Паровая машина
ЭНЕРГИЮ какого-либо природного источника в механическую энергию, способную приводить в движение машины, преобразуют первичные двигатели. Долгое время было известно два первичных двигателя: водяное колесо и ветряная мельница. Третьим первичным двигателем стала паровая машина, под котлами которой могли сжигаться уголь или дрова, а позже — и нефтетопливо.
Идея превращения тепловой энергии пара в механическую впервые появилась еще в Древней Греции. Древнегреческий механик Герои Александрийский, живший во ІІ-І вв. до н. э., сконструировал прибор — эолипил, представлявший собой закрытый котел с водой, к крышке которого была прикреплена Н-образная трубка. Посредине трубки находилась свободно вращающаяся сфера — полый шар с двумя отверстиями, в которые были вставлены небольшие Г-образные трубки. Реакцией выходящей из трубок струи пара производилось вращение полого шара. Это был прообраз паровой машины, примитивная паровая турбина. Для Герона это была просто забава, о каком-либо практическом применении своего эолипила он не думал.1
Затем на полторы тысячи лет эксперименты с паром прекратились.
В 1602 г. итальянский математик Джамбаттисто делла Порта описал устройство, аналогичное эолипилу Герона. Следующие попытки сконструировать аппарат, использующий силу пара, [407] были предприняты в 1615 г. французским инженером Саломоном де Ко, в 1629 г. — итальянцем Джованни Бранка, в 1663 г. — Эдвардом Сомерсетом, вторым маркизом Ворчестерским[408].
Первая практически действующая водоподъемная паровая установка была создана английским инженером Т. Севери. Описание опубликовано в 1696 г., в 1698 г. взят патент. Машина была крайне неэкономична: на 1 лошадиную силу в час требовалось до 80 кг угля. Глубина подачи воды этой машиной не превышала 30 метров[409]. Двигатель Севери имел котел, но не имел цилиндра с поршнем; напротив, в паровом двигателе Д. Папена, также созданном в 1690-е годы, имелся поршень в цилиндре, но не было котла.
В 1712 г. Томас Ньюкомен построил и пустіш в работу по откачке воды из рудника "пароатмосферную машину", в которой имелись и котел, и поршень с цилиндром. Принцип ее работы был таким: в цилиндре, куда поступал пар, ходил поршень, который передавал давление насосу. Движение поршня вызывалось не давлением пара, а его разрежением: цилиндр, в который поступал пар, обливался холодной водой, пар под поршнем сгущался и возникшее таким образом разрежение всасывало поршень. Поршень поднимался и опускался не более 12 раз в минуту. Мощность машины Ньюкомена составляла 8 лош. сил; на 1 лош. силу требовалось 25 кг угля в час. Машина обеспечивала подъем воды с глубины до 80 м.[410] Ее применение для откачки воды ни шахтах и в рудниках оказалось экономически выгодным. В 1769 г. в Англии работало около 100 таких машин. Машины Ньюкомена получили распространение и в других странах.
До изобретения "пароатмосферной" машины развитие угольной и вообще всей горнодобывающей промышленности тормозилось напором воды в рудниках и шахтах, для выкачива* ния которой обычно применялось огромное количество лошадей. Машина, примененная для откачки воды из шахт, открыла путь для широкого развития угольной и всей горнодобывающей промышленности.
Мощность машин Ньюкомена постоянно возрастала: до 15 лош. сил в 1733 г., 30 лош. сил — в 1755 г., 52 лош. сил — в 1763 г.[411]
В 1770-х годах Дж. Смитон существенно усовершенствовал машину Ньюкомена. В Чейсуотере он построил двигатель мощностью 76,5 лош. сил, с диаметром цилиндра около 1,8 м и ходом поршня почти 3 м. В 1810 г. в Уайтхэвене была построена машина Ньюкомена мощностью более 100 лош. сил[412]. Усовершенствованная машина Ньюкомена эксплуатировалась весь XIX век и даже в начале XX в.; на угольных конях Англии последний экземпляр такой машины был демонстрирован лишь в 1931 г.[413]
Честь создания настоящей паровой машины принадлежит Дж. Уатту. В 1769 г. Дж. Уатт построил свою первую паровую машину, назвав ее "Вельзевул". Она — как и машина Ньюкомена — использовалась на откачке воды в шахтах. До 1781 г. машина Уатта была просто усовершенствованным насосом, в этом она не отличалась от машины Ньюкомена. С 1781 г. Уатт предусмотрел передачу движения поршня на вал для придания ему вращательного движения. Теперь паровая машина стала универсальным двигателем.
За 1775-1785 гг. завод Болтона и Уатта в Сохо, получивший тогда монопольное право на производство паровых двигателей в Англии, выпустил всего 70 штук двигателей общей мощностью 1381 лош. сил, к 1800 г. на заводе было произведено 325 машин общей мощностью 5411 лош. сил8. Первые паровые машины Уит та применялись лишь к водоподъемным насосам.
Но очень скоро паровые машины стали применяться и и других отраслях. В 1785 г. начала работать первая паровая бум» гопрядильня Робинсонов в Папльвике. Как уже отмечалось, в эн) же время паровые машины стали использовать в металлургиче ской промышленности.
С. Г.Струмилин, опираясь на на доступные ему данные, со ставил таблицу распределения паровых машин по отраслям • 1800 г. Английские историки затем существенно уточнили Э1И данные.
|
Распределение по отраслям паровых двигателей британской индустрии в 1800 г.9
|
По данным Дж. Лорда, производившего подсчеты в 1923 г,, к 1800 г. в Великобритании и Ирландии была 321 паровая машним общей мощностью 5210 лошадиных сил. В 1930-е гоЛМ Э. Дикинсон показал, что Дж. Лорд учел не все машины, их обш[414]‘
число было 496, а мощность — около 7,5 тыс. лошадиных сил[415] [416]. Кще позже, в 1978 г. появилась новая оценка, принадлежавшая Дж. фон Танзельманну: в течение XVIII в. в Англии было построено паровых машин всех типов (Севери, Ньюкомена, Уатта) общей мощностью 25-30 тыс. лошадиных сил".
Применение паровой машины вело к концентрации произ — иодства. Для обслуживания парового двигателя и передаточного механизма требовалось, как минимум 4-5 человек: машинист, кочегара масленщик, правильщик, шорник. Кроме силового хо — іяйства, на любом предприятии ведется и основное производство, для которого также требовались рабочие. Поэтому машинное производство, основанное на паровой машине, не могло быть мелким, общее число рабочих должно было иметь никак не менее К) рабочих[417].
Коэффициент полезного действия первых паровых машин был очень низок.
Промежуточным звеном между паровым двигателем и рабочими машинами был передаточный механизм, из-за его несовершенства много энергии терялось. После 1828 г. зубчатую передачу относительно быстро заменила ременная, имевшая больший коэффициент полезного действия, но и при этой системе в процессе передачи терялось до 80% производимой энергии13.
Паровые машины в Англии — как затем и в других странах — долго существовали рядом с водяным колесом. В хлопчатобумажной промышленности Великобритании паровая машина стала і лавным источником энергии лишь в 1830-х годах в прядении и в 1840-х годах — в ткачестве14.
К 1839 г. на текстильных фабриках Великобритании 3000 паровых машин обшей мощностью 74 тыс. лош. сил, я и время как водяные колеса давали энергию в 28 тыс. лош. сил1,
В США период доминирования паровых машин насіуин позже. В 1870 г. на долю паровых машин в текстильной промміи ленности США приходилось 25% мощности, в 1880 г. -440/л, й По С. Ю.Глазьеву, паровой двигатель (вместе со сгапкммн| стал ключевым фактором второго технологического уклади, м риод доминирования которого пришелся на 1830-1880 годы[418] [419] [420],
А лауреат Нобелевской премии Саймон Кузнец полагал, чі из всех изобретений периода промышленной революции ИйН большее влияние на экономический рост оказала именно парим» машина[421].
Паровой двигатель оказал серьезное воздействие на cipv* туру размещения производительных сил. К. Маркс называет impu вой двигатель "городским", противопоставляя его "сельском»* водяному колесу, паровой двигатель "позволяет концентриромш производство в городах, вместо того, чтобы рассеивать его я л» ревне"[422]. Благодаря паровому двигателю начинается бурный р»ні промышленных городов и относительный упадок деревенски* кустарной промышленности.
Между 1840 и 1880 гг. общая мощность всех паровых мй шин в Великобритании увеличилась с 620 тыс. лош. сил до 1,1 млн. лош. сил. В остальных странах Европы за тот же псріїїм ииокупная мощность паровых машин возросла с 240 тыс. лош. мм до 14 млн. лош. сил21.
|
Мощности паровых машин в 1840-1896 годах (в тыс. лош. сил)22
|
За последнюю треть XIX в. суммарная мощность стационарных паровых машин, в развитых странах выросла почти в 5 раз, а шля их в силовом оборудовании промышленности достигла почім ‘М>%23.
Но второй половине XIX в. все сильнее давали о себе знать їм’достатки паровых машин. Рабочие машины могли размещаться пии, ко рядом с паровым двигателем — точно так же, как и при и» пользовании водяного колеса. Кроме того, неустранимыми недостатками паровой машины были громоздкость, малая экономичность, большие потери при передаче энергии, малая делимость производимой энергии. Г. К.Широков обратил внимание на и», что технологическая структура производительных сил в середине XIX в. определялась возможностями применения парового шшгателя: во многих случаях его использование было невозможно или ограниченно. В наибольшей мере удалось механизировать ж новные производственные процессы в легкой и пишевой промышленности, на железных дорогах и паровом судоходстве. В машиностроении из-за малой делимости паровой энергии удалось механизировать лишь две из четырех основных операций: реза — [423] [424] ние металлов и ковку; литье и клепка выполнялись вручную И добывающей промышленности были механизированы откичм воды и подъем угля и руд на поверхность, их добыче ни прежнему велась вручную24.
В первой половине XVIII в. в Англии чистый продукт ни »н ного занятого в промышленности составлял 9 фунтов стерв II год, а в сельском хозяйстве — 18,3 фунта стерл.25 Промышлсни»* революция изменила это соотношение, производительность тр| в* в промышленности стала существенно выше, чем в сельском «и зяйстве. Попытки внедрить паровой двигатель в сельское хонН» ство оказались в целом безрезультатными; исключением спиш его использование при обмолоте хлебов. Наиболее энергоемки операция — пахота в XIX в. по-прежнему велась на лошадях ичн волах, хотя инженерная мысль и была занята поиском эффекте ной конструкции парового плуга.
Первые попытки изобрести паровой плуг относятся к IK III м годам. В 1858 г. английский инженер Джон Фаулер предлтки — действующую модель парового плуга, за которую получил підмию Британского Королевского общества в 500 фунтов. В XIX * в Европе на больших фермах паровые самодвижущиеся ниуіи получили некоторое распространение26.
В начале XX в. о производстве паровых плутов в ЗаншшнН Европе забыли, победу одержал трактор. Однако в 1930 г. к или парового плуга неожиданно вернулись в СССР — правда, нс ни женеры и технологи, а борцы с "вредителями". Вьіступивінни | советской печати в 1930 г. некий Ф. А.Франкль резко осудил (у*» осужденных на процессе "Промпартии") "вредителей", "строив ших всю энергетику сельского хозяйства на бакинской нсфпі Он утверждал: "Известны те расчеты, которые делаются аш лип ским генеральным штабом насчет Баку и т. д. Значит, в случи» [425]
М’ІІНЬІ может случиться, что сельское хозяйство будет лишено nivpi етической базы". А ведь выход, по мнению Ф. А.Франкля, 1.1.|її производство паровых плугов, которым не нужно нефтето-
……. о: "Паровой плуг — это локомобиль, канат и плуг. Локомо-
ПІІІІІ, можно топить торфом, можно топить соломой, МОЖНО ТОНИН. местным углем и бурыми углями самого худшего качества; шкомобиль можно топить сельскохозяйственными отбросами, •1’|>цс брикетов из отбросов конопли и льна"27. Аргументом промін трактора называлось и то, что "трактор за границей применя — ■ и я в кулацком хозяйстве"28.
К счастью, эти дилетантские рассуждения реального вреда нишей стране не принесли; коллективизация проводилась с принтом на трактор, а не на существующий исключительно в воображении товарища Франкля паровой плуг.
В России интерес к паровым машинам был проявлен еще в юнце XVIII в. Импортировать первые английские паровые машины конструкции Уатта не удавалось, так как в 1786 г. вывоз Мишин из Англии был запрещен под страхом смертной казни. В І’нссии предприняли попытку узнать секрет их производства у •индийских специалистов. В 1786 г из Англии прибыл инженер I ш койн, уверявший, что он может строить паровые машины, и ншросивший за это фантастическое жалованье в 2,5 тыс. фунтов і іс|)лингов. Первые паровые машины обходились по 1000 рублей ні ношадиную силу (во много раз дороже лошади), пожирали не — • четное количество дров и быстро ломались29.
Первая (после Ползунова) паровая машина в России была построена в 1790 г. на Александровском заводе в Петрозаводске ши отлива воды на Воицком золотом прииске30.
" Цит. по: Кржижановский Г. М. Вредительство в энергетике.
М II, 1931.С.53.
•н Гам же С.54.
Струмилин С. Г История черной металлургии в СССР Т. 1. М, 1954. С.400. Ильинский Д. П., Иваницкий В. П. Очерк истории русской паровозострои — м Щ. ІШЙ и вагоностроительной промышленности. М., 1929. С.12.
В апреле 1805 г. на Александровской прядильной мануі|ш* туре в Петербурге, была пущена первая паровая машина мошіш стью в 5 лошадиных сил[426]. В 1810 г. на заводе Берда в Петербург была построена первая паровая машина для Арсенала, в ІН11 ( паровая машина для Тульского оружейного завода. Первый < и» циализированный завод по производству паровых машин — Ним** Илиса в Петербурге — начал работать с 1824 г.
Все первые паровые машины в России были очень дорінн слишком быстро выходили из строя, требовали огромного мши чества дров, что при наличии дешевого труда сильно зямслл»*’ внедрение их в производство. На Урале хорошо обеспечении — водной энергией доменные и молотовые заводы меньше, •!»•’ рудники, нуждались для своего действия в паровых машини» •• вначале обзаводились ими только в качестве резерва на мр***- маловодья.
В 1842 г. на 1157 фабриках и заводах, существовавши* і Москве и Московской губернии, было всего лишь 63 іицяімн машины. Производства, требовавшие двигателей значительии* силы, как выплавка чугуна и выделка железа, пользовались и» ключительно водяными двигателями, в других произвол! им — употреблялись еще конные приводы[427].
К 1860 г. число паровых машин в Москве составило 81, №» сковской губернии — 191. По всей России в 1860 г. насчитыии/тм до 60 тыс. лош. сил паровой мощности в стационарных усипні» ках, до 100 тыс. лош. сил — на железных дорогах, до 40 тыс, ШЛ сил — на паровых судах, что в сумме составляло до 200 тыс, пт
После реформы 1861 г. количество паровых машин стало і’піюльно быстро расти; так, в Москве в 1871 г. на фабриках и іііиодах работала491 паровая машина (вместо 83 в I860 г.)34.
В 1908 г. в России (на территории СССР в границах до сен — іибря 1939 г.) было установлено 57884 паровых котлов, из них Ю682 фабрично-заводских, 22033 — сельскохозяйственных, 169 — прочих35.
К началу XX в. по численности, к общей мощности установ — пспных паровых машин Россия приблизилась к наиболее разви — H. IM странам мира, но технологический уклад, основанный на паровой машине, тогда уже уходил в прошлое. Началась замена парового двигателя двигателем внутреннего сгорания и электромотором. Во втором десятилетии XX в. в нефтяном хозяйстве, например, паровой двигатель становился признаком отста- иости. ♦ [428] [429]