[Перевод] Паровой насос08.05.2021 20:18

<< До этого: Вес воздуха

На заре XVIII века Томас Ньюкомен придумал первую полезную паровую машину, которая занималась откачкой воды из шахт. Его машина конденсировала пар, получая энергию из веса воздуха. Её действие было основано на научных знаниях, полученных Торричелли, Паскалем, фон Герике и другими в предыдущем столетии. Так наука о давлении завершила полный круг — вопросы, поставленные при создании шахтных насосов, после их решения помогли разработать улучшенный насос. В данной истории мы ещё не раз увидим это взаимное переплетение полезных механизмов и философских вопросов.

Однако инженерная мысль, шедшая от Торричелли до Ньюкомена, двигалась не прямыми путями. Впрыск горячего пара из внешнего котла для организации движения поршня был совершенно неочевидным способом эксплуатации веса воздуха. Сначала изобретатели испробовали более простой подход — сжигать топливо в самом поршне.

Пороховая машина

В 1661 году Отто фон Герике придумал первый насос обратного всасывания, который поднимал поршнем груз за счёт того, что из-под него откачивали воздух. Это была прекрасная демонстрация наличия у воздуха веса, но полезным такое устройство назвать было сложно — оно просто превращало одну механическую работу (откачку воздуха) в другую, терпя при этом потери.

В ту эпоху для изобретателей было естественно для решения задачи по опустошению цилиндра обращаться к пороху, самому мощному источнику энергии из известных. Несколько килограммов пороха могут швырнуть пушечное ядро с такой силой, что оно пробьёт каменную стену, вонзится в дубовые борта корабля или разбросает колонну солдат. Если бы эту энергию получилось укротить и пустить на более плавную работу, она дала бы новую альтернативу водяным и ветряным мельницам. И Христиан Гюйгенс, как самый ярый поборник пороховой машины, считал, что с помощью пороха можно достичь куда большего.

Большую часть своей жизни Гюйгенс провёл в Гааге, и стал членом Королевского общества, расположенного на другом берегу Ла-Манша, в Англии. Однако в 1666 году его переманили в Париж, предложив ему должность во Французской академии наук. В отличие от английского заведения, бывшего просто частным сообществом джентльменов, нанятых монархом, Французская академия была государственным образованием, которое организовал и финансировал премьер-министр Людовика XIV Жан-Батист Кольбер. Гюйгенс предложил свою масштабную исследовательскую программу, в которой предполагалось изучать вакуум, энергию пара и ветра, и «энергию пороха, малая порция которого заключена в весьма толстом железном или медном футляре» [2].

В своём манускрипте от 1673 года он утверждал, что его новая машина (на тот момент существовавшая в виде прототипа) произведёт революцию в использовании смеси, на тот момент применявшейся лишь для насилия:

Она не только может служить для всех дел, в которых участвуют веса, но и использоваться в большинстве случаев, в которых требуется сила мускулов человека или животного, к примеру, для подъёма больших камней при строительстве здания, возведения обелисков, подъёма воды для фонтанов, вращения мельниц для помола зерна, когда нет достаточного места или возможностей использовать лошадей. Преимущества этого мотора заключены в том, что он не требует никаких расходов и обслуживания во время простоя. Он позволяет открыть новые типы средств передвижения по земле и воде. И хотя это прозвучит противоречиво, не кажется невозможным изготовление некоего устройства, способного передвигаться и по воздуху [3].

Гюйгенс был одним из величайших умов семнадцатого столетия. Он писал труды по математике, оптике, механике и астрономии, и изобрёл самый точный для своего времени хронометр — часы с маятником. Однако пороховую машину, несмотря на все его горячие заверения, никак нельзя причислить к списку его величайших успехов. В ней использовался поршень, находящийся внутри металлического цилиндра, с двумя круглыми отверстиями вверху, оборудованными чем-то вроде односторонних клапанов. Внизу было ещё одно отверстие, для подсоединения пластинки с пороховым зарядом. При поджигании заряда взрыв поднимался вверх под воздействием расширяющихся газов, выходивших затем через клапаны, открывавшиеся в верхнем положении поршня (в качестве клапанов Гюйгенс использовал рукава из мокрой кожи). Поскольку из цилиндра выходила большая часть воздуха, давление внутри сильно падало, и атмосфера двигала цилиндр обратно вниз.

Пороховая машина Гюйгенса. Взорвавшийся в точке H заряд толкал воздух, находившийся в камере А, наружу через кожаные клапаны CD. Частичный вакуум вынуждал цилиндр В двигаться вниз, поднимая вес.

Кроме проблемы автоматизации замены и поджига пороха после каждого цикла, машина просто была недостаточно эффективной для какого-либо практического использования. Порох в Англии конца XVII века никак нельзя было назвать дешёвым источником энергии. Стоимость двух фунтов пороха равнялась среднему дневному заработку [4]. Однако самой большой проблемой было то, что из цилиндра выходила только часть газов, воздух давил на поршень слишком слабо, и система достигала равновесия уже после нескольких циклов. Однако у других изобретателей ушло не так много времени на то, чтобы сообразить, что конденсация пара сможет служить этой же цели с большей эффективностью, причём для этого можно сжигать любое топливо — чем дешевле, тем лучше.

Паровой двигатель

То, что пар может двигать вещи, было известно со времён античности. Философ, математик и преподаватель Герон Александрийский, последний великий интеллектуал, появившийся в птолемеевском Египте до его упадка под гнётом Римской империи — тот самый, что описал пожарный насос — также описал двигатель, работающий под воздействием пара. Он состоял из закрытого котла с двумя трубками, идущими из крышки в противоположные точки полой металлической сферы, сделанной так, чтобы она могла вращаться на оси из этих труб. Сверху и снизу у неё выходили ещё две трубки, согнутые под прямым углом. Когда заполненный водой котёл начинали греть снизу, пар переходил в шар и вырывался из согнутых трубок, что заставляло сферу вращаться.

Двигатель Герона. Вода в котле превращалась в пар, переходила в сферу по двум трубкам, и, вырываясь из двух согнутых трубок, заставляла её вращаться.

Некоторые называют это первым паровым двигателем, однако эта машина работала на том же принципе, что и многие современные газонные разбрызгиватели. Попробуйте заставить мельницу работать при помощи разбрызгивателя, и вы поймёте, было ли практическое значение у машины Герона в качестве парового двигателя. Герон не особенно распространялся на тему работы этого изобретения, но, судя по всему, оно служило лишь развлечением для гостей или иллюстрацией для философской лекции.

Более практичным было эолипил, «Эолов шар», посвящённый богу ветра и описанный другим величайшим механиком классического мира Витрувием (иногда эти термины путают, и называют двигатель Герона эолипилом [5]). Он был также известен, как «суфлятор», и его схема была проще, чем у Геронова шара. Он состоял из металлического контейнера с небольшим отверстием. Когда его заполняли водой и нагревали, он выдавал струю пара. Эту струю можно было использовать для раздувания пламени вместо мехов, и после того, как гуманисты Возрождения распространили работы Витрувия, эолипилы приобрели в Европе популярность. Их делали всяческих красивых форм (часто в виде человеческой головы, выдувавшей пар изо рта), и они явно использовались в качестве как предметов для украшения, так и устройств для алхимиков и стеклодувов.

Эолипил в виде человеческой головы, из Италии XVI века

Двигатель Герона и эолипил относились к пару как к ветру, но новая наука XVII века о давлении привлекла новое внимание к потенциалу пара, как к субстанции, способной сжимать и расширять объём. В 1683 году английский баронет Сэмюэль Морленд написал трактат, в котором заметил, что пар занимает объём в 2000 раз больший, чем такая же масса жидкой воды, и что такой пар, «будучи управляем согласно законам статики, и посредством науки сведённый к мере веса и баланса, мирно выполняет свою работу, как хорошие лошади, и, следовательно, может принести великую пользу человечеству, особенно в вопросах подъёма воды» [6]. Именно в свете этих заявлений бывший ассистент Гюйгенса в Королевской академии, Дени Папен, много лет спустя начал переосмысливать пороховой двигатель своего бывшего наставника.

Папен, будучи на 18 лет младше Гюйгенса, сначала учился на медицинского врача, а потом в 1673 году стал ассистентом Гюйгенса. Однако он считал, что у него, как у гугенота, не будет шансов развернуться в обстановке католической тирании монархии при Людовике XIV. Поэтому он в 1675 году эмигрировал в Лондон, начал активную деятельность в Королевском обществе, некоторое время работал помощником виднейшего исследователя воздуха и вакуума в Англии, Роберта Бойля. В 1687 году он устроился на научную должность в немецком Марбурге в ландграфстве Гессен-Кассель, где существовала диаспора гугенотов-беженцев.

Ландграф желал помощи Папена в создании фонтанов для своей провинции, и к 1690 году Папен разработал для этой цели модель парового двигателя с цилиндром диаметром в 6 см [7]. Он начал разработку с попыток улучшения порохового двигателя, но ему удалось столь же мало, сколько им с Гюйгенсом вдвоём в 1670-х. Судя по всему, идея заменить порох паром пришла ему благодаря его собственному изобретению пароварки от 1679 года — предка современных скороварок, у которого уже был предохранительный рычаг, поднимавшийся паром [8]. Двигатель Папена состоял из цилиндра с небольшим количеством воды внизу и обычного поршня. Будучи достаточно нагретой, вода превращалась в пар и давила на поршень вверх. Наверху поршень удерживала защёлка, пока пар остывал и конденсировался, после чего она открывалась и давление воздуха двигало поршень обратно вниз. Он надеялся использовать один огонь для нагрева нескольких цилиндров, подсоединённых к общему коленвалу — так, чтобы огонь нагревал один цилиндр до точки кипения, а потом переходил к другому, чтобы первый успевал остыть, и в итоге получалось бы непрерывное движение [9].

Схема простого парового двигателя Дени Папена. Вода на дне цилиндра периодически вскипает и конденсируется, заставляя поршень двигаться.

Однако этот двигатель, как и несколько других изобретений Папена, сделанных для ландграфа — дующая машина, паровая лодка, паровая пушка — так и не вышли из стадии прототипов. Папен ощущал всё возрастающее давление со стороны своих врагов в Марбурге. После того, как во время несчастного случая в 1707 году с его паровой пушкой пострадало несколько важных персон, он решил уехать оттуда. После неприятного путешествия, во время которого прототип его паровой лодки изъяли и уничтожили лодочники, не желавшие расставаться с привилегиями своей гильдии, он вновь объявился в Лондоне. Поскольку его бывший покровитель, Бойль, был уже давно мёртв, Папен опустился до нищеты и умер вскоре после января 1712 года — последняя запись о его деятельности была оставлена в этом месяце [10].

В исторических записях того времени встречаются и другие следы размышлений о паровых двигателях, однако Папен был первым достоверно известным человеком, реально построившим такой двигатель (пусть только и в виде прототипа), и имевшим серьёзного спонсора (ландграфа). Почему же Папен не снискал славы и богатства, и умер в нищете? Зациклившись на примере своей пароварки, Папен не мог отказаться от пара высокого давления, толкавшего поршень –, а это выходило за пределы возможностей металлургии XVII столетия. Вероятно, из-за этого ему и не удалось масштабировать свой двигатель. Кроме того, его машина была слишком простой. Нагревая воду на месте, внутри цилиндра, он был завязан на постоянный цикл охлаждения и нагревания, отнимавший много времени и горючего. Однако уже к моменту его смерти два англичанина, занимаясь совершенно разными задачами, превзошли его работу, и выдали первые применимые на практике паровые двигатели.

Ньюкомен

В 1698 году английский военный инженер из девонширской семьи предпринимателей по имени Томас Севери запатентовал своего «друга шахтёра» — первую из известных нам серьёзных попыток использовать текучесть пара в коммерческих целях. Однако его творение, строго говоря, вообще не было двигателем — это был нанос, работавший при помощи пара. Он наполнял камеру паром из отдельного бойлера, а потом поливал её снаружи водой, чтобы сконденсировать пар. Образовывавшийся вакуум вытягивал воду вверх по трубе. Как любой насос, такой тяги хватало лишь на подъём воды на высоту порядка 10 м, поэтому для прокачки воды дальше на поверхность он полагался на импульс следующей порции пара высокого давления. В итоге он страдал от тех же проблем, что и нагнетательный насос — для наибольшей эффективности его нужно было устанавливать в глубине шахты, а высота подъёма воды была ограничена возможностями металлургии тех времён. Нужно было изготавливать сосуды и трубы, способные выдерживать необходимое давление. Известно, что несколько его машин разрывало по швам, иногда с фатальными последствиями.

Гравюра с изображением машины Севери, где показано, как её можно было использовать в шахте. Обратите внимание на высокую вертикальную трубу, необходимую для доставки воды на поверхность. Яйцеобразные резервуары использовались для непрерывной прокачки — один заполнялся паром высокого давления, выдавливавшим воду вверх, а в другом конденсировался пар, высасывавший воду снизу.

Схема Севери применялась в различных случаях в качестве источника давления воды — для садов аристократов, например — и другие изобретатели несколько десятилетий продолжали совершенствовать насос. Но, несмотря прозвище, которое Севери дал своему детищу, неспособность «друга шахтёра» поднимать воду на значительную высоту без риска взрыва не дала ему стать популярным оборудованием для шахт.

Тем временем над иной схемой парового двигателя работал другой Томас. Томас Ньюкомен, как и Севери, был из Девоншира, торговал скобяными и кузнечными изделиями и инструментами для горной промышленности. Неизвестно, знал ли он о существовании парового насоса Севери — у них определённо были возможности пересечься в Девоншире. В любом случае, у его машины оказалась совсем другая схема, и в ней не было ничего от Севери, кроме идеи использовать пар в качестве жидкости, производящей механическую силу. К сожалению для Ньюкомена, Севери зарегистрировал очень общий патент, дающий ему эксклюзивные права на «производить, имитировать, использовать и применять любые резервуары или двигатели для подъёма воды или возможного вращения мельниц при помощи силы огня». Ньюкомену пришлось стать партнёром Севери и его наследников, вне зависимости от происхождения его идей [11].

Гравюра с изображением машины Ньюкомена в музее Грифф Колльери близ Ковентри. Конденсируясь в цилиндре слева, пар притягивал вниз левую часть коромысла, заставляя работать насос справа. При добавлении порции пара вес коромысла опускал его правую сторону. Над поршнем видно резервуар для поднятой воды, а под ним — бойлер, обложенный кирпичом.

В полностью реализованном проекте Ньюкомена (построенном с помощью Джона Кэлли, которого в разных источниках называют то стеклодувом, то лудильщиком), было два ключевых плюса.

Во-первых, он использовал только конденсацию пара для движения поршня, поэтому у него не было проблем с ёмкостями для пара высокого давления. Он вернулся к оригинальной концепции фон Герике, вывернув её наизнанку. Поршень крепился к одному концу тяжёлого деревянного коромысла, к другому концу которого крепился насос. При конденсации пара в цилиндре воздух давил на поршень, и поднимал другой конец коромысла, приводя в действие насос. Впрыскивание свежего пара низкого давления не поднимало поршень, а уравнивало давление сверху и снизу, благодаря чему коромысло под собственным весом поднималось в изначальное положение.

Во-вторых, конденсация пара происходила благодаря впрыскиванию холодной воды в цилиндр, благодаря чему ход поршня был более быстрым и мощным по сравнению с внешним охлаждением ёмкости у Севери. Судя по всему, Ньюкомен случайно наткнулся на такую схему, когда вода, которая должна была охлаждать цилиндр снаружи, случайно просочилась внутрь.

Но кроме этих улучшений изобретение Ньюкомена было демонстрацией механического гения, сильно опережавшего всех его предшественников. После многих лет экспериментов он сумел-таки сделать свой двигатель полностью автоматическим — все клапана, управлявшие входом и выходом пара, контролировались колышками на вращающемся стержне, которую вращал сам двигатель.

Иногда пишут, что оборудование, позволявшее машина работать автономно, изобрёл мальчик, которого наняли для этой работы. Он якобы устал и решил её усовершенствовать. Более вероятно, что он просто внёс какое-то небольшое улучшение в и так уже почти автономный агрегат. К сожалению, никакой документации времён разработки этой машины найдено не было, поэтому этот вопрос разрешить в ту или иную сторону вряд ли получится.

Учитывалась и необходимость в источнике холодной воды, охлаждавшей пар. Небольшой вспомогательный насос откачивал воду из отстойника, откуда она стекала после выхода из цилиндра в бак над двигателем. Далее она могла опускаться под действием силы тяжести, и использоваться повторно.

Похрипывая и потрескивая и хрипя, вновь и вновь качаясь туда и сюда, пока не иссякал источник его паровой диеты, двигатель Ньюкомена был самым близким к искусственной форме жизни устройством, изобретенной человеком на тот момент. Один поэт сравнил бойлер с дышащей «железной утробой» [13]. Другой, Эразм Дарвин (дед Чарльза) сравнил машину с кивающим гигантом:

Потоки воды холодной расширение прекращают,
А облако пара огромное в капельку превращают.
Поршень под воздуха весом вниз до конца опускается
Быстро, за стенки железные он ведь нигде не цепляется.
Балкой гигант рукотворный быстро и ловко качает,
Пол сотрясая, он машет своими руками, и будто кивает.

Bade with cold streams the quick expansion stop,
And sunk the immense of vapor to a drop.
Press’d by the ponderous air the Piston falls
Resistless, sliding through it’s iron walls;
Quick moves the balanced beam, of giant-birth,
Wields his large limbs, and nodding shakes the earth.[14]

Точное устройство самого насоса, приводимого в движение машинами Ньюкомена, неизвестно. Все найденные описания концентрировались на самой машине, а не на её полезной нагрузке. Можно предположить, что это была последовательность насосов, все поршни которых машина могла поднимать одновременно, или какое-то ковшовое подъёмное устройство, которое балка цепляла во время движения вверх, а во время обратного движения отцеплялась.

Первым надёжно документированным использованием машины Ньюкомена считается её установка на угольной шахте близ Бирмингема в 1712 году, хотя Ньюкомен наверняка потратил на её разработку много лет. Возможно, он возводил ранние её модели на жестяных шахтах Корнуолла, к западу от родного Девоншира [15]. Когда патент Севери, наконец, закончил действие в 1733 году, только в одной Англии было возведено 100 машин Ньюкомена. Несколько экземпляров построили в Бельгии, Франции, Германии и в других частях Европы. Сам Ньюкомен умер в 1729 году [16]. В 1753 году первая паровая машина прибыла в Америку — её собрали на медной шахте Шюльера в Нью-Джерси из частей, произведённых в Корнуолле.

Хоть Ньюкомен и не умер в нищете, как его предшественник Папен, он так и не снискал славу великого изобретателя. В его время концепцию великого изобретателя ещё только предстояло изобрести. Человека с механическим складом ума и новой идеей скорее сочли бы чудиком, нежели гением. Но нужно помнить, что машина Ньюкомена использовалась почти всегда только в качестве оборудования для горного дела. Однонаправленное движение машины почти не позволяло приспособить её для чего-либо ещё. Она, конечно, стала очень полезной для шахтёров в их борьбе за освобождение от воды всё более глубоких шахт, но никаким очевидным образом не изменила общество, как можно было бы ожидать от «парового двигателя». Только потому, что ему повезло родиться позже, и приобрести знания, необходимые для изобретения более общего варианта двигателя, Джеймс Уатт прославился гораздо сильнее Томаса Ньюкомена.

Некоторые изобретатели пытались использовать машину Ньюкомена в качестве замены для мельниц, движущей силой которых в основном была вода. Однако попытки прикрепить машину к маховому колесу, которое потом должно было непрерывно крутить что-либо, успехом не увенчались. Целесообразнее оказалось использовать паровую машину для того, чтобы закачивать воду на определённую высоту, с тем, чтобы она на спуске вращала водяное колесо. Самым известным примером такого использования машины считается мельница для производства медных булавок, стоявшая в Уормли близ Бристоля, где Артур Янг писал в 1771 году: «все машины и колёса приводятся в действие водой, для поднятия которой используется поразительная огненная машина, поднимающая, как говорят, по 3000 хогсхедов ежеминутно». Подобный процесс имел экономический смысл только там, где было мало воды и много дешёвого горючего, что и приводит нас к углю. Но перед тем, как продолжить историю непосредственно паровой машины, мы должны рассказать историю топлива, которое в следующие столетия будет её питать.

Ссылки

[2] Friedrich Klemm, A History of Western Technology (Cambridge, Mass: MIT Press, 1964), 212.

[3] Klemm, 213–215.

[4] Цены на порох: www.gutenberg.org/files/54411/54411-h/54411-h.htm#Page_184 (~11 pennies/pound 1695); Заработки: www.jstor.org/stable/pdf/1819834.pdf (~20 pennies/day 1683–1692)

[5] W.L. Hildburgh, «Aeolipiles as Fire-blowers,» Archaeologia 94 (1951), 27–55.

[6] Samuel Morland, «The Principles of the New Force of Fire» (1683).

[7] David C.A. Agnew, Protestant Exiles from France, Chiefly in the Reign of Louis XIV, Volume 1 (1886), 151–153.

[8] [Reference to 2004 article on Papin and Hero]

[9] Alfred Auguste Ernouf, Denis Papin, Sa Vie et Son Oeuvre (1874), 76–68.

[10] Ernouf, 131–33,

[11] James Greener, «Newcomen and his Great Work,» The Journal of the Trevithick Society (2015), 67.

[13] John Dalton, «A Descriptive Poem: Addressed to Two Ladies, Aat Their Return From Viewing the Mines Near Whitehaven.»

[14] Erasmus Darwin, Economy of Vegetation, Canto I: lines 254 — 263.

[15] Работа Гринера «Newcomen and his Great Work» посвящена доказательству того, что в Корнуолле существовали предшественники машины Ньюкомена

[16] Richard L. Hills, Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine (Cambridge: Cambridge University Press, 1989), 30.

[17] Arthur Young, A Six Weeks Tour through the South Counties of England and Wales (1771), 184–185.