чтобы наглядно продемонстрировать промышленникам преимущества изобретения. В итоге он потратил на постройку поисковых конструкций все свои сбережения, влез в долги, а тут еще умерла его супруга, и изобретатель остался с двумя малолетними детьми на руках. В то время Уатт был доведен до полного отчаяния и даже в помутнении рассудка чуть было не уехал в Россию, где ему предложили основать и возглавить завод по производству паровых машин. Но друзья отговорили мастера от поездки в эту представляющуюся им совершенно дикой страну, где его (по их мнению) непременно сожрут голодные волки. Вот так досадные обстоятельства помешали России стать Родиной первых паровых двигателей массового производства…

Словом, поначалу паровая машина принесла изобретателю одни лишь неприятности.

Но затем Уатту наконец повезло, его давний знакомый инженер-промышленник Мэтью Болтон уговорил изобретателя начать совместную деятельность и предложил оказать финансовую поддержку. И если бы не Болтон, незаслуженно позабытый историей, то захлебнувшийся в жизненных невзгодах Уатт так никогда бы и не осуществил свои блестящие идеи. Первая так называемая «машина простого действия» (прерывного действия) была сконструирована изобретателем в 1765 г., но более-менее регулярный выпуск паровых двигателей данной конструкции был налажен лишь через 10 лет. Машины, выпускаемые фирмой «Уатт и Болтон», были весьма примитивны и использовались лишь в качестве двигательного механизма насосов по откачке воды из угольных шахт.

Другой важной заслугой предусмотрительного Болтона явилось то, что он надоумил Уатта продлить истекающий срок действия патента на конденсатор. И в 1775 г. под влиянием красноречивого промышленника парламент Англии, рассмотрев все обстоятельства, продлил срок на 25 лет, что, по мнению многих историков, полностью связало руки другим изобретателям паровых машин и надолго затормозило развитие этого важного дела.

Дальнейшее совершенствование машины требовало применения механизма для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение колеса. И хотя такой механизм существовал еще в глубокой древности и использовался на токарных станках, некий Пикар ухитрился его запатентовать в качестве собственного изобретения. Не желая идти на поклон к авантюристу и приобретать патент, гениальный Уатт, дабы показать, чем отличается изобретатель от хитрована, разработал и запатентовал сразу пять различных механизмов, позволяющих решить эту техническую задачу. Но спустя годы он все-таки вернулся к веками проверенному кривошипно-шатунному механизму. Однако и тут блеснул мастерством и внес в привод дополнительное усовершенствование, впоследствии известное как «параллелограмм Уатта», а также изобрел центробежный регулятор, применяемый в машинах данного типа и поныне.

В 1782 г. Уатт сделал самое важное изобретение в своей жизни, где его гениальные идеи нашли окончательное воплощение в металле – сконструировал так называемую «паровую машину двойного действия», в то время еще оснащенную планетарно-солнечным передаточным механизмом (она была применена на паровой мельнице).


В отличие от ранних конструкций, где поршень производил полезную работу лишь при одном ходе, а второй ход выполнял вхолостую, в новой машине работа по вращению приводного колеса совершалась при каждом ходе поршня. И в этой машине Уатта рабочий ход поршня совершался благодаря давлению пара, а не под влиянием разряжения. Проще говоря, в машине Ньюкомена поршень тянуло отрицательное давление, а в машине Уатта толкало положительное.

Роль этой машины оказалась колоссальной, ее конструктивная схема не только стала основной для паровых машин, выпускаемых позже, но и явилась исходной моделью при разработке Ленуаром первого двигателя внутреннего сгорания массового производства.

Дальнейшим развитием творчества изобретателя стала машина с кривошипной передачей:


К 1880 году сроки основных патентов Уатта истекли, и заглушаемая ими ранее творческая инициатива других изобретателей получила возможность дальнейшего развития. С годами конструкция машины была усовершенствована, в частности, капризные клапаны были заменены единой деталью – скользящим золотником, а также переделан рычажный механизм, передающий усилие от поршня к приводному валу. В итоге машина приобрела следующее конструктивное оформление.


Дисковый поршень 6 разделял цилиндр на две полости. Сначала пар, нагнетаемый из отдельно расположенного парового котла, под высоким давлением через трубу 1 подавался в распределитель (золотниковую коробку) 3, из которого через впускной канал поступал в полость цилиндра (левую на рисунке), оказывая давление на поршень 6 и перемещая его в крайне правое положение. Во время хода поршень через приводной механизм 7-11 раскручивал маховое колесо 12.

После прихода поршня в крайне правое положение выполняющий роль газораспределительного механизма золотник 4 смещался влево, перекрывал левый впускной канал и одновременно открывал отверстие для выпуска отработавшего пара из левой полости 5 через трубу 2 и освобождал впускной канал правой полости, через который новая порция пара проникала в цилиндр и создавала давление на поршень. Тот совершал второй ход (такт) и, возвращаясь в первоначальное положение, через приводной механизм опять придавал вращение маховому колесу, которое за 2 хода (такта) поршня совершало 1 оборот. В этом и заключалось двойное действие машины.

Еще одним свидетельством, что Джеймс Уатт был не только механик, но и ученый, служит придуманный им универсальный измеритель производительности паровых машин — лошадиная сила, сформулированный изобретателем как сила, необходимая для поднятия 76,04 кг груза на 1 м за 1 сек. Этот измеритель был выведен Уаттом путем многочисленных экспериментов с самыми сильными лондонскими лошадьми и позволял покупателям легко определить, какая именно машина из предлагаемого ассортимента потребуется им для выполнения планируемой работы.

Вышеизложенное свидетельствует, что Уатт был человек неординарный, и его вклад в развитие мировой техники воистину бесценен.

Несмотря на произошедшее в последующие столетия бурное развитие двигателей внутреннего сгорания, полностью заменить ими паровые машины так и не удалось. Эти древнейшие создания рук человеческих прошли ряд усовершенствований и дожили до наших дней. Например, их потомки паровые турбины применяются во всем мире на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), где энергия пара сначала используется для выработки электричества, а после вывода из машины направляется на приготовление горячей воды, которая затем используется для различных нужд, например для отопления зданий.

А имя изобретателя впоследствии было увековечено через много десятилетий после его смерти в единице измерения мощности – ватт, введенной в 1882 г.