Мельница Альбиона
Мельница Альбиона
То, что наступило в Корнуэлсе в 1783 году, Болтон и даже Уатт предсказывали за пять лет до этого. В течение двух или трех лет, — писал Уатт в 1778 году, — здесь (т. е. в Корнуэлсе) нужно будет не менее 12 машин, после чего их понадобится очень немного, так как их будет уже довольно, чтобы добывать руду в достаточном количестве».
Не надо было иметь особенно много проницательности, чтобы предвидеть, что когда на всех рудниках будут установлены уаттовские машины, то фирме «Болтон и Уатт» в Корнуэлсе нечего будет больше делать. Уатт отсюда не делал никаких выводов. Их за него делал Болтон. Капитал требует непрерывного обращения, раз пущенное в ход колесо не может остановиться. Круговорот капитала должен происходить безостановочно в непрерывном процессе расширенного воспроизводства. «Коммерческая ценность» изобретения определяется тем, насколько оно способствует этому процессу. Применение машины Уатта только в качестве усовершенствованного насоса очень ограничивало спрос на нее.
«Другого Корнуэлса не найти», — писал Болтон Уатту и видел выход из положения в новых применениях машины, а изобретение действительно таило в себе широкие возможности, и найти эти новые применения было нетрудно: их требовала сама жизнь.
Мельница (как понимали это название в Англии XVIII в. — всякое промышленное предприятие с механизмами) — вот широкое поле для использования паровой машины, но для этого она должна быть превращена в двигатель, который мог бы приводить в движение эти механизмы. «Наиболее вероятным направлением для увеличения потребления наших машин, — говорил Болтон Уатту, — является применение их к мельницам. Это, несомненно, широкое поле деятельности»…
«Я думаю, что мельницы, — говорил Болтон, — хотя это и мелочь по сравнению с корнуэлскими машинами, представляют собой, однако, безграничное поле деятельности, и этот рынок будет более постоянным, чем эти неустойчивые рудные предприятия».
Болтон уже представлял себе, как он усеет всю Англию своими паровыми «мельницами», как они будут подымать уголь из шахт, молоть зерно, прокатывать железо и медь. Он торопился разрекламировать новое широкое применение паровой машины, о том, что пока было еще лишь предметом его желаний, писал как о совершившемся уже факте: «Мы применяем теперь наши машины для всякого рода мельниц, как-то: мукомольные мельницы, прокатные для железа и меди, для подъема угля из шахт и вообще для всяких других целей, где применима ветряная или водяная мельница… Эти мельницы могут быть сделаны гораздо более мощными, нежели любая из водяных мельниц Англии». И это писалось в феврале 1781 года, когда еще даже не было подано заявки на патент на превращение прямолинейного движения во вращательное. «Сотня машин, дающих по 100 фунтов стерлингов в год каждая, лучше, чем всякий Корнуэлс», — подсчитывал Болтон ожидаемые доходы.
Машина Уатта 1788 года.
Так думал Болтон, но далеко не так думал Уатт. Изобретатель и промышленник решительно разошлись в своих взглядах на экономическую ценность и широкую применимость ротативной машины. И насколько Болтон был убежден, что будущее принадлежит именно ротативной машине, настолько Уатт долго еще сомневался в экономической целесообразности производства машин с вращательным движением. Лет через тридцать Уатту пришлось констатировать факт, что его машина (с вращательным движением и двойного действия) стала универсальным двигателем промышленности: «В большинстве наших больших мануфактур, — писал он в своих примечаниях к «Механике» Робисона, — эти машины заменяют собой водяную, или ветряную, или конную мельницу. Вместо того, чтобы придвигать предприятие к источнику силы, теперь этот первичный источник помещается там, где это наиболее удобно для предпринимателя».
Так писал Уатт в 1814 году, но едва ли он подписался бы под этими словами в конце семидесятых или в начале восьмидесятых годов XVIII века: тогда он еще сомневался, что его машина может вытеснить собой силу водяного потока. Он не представлял себе, как быстро и в каких огромных размерах возрастет промышленность в ближайшем будущем, как никаких горных потоков и ручьев нехватит, чтобы приводить в движение водяные колеса всевозможных «мельниц», и как именно тогда его машина даст выход из создавшегося тупика и сама станет могучим стимулом этого роста. С точки зрения последующего развития Уатт высказывал иногда поразительные по своей близорукости вещи. Его письма к Болтону полны советов не увлекаться этими вращательными машинами, а лучше строить насосы: с ними меньше хлопот и дадут они больше доходов в виде премий.
«Если вы будете возвращаться домой через Манчестер, то, пожалуйста, не ищите заказов на машины для хлопчатобумажных мельниц, потому что, как я слышу, сейчас на севере Англии на мощных потоках строится такое множество этих мельниц, что скоро эта отрасль промышленности будет переполнена и, следовательно, наши труды пропадут даром».
«Я ясно вижу, что каждая вращательная машина будет стоить нам вдвое больше труда, чем водоподъемная машина, и за это даст нам всего только половину дохода. Я прошу вас не брать больше заказов на вращательные машины, пока мы не разгрузимся от имеющейся у нас работы»…
Зная эти взгляды своего друга и компаньона, Болтон даже предупреждал своих корреспондентов не вступать с Уаттом в полемику по этим вопросам. «Вы должны иметь в виду, что мистер Уатт не дооценивает достоинств своих собственных произведений», — писал он. Да, Уатт, действительно, их «не дооценивал», он не мечтал о будущем, он не заглядывал далеко вперед, по крайней мере не писал об этом в своих письмах. Его фантазия облекалась в замечательные механические комбинации, но она не рисовала ему грядущих широких перспектив. Он не обладал как-раз той чертой воображения, которой был так богато наделен Болтон. Этот человек видел и предвидел несравненно больше и дальше, чем Уатт, вероятно, потому, что он превосходно чувствовал пульс окружающей жизни.
Потому так своеобразно и сложились их роли в их общем деле усовершенствования и постройки паровой машины: промышленник настаивал, убеждал, торопил и толкал вперед изобретателя, а тот подвигался не всегда охотно, не хотел видеть, что делается кругом, хотя для этого не надо было обладать особой прозорливостью. Паровую машину с вращательным движением требовали всюду; она была нужна для самых разнообразных отраслей промышленности — от медных кузниц Корнуэлса до хлопчатобумажных мельниц Манчестера. «В Лондоне, Манчестере, Бирмингаме люди с ума сходят по паровой мельнице», — писал Болтон Уатту в апреле 1781 года.
«Дьявол коловращения замышляет что-то, — восклицал на это Уатт, — я уверен, что он закрутит их в Бэдлам (сумасшедший дом) или Ньюгэт (долговая тюрьма)».
Легендой окутан один из важнейших моментов в истории паровой машины, а именно момент превращения ее из парового насоса в паровой двигатель с вращательным движением…
…Низкая и полутемная комната трактира «Конь и телега» в Бирмингаме… Клубы табачного дыма… За одним из столов двое посетителей, по виду рабочие, оживленно о чем-то разговаривают, и один из них что-то горячо доказывает другому, набрасывая мелом на дубовой доске стола какой-то чертеж. Разговор, должно быть, интересный не только для обоих собеседников: кое-кто из посетителей подошел к столу. Среди подошедших какой-то таинственный незнакомец, прислушивающийся особенно внимательно к их беседе… Напрасно лишняя кружка эля так развязала язык Ричарда Картрайта — мастера с завода Сохо…
Мэтью Пикар, фабрикант стальных изделий в Бирмингаме, вскоре получил патент на «свое изобретение» — превращение прямолинейного движения паровой машины во вращательное при помощи кривошипа. Уатту на много лет был отрезан путь для использования своего изобретения…
Мир получил паровой двигатель — действительно, в полном смысле этого слова — не из рук его изобретателя, а от укравшего его мысль недобросовестного дельца. Но гениальный изобретатель обошел препятствие: он придумал пять других способов превращения прямолинейного движения поршня во вращательное движение вала…
Таково предание.
Что же происходило в действительности?
В июле 1778 года в Сохо пришло письмо из Бристоля. Некий Мэтью Уозброу, владелец небольшой меднолитейной и механической мастерской, запрашивал Болтона и Уатта — не согласны ли они сделать для него небольшую машину их новой системы, только предназначенную не для откачки воды, а для приведения в движение станков в его мастерской. Он уже придумал и механизм для этой цели: зубчатая дуга на конце балансира сцеплялась с шестерней и приводила во вращение шестерню и ось, на которую она была надета. При обратном движении коромысла шестерня расцеплялась с осью. Если же Болтон и Уатт не желают принять заказ, то, может быть, они дадут ему лицензию на постройку уаттовской машины для того, чтобы снабдить ее таким вращательным механизмом.
«Надо будет об этом написать Уатту, — подумал Болтон, прочитав письмо, — хотя у нас сейчас так много всяких других дел, что, пожалуй, не стоит возиться еще и с этим заказом. И заказчик-то как-будто не из очень солидных. Насколько я знаю — это еще совсем молодой человек, лет двадцати пяти, недавно вступивший пайщиком в отцовское предприятие. А парень все же, должно быть, с головой — что придумал! Вертеть станки в мастерской при помощи нашей машины… Я давно уже говорил Уатту, что надо серьезно заняться вращательным движением, так как на такую машину всегда будет спрос… Все-таки окончательного отказа мы в Бристоль пока не пошлем…»
Уатт в это время был по горло занят в Корнуэлсе, и ему тоже было не до проектов бристольского механика. Получив письмо Болтона, он вспомнил, что лет десять тому назад он видел на одной из нортумбэрлэндских шахт на севере Англии, как ньюкомэновская машина при помощи зубчатых передач вращала ворот для подъема угля. Приспособление все же в конце-концов признали негодным и заменили его водяным колесом.
Получив из Сохо уклончивый ответ, Уозброу, однако, не успокоился: он запатентовал свой механизм и поставил у себя в мастерской ньюкомэновскую машину, но вместе с тем продолжал добиваться соглашения с бирмингамскими фабрикантами, но те продолжали относиться к этому очень сдержанно.
Весной 1779 года пуговичные фабриканты Бирмингама передавали друг другу любопытную новость: «Джемс Пикар у себя на фабрике пуговиц и стальных изделий поставил огненную машину, которая приводит в движение все ее механизмы. Машину установил механик из Бристоля Уозброу. Передаточное устройство сделано по его, Уозброу, системе, да и Пикар внес кое-какие усовершенствования, запатентовав их, правда, только почему-то в Шотландии, где ему выдали патент на «мельницу, или машину для вращения, сверления, помола зерна, вообще всякого рода помола и всякой работы, которую может производить мельница при помощи вращательного движения».
Уозброу продолжал вести переговоры с Болтоном и Уаттом, но те все еще предпочитали выжидать.
«Он хочет от нас машин, — писал Уатт, — но мы должны быть более уверены в успехе его механизма…»
Болтон все же был немного взволнован появлением нового конкурента, опасаясь как бы из его механизмов, действительно, не получился большой толк.
Уатт стал со своей стороны обдумывать способ получения вращательного движения:
«Недавно, — писал он в апреле 1779 года одному из болтоновских заказчиков, — мне пришел в голову способ превращения прямолинейного движения машины во вращательное, который имеет то преимущество, что все время имеет место воздействия одинаковой силы, т. е. непрерывной силы тяжести, и поэтому не будет происходить остановок при обратном действии машины, как, я слышал, должно происходить в машине Уозброу». Уатт не дал в письме объяснения механизма.
Болтону все казалось, что Уатт уделяет этому вопросу слишком мало внимания и поторапливал его.
«Мистер Болтон желает, — писал один из компаньонов Болтона, Кэйр, Уатту, — чтобы вы, как только у вас будет свободное время, направили ваши мысли на усовершенствование вашей системы получения вращательного движения… Он очень желал бы установить такой механизм на машине в Сохо».
Но Уатт довольно равнодушно относился к этим аргументам. «Что касается кругового движения, то я займусь им, как только я смогу, но предвижу, что в ближайшее время я буду очень занят и много буду находиться вне дома».
Применение кривошипа очень рано пришло в голову Уатту. Теоретически это не было открытием, трудность заключалась в практической применимости его к паровой машине.
Надо иметь в виду, что это была машина простого действия с рабочим ходом поршня только в одном направлении. Движение ее было очень медленным и неравномерным, один ход поршня был нередко значительно короче или длиннее другого. Вопрос о применении кривошипа к атмосферной машине неоднократно обсуждался крупными техническими авторитетами эпохи, и в одном из докладов в Королевском обществе можно было прочитать, что «применение кривошипа для получения вращательного движения теоретически является вполне простым и естественным, но на практике оно оказывается совершенно невозможным вследствие характера движения машины, которое зависит от силы пара и не может быть урегулировано в отношении длины хода поршня, а поэтому при первом же отклонении машина будет сломана». При уровне теоретических знаний той эпохи применение кривошипа в паровой машине представлялось не вполне удачным решением проблемы. Уатт в этом отношении не составлял исключения.
Но все же одна из первых его попыток получения вращательного движения заключалась именно в применении кривошипа, только он думал установить на одном валу два цилиндра, действующих на два кривошипа, расположенных на 120° относительно друг друга, и, кроме того, противовес, поставленный относительно их также на 120°. «При помощи этих кривошипов, — записал Уатт в своем дневнике, — я смогу получить от огненной машины вращательное движение, которое будет во все моменты чрезвычайно близким к равномерному без помощи махового колеса. Машина будет по желанию вращаться вперед и назад. В ней не будет ни зубчатых колес, ни зубчатых реек, и потребление пара в ней будет наилучшее». (Об этой системе он, вероятно, и писал в апреле 1779 года).
Характерно, что Уатт не думал о применении махового колеса. Впоследствии Уатт утверждал, что зимой 1779–1780 года была уже построена маленькая модель описанного механизма.
Весной 1780 года он придумал еще одну комбинацию: для выравнивания движения была поставлена шестерня с противовесом, с которой было сцеплено зубчатое колесо, надетое на главный вал, оканчивающийся кривошипом. Эта шестерня, вращавшаяся вдвое быстрее главного вала, и играла роль маховика.
Как-раз, когда Уатт был занят этими механизмами, он узнал, что Уозброу отбросил все свои хитроумные комбинации с храповыми колесами и зубчатыми стержнями, в которых то и дело от резких толчков машины зубья ломались как стекло, и вместо всего этого поставил «простой кривошип, и машина работала очень хорошо», — как сообщал Уатт Болтону, находившемуся тогда в Корнуэлсе.
Характерно, что при этом Уатт не выражал ни малейшего возмущения или удивления поступками Уозброу, не обвиняя его в плагиате, чего можно было бы ожидать, если бы действительно имело какое-нибудь незаконное заимствование уаттовских идей. Уатт очень заинтересован, что выйдет из этой попытки Уозброу. «Я думаю, вам все же следует по приезде сюда зайти к Уозброу и сказать ему, что мы будем оспаривать его исключительное право на применение кривошипа», — заканчивал свое письмо Уатт.
Когда навели справки в патентном ведомстве, то оказалось, что Пикар, действительно, уже взял патент, но на что?
«Я же убежден, что этот механизм — мое собственное изобретение. Он его получил от нас через Картрайта», — вскипел Уатт, ознакомившись с содержанием патента Пикара. Он был глубоко возмущен. В чем же причина такой неожиданной перемены, такое негодование вместо довольно спокойного проявления интереса к установке Пикара? Была ли украдена чужая мысль и какая, и действительно ли Картрайт разболтал тайну изобретателя. Предоставим слово самому Картрайту.
«Самуил Эванс (мастер на фабрике Пикара) жаловался на его машину, и я сказал, что я думаю, что могу сделать приспособление, которое будет работать с той машиной без всякого выламывания зубьев. И он сказал, — как? А я ему сказал, — при помощи движения, которое я видел у мистера Болтона и Уатта, и я описал ему это движение, а он спросил, — как же это можно сделать; я сказал — при помощи кривошипа с колесом, которое вертит другое колесо вдвое быстрее, чем то. А к этому колесу прикреплен груз для противовеса кривошипу. А он сказал, что его хозяева уже так много потратили на это денег, что они, как он думает, больше тратить не будут. Вот этими словами обменялись мы, я и Самуил Эванс, а происходило это, насколько я помню, в мае 1780 года».
Вот что показал Картрайт, когда Болтон и Уатт собирали материал, чтобы вчинить иск против Пикара.
Действительно, Картрайт проговорился в тот майский вечер в трактире «Конь и телега», но только речь шла не о применении кривошипа, а о вращающейся шестерне с противовесом, о механизме, который на практике оказался совершенно негодным.
Но беда была в том, что Пикар мог толковать распространительно свой патент, как покрывающий вообще приложение кривошипов к машине, да он, может быть, даже и имел на это известное право: как-никак, а он первый практически рискнул применить к паровой машине эту деталь, признанную тогдашними авторитетами для нее негодной.
До суда дело не дошло. Болтон и Уатт, взвесивши все, не решились оспаривать патент Пикара, чтобы не вызывать сомнений в действительности их собственного. Задача заключалась теперь в том, чтобы обойти патент Пикара. Впрочем, и сейчас еще Уатт не считал кривошип наилучшим решением проблемы. «Я знаю — из опыта, — писал он Болтону весной 1781 года, — что то, другое приспособление, которое вы видели, когда я его испытывал, производит это движение по меньшей мере также хорошо и, кроме того, имеет много преимуществ перед кривошипом».
Тем больше было оснований, чтобы поторопиться с этим усовершенствованием. «Я не намерен вас торопить, — деликатно подталкивал Болтон Уатта, — но я думаю, что в течение месяца или двух мы должны решиться взять патент на некоторые способы получения вращательного движения огненной машины, имея в виду, что у нас будет четыре месяца для того, чтобы описать детали изобретения».
Чертеж машины двойного действия с планетарным движением, приложенный к патенту 1782 года.
С — паропровод; G — пароотводная труба в конденсатор; D и Е — паровпускные камеры с тарелочными клапанами (последние на чертеже не изображены), соединяющие верхнюю и нижнюю часть цилиндра с паропроводом С; Н — инжекционная трубка: N н F — паровыпускные камеры, соединяющие обе части цилиндра с пароотводной трубой и конденсатором Е; 00 — зубчатая полоса на конце штока Р, сцепляющаяся с зубчатым сектором QQ, позволяющая передавать на коромысла оба рабочих движения поршня и вниз, и вверх; U — «солнечное колесо», неподвижно закрепленное на главном валу машины; W — «планетное колесо», неподвижно закрепленное на оконечности шатуна Т; непрерывное сцепление U к W достигается при помощи пластины (на чертеже не изображена, ибо находится за U и W), через которую проходят оси обоих этих колес, или при помощи кругового желоба на колесе W, по которому двигается цапфа, прикрепленная к центру колеса W (на рисунке желоб не изображен). При одном обращении W вокруг U последнее делает два оборота.
25 июля 1 781 года Уатт подал заявку «на некоторые новые методы применения качательного, или обратно-поступательного, движения для получения непрерывного вращения, или кругового движения, вокруг оси, или центра, для того, чтобы тем самым дать движение колесам мельниц или других машин».
Спецификацию составляли долго, так как очень задержали чертежи, которые Уатту самому пришлось перечерчивать, ибо присланные из Сохо, на его взгляд, были никуда не годны.
В последнюю минуту к спецификации приписали последний, пятый способ превращения движения. Он то как-раз и оказался наиболее пригодным на практике — это знаменитое «движение планеты и солнца».
Принадлежит ли это изобретение действительно Уатту?
Болтон сам признавал, что «планетарное движение» придумал уже очень давно один из его мастеров, Мэрдок. А Уатт утверждал, что Мэрдок только «оживил один из его старых проектов». Может быть, Уатт был и прав.
О каких-либо протестах со стороны Мэрдока ничего не было слышно. Мэрдок продолжал работать у Болтона и Уатта, служить им за гроши с собачьей, можно сказать, верностью. Но если, действительно, идея Мэрдока была присвоена, то совершено это было с редкостной беззастенчивостью и выставляет Уатта в очень неприглядном свете. Что в самом деле мог сделать Мэрдок? Начать процесс? Но разве возможно было бороться ему против такого сильного капиталиста, как Болтон. Какие неоспоримые доказательства своей правоты мог бы привести Мэрдок?
Может быть, с Мэрдоком было заключено соглашение и его как-нибудь компенсировали?
Вообще это темный вопрос, который едва ли когда-либо удастся разрешить. Но что Мэрдок мог придумать этот остроумный механизм, в этом не может быть никаких сомнений; последующие работы Мэрдока: огненная повозка, золотник, ряд машин, почти все оборудование Сохо, газовое освещение — доказательства его талантливости.
В связи с применением вращательного движения Уатт проделывает большую экспериментальную работу. Снова была пущена в ход верная «Старая Лиза», как звали машину, привезенную из Киннэля. Еще летом 1781 года, т. е. как-только подали заявку на патент, ее снабдили «эклиптикой» (одним из механизмов, придуманных Уаттом). Планетарное движение еще тогда не было известно Уатту, и вообще первое время он не знал, на каком из способов передачи ему остановиться. «Старую Лизу» приспособили для прокатки олова.
Зимой 1782–1783 года Уатт произвел ряд расчетов и опытов, определяя силу трения, размеры маховых колес, мощность, необходимую для установок на мукомольных мельницах, хлопчатобумажных «мельницах» и на древотерках (для растирания кампешевого дерева для получения краски). Его дневник за эти месяцы пестрит записями и расчетами в этой области. «Эти ротативные машины заняли у меня все время за последние месяцы, — не без досады писал он Болтону. — Я едва ли могу сказать, что занимался чем-нибудь, что может быть названо делом».
Любопытная оценка своей изобретательской и конструкторской работы!
Вилькинсон опять оказался первым заказчиком этих новых машин. Уже в феврале 1782 года готовились чертежи для заказанной им ковочной машины (вращающийся вал с кулаками приводил в движение хвостовой молот). Ее строили почти целый год. В это же время Уатт установил в Сохо экспериментальную ковочную машину. Она приводила в движение одновременно и поршень насоса и вал для молота. На вилькинсоновской машине пробовали разные способы передачи движения, поставили сначала «эксцентрик», потом сменили его «солнцем и планетой».
В марте 1783 года Уатт мог любоваться своим громыхающим детищем на заводе Вилькинсона.
«Заехал в Брэдлей, — записал он в дневнике. — Круговое движение идет хорошо, а молот — нет».
Это была первая машина с планетарным движением.
Превращение машины Уатта в двигатель с вращательным движением было, конечно, огромным скачком в раннем периоде ее развития. Но это усовершенствованне не осталось и не могло остаться изолированным: оно дало толчок для новой линии развития, оно повлекло за собой целый ряд проблем, настойчиво требующих разрешения, а это в свою очередь натолкнуло на новые изобретения и усовершенствования. Машина, не теряя еще своего общего первоначального облика насоса, утрачивала свое первоначальное назначение, а вместе с тем она росла, развивалась, обрастала новыми органами.
Препятствия, созданные патентом Пикара, сыграли и некоторую положительную роль, заставив мысль всячески изощряться, чтобы преодолеть их. Уатт пытался это сделать с чисто механической стороны. Болтон тоже не терял времени. Вероятно, он гораздо больше Уатта досадовал на постигшую их неудачу. Будущее машины, которой он думал снабжать весь мир, закрывалось перед ним. Голова его упорно работала: нельзя ли все-таки как-нибудь обойти Пикара. Сам он ничего не мог придумать, но он припоминал и перебирал в своем уме все, что он когда-либо слышал от Уатта. Ведь тот высказывал иногда замечательные вещи как-будто только для того, чтобы потом их забыть. И Болтон, действительно, припомнил.
Когда они хлопотали в 1775 году о продлении патента, то Уатт в своем заявлении оговаривал случай применения давления пара поочередно с каждой стороны поршня и даже составил чертеж, но затем эта идея заглохла. Вот ее то и надо было сейчас пустить в ход. Опять Болтону принадлежала инициатива практического осуществления одной из мыслей, давно уже оброненных Уаттом.
«Если сделать машину, — писал Болтон Уатту в апреле 1781 года, — по вашему проекту и чертежу, составленным вами несколько лет тому назад, т. е. работающую вниз и вверх, то, может быть, вам удалось бы таким путем совершенно повернуть кривошип вокруг оси, и тогда мы были бы спокойны, так как нельзя сделать обыкновенную машину, чтобы она работала вверх и вниз».
Мы не знаем, как отнесся тогда Уатт к этому напоминанию, но очень вероятно, что он не придал сразу большого значения ему. Лишь через несколько месяцев мы встречаем в его переписке ясно поставленную задачу и способ ее разрешения.
«Относительно машины двойного действия: если поместить на внутреннем (т. е. обращенном к цилиндру. — М. Л.) конце балансира груз, равный половине нагрузки, и заставить машину поднимать его при обратном ходе поршня, сделав вакуум над поршнем, и если вместо цепи применить зубчатую рейку, то цилиндр данных размеров может работать на ту же самую глубину с половинным количеством пара. Я думаю, что машина будет работать очень мягко».
Он запатентовал это изобретение в марте 1 782 года (спецификация написана в июле). Это один из самых замечательных его патентов.
Главная трудность при применении этого изобретения возникла в устройстве передачи. Соединение штока поршня с коромыслом посредством цепи, очевидно, не годилось при рабочем движении в обоих направлениях. Первоначально Уатт применил сцепление зубчатого штока поршня с зубчатой дугой на конце коромысла. Приспособление это было не ново и нельзя было сказать, чтобы особенно удачно. Экспериментальная машина, «машина вверх и вниз», как называл ее Уатт, чуть ли не каждый день ломала зубцы на рейке или на коромысле, но Уатт был все же очень доволен.
«31 марта 1783 года. Приехал домой (в Сохо) и пошел посмотреть, как работает «машина вверх и вниз»; она сломала несколько зубьев в рейке, но работает хорошо», — такова запись в его дневнике.
«Машина работает так мощно, — не без удовольствия писал Уатт французскому ученому Делюку, — что несколько раз выламывала все сцепления».
В том же роде писал он и Смитону.
Еще больше был доволен Болтон. По его настоянию в Сохо была установлена большая машина, уже почти промышленного масштаба, с диаметром цилиндра 18 дюймов, в которой были применены все последние усовершенствования. Машина была значительно быстроходнее всех предыдущих: она делала до 60 оборотов в минуту, зато и ход поршня был значительно короче — 18 дюймов. Она вращала мельничный жернов 4? футов диаметром.
Наконец-то Болтон увидел первую паровую мукомольную мельницу, о которой он так мечтал!
«Машина идет лучше, чем когда-либо, но сжигает слишком много угля», — записал Уатт.
Первой машиной двойного действия, выпущенной на рынок, была ротативная машина для маслобойни Коте и Джаррет в Гулле. Она была построена в 1784 году. Она замечательна еще в одном отношении.
На одном из чертежей ее общего вида, карандашом рт руки легким штрихом, проведено несколько прямых линий, идущих от конца коромысла, с которым сцепляется конец поршня. Эти три-четыре небрежно проведенные линии, поверх аккуратно вычерченных зубчиков рейки штока и зубчатой дуги на конце коромысла, являются первым наброском приложения на практике одного из остроумнейших изобретений Уатта.
Необычайный грохот, производимый машиной, и то и дело выламывающиеся из рейки и коромысла зубья ежедневно и ежечасно убеждали Уатта, сколь далека от совершенства эта конструкция. Но довольно долго он не мог придумать, чем бы можно было ее заменить. Задача, действительно, была нелегка: надо было соединить строго прямолинейное движение конца штока поршня с дуговыми движениями конца балансира. Непосредственно соединить их было, очевидно, невозможно. Устроить двухшарнирное соединение штока с шатуном, а этого последнего с концом балансира было технически почти невыполнимо, ведь для этого нужно было установить длинные прямые направляющие, а единственно возможным в то время способом точной обработки больших плоскостей была обработка вручную зубилом и пилой. Можно себе представить, какая это была дорогая и кропотливая работа. Последняя комбинация, таким образом, отпадала сама собой. Уровень производственной техники здесь, как и во многих других случаях, тяжело подавлял размах воображения конструктора-механика.
Общая руководящая мысль, на которой в конце-концов остановился Уатт, заключалась в том, чтобы осуществить соединение при помощи системы рычагов, вращающихся вокруг осей. Из нескольких предложенных и запатентованных Уаттом комбинаций самая простая оказалась наиболее удачной.
Этот механизм требует некоторых пояснений.
Представим себе два стрежня ОА и O1B, лежащие в одной плоскости и вращающиеся вокруг осей точек О и O1. При таком вращении их концы А и В будут описывать дуги, обращенные выпуклостями друг к другу.
Если соединить их свободные концы стержнем AB, то на этом стержне будет некоторая точка С, которая при этом движении стержней будет двигаться по прямой[6]. Если считать, что ОА—плечо балансира машины, a O1B вспомогательный рычаг, «регулирующий радиус», как его называл Уатт, то можно конец штока поршня присоединить на шарнире в этой точке С, и в то время, как конец балансира будет описывать дугу, шток поршня будет двигаться прямолинейно.)
«Уклонение от прямой линии, — определял Уатт в своем патенте от 24 августа 1784 года свой механизм, — движущегося конца одного из этих стержней компенсируется подобным же уклонением, но в обратном направлении конца другого стержня».
«Так как выпуклости дуг, описываемые концами балансира и регулирующего радиуса (вспомогательный рычаг), лежат в противоположных направлениях, то на соединяющем их стержне имеется точка, которая имеет очень мало заметные уклонения от прямой линии». Так описывал Уатт свое приспособление Болтону.
Схема параллелограма Уатта.
В общих чертах эта комбинация возникла у Уатта, может быть, уже в конце 1783 года. Через несколько месяцев она выкристаллизовалась совершенно отчетливо.
«Я, кажется, убил нового зайца, «меня осенила идея о новом способе придать штоку поршня перпендикулярное движение вверх и вниз, прикрепив его только к куску железа на балансире без всяких цепей или препендикулярно направляющих, без всякого трения, без дуг на коромысле и всяких прочих неуклюжих вещей, и это приспособление полностью соответствует всем ожиданиям… Оно годится и для двойных машин и для простых. Я пока попробовал его только на небольшой модели, поэтому не могу сделать окончательных выводов, но я думаю, что весьма вероятно, что эта вещь удастся. Это одно из самых остроумных простых механических приспособлений, которые я когда-либо придумал, но я прошу вас ничего об этом не говорить, пока я не подам спецификацию».
Вскоре он сделал большую модель «этой замены зубчатки и сектора, которая, как мне кажется, оправдывает все ожидания. Шток поршня идет вверх и вниз совершенно в перпендикулярном направлении».
Это был так называемый неполный параллелограм, или, как Уатт называл его впоследствии, трехрычажное движение. Немного времени спустя, осенью 1784 года, в Сохо испытывали уже машину для маслобойни Котса — первую, снабженную этим остроумнейшим механизмом.
«Новое центральное перпендикулярное движение полностью оправдывает все наши ожидания. Оно не производит даже и намека на шум», — писал Уатт Болтону.
Это было в октябре, а в ноябре он уже наносил на чертеж машины, заказанной лондонским пивоваром Уайтбрэдом, дальнейшее усовершенствование этого трехрычажного движения, так называемого «параллельного движения». Механизм этот теперь известен под названием «параллелограм Уатта». Действие его следующее (см. чертеж).
Продолжим мысленно рычаг ОА до точки G и построим параллелограм OGHJ, причем OJ и GH параллельны AB. Проведем диагональ ОН. Она пройдет через точку С.
Если двигать точку С по прямой уу, а это, как мы знаем, вполне возможно, то вся система придет в движение, и точка Н пойдет при этом тоже по прямой хх и параллельной уу, и все вообще точки пересечения диагонали с линиями, параллельными AB, например точка F на DE или на КМ, будут двигаться по прямым, параллельным уу.
Если принять, что OG плечо балансира машины и к нему подвешен параллелограмм (из металлических стержней на шарнирах) AGHB, то в точках С и H можно подвесить концы штоков поршней, и они при качании балансира будут двигаться по прямым параллельным линиям.
Уатт считал этот механизм своим самым остроумным изобретением. Задача соединения балансира с штоком поршня была блестяще разрешена.
Другую, довольно сложную задачу в машине Двойного действия представляло устройство парораспределения. В своих прежних машинах он применял клапанное парораспределение. В машине двойного действия Уатт устроил две распределительные камеры (прототип будущих золотниковых коробок), по одной у верхнего и нижнего конца цилиндра. Каждая камера имела сообщение с котлом, цилиндром и конденсатором. Открывая соответствующие отверстия (окна), можно было выпускать пар из котла в ту или иную часть цилиндра (над или под поршень) или выпускать его из цилиндра в конденсатор. Эго достигалось при помощи так называемых тарелочных клапанов, т. е. металлических дисков, поднимавшихся или опускавшихся над соответствующими окнами и частично входивших в них. Клапаны приводились в движение путем довольно сложной системы рычагов, действующих от балансира. (Впоследствии от эксцентрика на коренном валу машины). Одновременно всегда действовали два клапана, например, паровпускной в части цилиндра над поршнем и паровыпускной из нижней части цилиндра под поршнем.
Уатт, но главным образом его сотрудники, в особенности Мэрдок, долгое время работали над упрощением системы. Задача состояла в том, чтобы при помощи одной детали машины иметь возможность впускать пар в часть цилиндра (по одну сторону поршня), одновременно выпуская его из другой части. В бумагах Уатта сохранились чертежи (см. рис.) другой системы парораспределения при помощи двух поршней, надетых на один стержень и плотно прилегающих к стенкам коробки. При том или ином их положении устанавливалось сообщение цилиндра с котлом или конденсатором — в этом случае через коробку, в которой двигались поршни (см. рис.).
Схема парораспределения при помощи поршневого клапана.
Чертеж составлен одним из помощников Уатта в 1783 году (буквы поставлены для пояснения). В и В — поршни, соединенные между собой трубкой С и двигающиеся в трубе D, соединенной с конденсатором Н и трубками Е и F с цилиндром A; G — паропровод; К — шток, служащий для передвижения ВВ.
В изображенном на чертеже положении поршней ВВ пространство трубы D между поршнями В и В, а также нижняя часть цилиндра А под поршнем (не изображенном на рисунке), примыкающая к F, заполнены паром, тогда как в верхней части цилиндра А, над поршнем, сообщающейся через Е и через С с конденсатором Н — состояние разрежения; при подъеме ВВ выше F и E нижняя часть А через F будет сообщаться с H, а верхняя часть через Е и D — с паропроводом.
Эти эскизы относятся к 1783 году.
Однако, эта система «поршневых клапанов», как они названы на чертеже, почему то не привилась. И вплоть до 1800 года Уатт продолжал пользоваться клапанным распределением. Но Мэрдок стал дальше разрабатывать идею «поршневого клапана» и в 1799 году взял патент на так называемый D — образный золотник. Самый золотник, т. е. деталь, закрывающая и открывающая соответствующие окна, представлял собой трубку D-образного сечения, помещенную в золотниковой коробке и передвигающуюся при помощи штока от эксцентрика на валу машины. Средняя часть плоской стороны золотника не примыкала плотно к стенке цилиндра, а опиралась на нее только широкими выступами по краям золотника так, что в некоторых положениях между одной частью цилиндра и золотниковой коробкой, наполненной паром из котла, открывалось сообщение, а в это время пар из другой части цилиндра, по другую сторону поршня, выходил в конденсатор, проходя внутри самого золотника как по трубопроводу. Золотник, т. е. одна деталь, таким образом, заменял собой четыре клапана с целой системой рычагов. Несмотря на свою простоту, это золотниковое парораспределение привилось не сразу, и машины с ним стоили дороже, нежели с клапанным, так как трудна была обработка сравнительно больших плоскостей, что затрудняло также и ремонт.
Итак, в середине восьмидесятых годов паровая машина сложилась в своих основных элементах как двигатель с вращательным дижением, с конденсатором, с поочередным действием пар» на обе стороны поршня, с параллелограмом, с планетарным движением, которое, по окончании патента Пикара, будет заменено Кривошипом с центробежным регулятором (см. рис.). Такой будет выпускать ее в течение многих десятков лет фирма «Болтон и Уатт», которая вскоре будет сама строить свои машины и изготовлять все детали и долго будет удерживать свое монопольное положение уже не как собственница патента, а как первый по времени, оборудованию, большому техническому опыту машиностроительный завод.
Но в этой машине не могло найти себе применение одно из самых замечательных практических приложений действия пара, открытых Уаттом, потому что оно оказалось в противоречии с техническими возможностями, с которыми приходилось считаться Уатту в своей работе. Это — использование расширения пара.
Если закрыть доступ пара в цилиндр, когда поршень еще не дошел до конца цилиндра, то пар будет продолжать производить давление на поршень, правда, постепенно уменьшающееся, согласно закону Бойля-Мариотта (давление газов обратно пропорционально объему).
Мысль эта пришла в голову Уатту еще в 1769 году, и он о ней писал Смоллу: «Я уже говорил вам о способе удвоить действие пара и притом довольно легко, используя силу пара, устремляющегося в пустоту. Теперь эта сила теряется. Она почти вдвое усилит его действия, но для полного ее использования потребуется слишком большой резервуар. Она особенно применима к паровому колесу и может заменить отсутствие конденсатора там, где применяется только сила пара, так как, если открыть один из клапанов и пустить пар, пока он не заполнит одной четверти пространств между этим клапаном и следующим, и затем закрыть клапан, то пар будет продолжать расширяться и давить на колесо с уменьшенной силой».
Была ли совершенно нова эта мысль? На нее могла натолкнуть Уатта ньюкомэновская машина.
Отсечка пара, т. е. преждевременное закрытие доступа его в цилиндр до того момента, как он совершенно наполнит его, применялась на ньюкомэновских машинах для того, чтобы постепенно остановить поршень и избежать резких толчков, а не ради экономии пара. Но использовать отсечку и дальнейшее расширение пара в машинах Уатта было нельзя, пока они сохраняли старую систему клапанов, применявшуюся на ньюкомэновских машина^. Дело в том, что паровпускной и паровыпускной клапаны были соединены так, что преждевременное закрытие впуска пара слишком рано открывало сообщение с конденсатором. Уатт довольно долго бился над этой проблемой, пока не додумался до системы отдельного закрывания и открывания впускного и выпускного клапанов.
В Сохо построили специальную экспериментальную машину для этой цели. Она была пущена в ход в апреле 1777 года, но уже через несколько месяцев Уатт усумнился в целесообразности расширения пара, зато Болтон очень уцепился за эту идею. Машина работала прескверно. Уатт не довел до конца своих опытов и не добился хороших результатов. Но года через два появился опасный соперник для Уатта в лице Джабеза Горнблоуэра с его двухцилиндровой машиной, в которой пар из одного цилиндра последовательно поступал в другой и действовал расширением. Надо было преградить путь Горнблоуэру.
В своей спецификации к патенту 12 марта 1782 года Уатт подробно изложил принцип использования расширения пара и снабдил ее даже диаграммой, показывающей кривую давления пара, согласно закону Бойля-Мариотта. Но практически он этого принципа так и не применил.
Почему?
Виноватыми, по его словам, оказались рабочие, те невежественные и упорные машинисты, которых никак нельзя было научить рациональному управлению машиной. «Целый ряд усовершенствований, усложняющих машину, нельзя ввести, — жаловался Уатт, — пока эти невежественные и упрямые люди, которым вверяется забота о машине, не станут более развитыми и лучше знакомыми с машиной». Так он писал в 1781 году.
Но то же самое он рассказывал и в старости. «Мы иногда ставили цилиндр вдвое большего размера, нежели требовалось, и отсекали пар на половине хода поршня. Пока за машиной ухаживали монтеры из Сохо, все шло хорошо, но когда к ней приступали местные машинисты, то они, желая ее улучшить, часто давали ей больше пара. Машина работала лучше, но котел не мог давать нужного количества пара, к нам поступали жалобы на недостаток пара и приходилось снова посылать своих монтеров».
Чертеж машины Уатта (1787 г.), установленной на мельнице Альбиона.
А — цилиндр (диаметр 34 дюйма); В — поршень (ход 8 футов); С — шток поршня; Е — наружный цилиндр (кожух); пространство между А и Е заполнено паром (паровая рубашка); J — пароотводная труба; камеры с тарелочными клапанами: С — верхняя паровпускная; Н — верхняя паровыпускная; К — нижняя паровпускная; L — нижняя паровыпускная; G н К соединены паропроводом (не изображен на чертеже); Н н L соед" чены пароотводной трубой; М — конденсатор, погруженный в резервуар с холодной водой; N — инжекционный кран; Р — воздушный насос; Т и V насоом, подающие горячую конденсационную воду в котел; Z — брус, регулирующий движение клапанов; W — центробежный регулятор (m — муфта, q — шары); х и t — рычаги к паровыпускному клапану; 1, 2 — рычаги к тарелочным клапанам; с, d, f — параллелограм; е — регулирующий радиус.
(Точка a на звене f есть точка С на чертеже параллелограма Уатта).
Но дело было не в машинистах, а в физических законах. Закон Бойля-Мариотта, правильный для газа, оказывался совершенно неверным для пара, как показали Уатту его же собственные наблюдения.
«Это рассуждение совершенно ошибочно, — писал оч, — если оно применяется к пару, так как пар охлаждается благодаря расширению, теряет часть своего объема и частично превращается в воду, если не может заимствовать тепла из окружающих его тел».
Действительно, при тех давлениях и при тех температурах пара, которые Уатт применял, расширение пара не могло дать сколько-нибудь значительных выгод. Введение же высокого давления было связано с такой огромной работой, казалось столь мало осуществимым технически, конечные результаты его были столь еще неопределенны, что Уатт не решился вступить на этот путь. Ему было уже довольно и того длинного пути, который он прошел, и тех целей, которых он достиг.
«Пора уже прекратить опыты с новыми изобретениями, — писал он, — и в особенности не следует ничего пробовать, что (упряжено с какой-либо опасностью неудачи или может причинить нам затруднение при исполнении».
В заключение этого обзора главнейших изобретений Уатта нужно сказать два слова об одном изобретении, обыкновенно приписываемом ему, — об индикаторе. Этот прибор, служащий для измерения и записи колебаний давления пара в цилиндре, в современной нам форме не является изобретением Уатта.
Прибор, который Уатт называл индикатором, есть скорее манометр или вакуумметр. Это — трубка, сообщающаяся с цилиндром машины. Внутри ее ходит поршень, шток которого соединен рычажком со спиральной пружиной, оказывающей сопротивление давлению атмосферы на поршень с другой стороны. Свободный, выходящий из трубки конец штока выступает больше или меньше в зависимости от колебаний давления пара и соединен со стрелкой, показывающей на циферблате эти колебания давления пара в тот или иной момент движения поршня цилиндра. Таким образом, нужно было наблюдать одновременно и за стрелкой, и за положением поршня в цилиндре.
Этот прибор был построен около 1790 года. Первая сохранившаяся запись опытов в дневнике относится к 1793 году. Прибор, записывающий колебания давления в виде диаграммы, был сконструирован одним из помощников Уатта, Саутерном, в 1796 году, как это документально можно доказать на основании сохранившейся переписки. Бумагу для записи он помещал на движущуюся дощечку, а не на вращающийся барабан, который был применен лишь в тридцатых годах XIX века.
К концу штока прибора был прикреплен перпендикулярно к нему карандаш, который чертил от движений поршня прямую на листе бумаги. Если лист в это время передвигался в направлении, перпендикулярном этой прямой, и притом в одну сторону, то получалась волнистая кривая, если же движение листа было, как и движение поршня машины, возвратно-поступательное, то получалась замкнутая кривая.