Потребность в создании механизмов для откачки воды из шахт возникла в связи с интенсификацией добычи угля и минералов, вызванной резким ростом производства в ходе первой промышленной революции. На некоторых шахтах Великобритании количество лошадей, используемых для привода водоотливных колес, достигало 500 голов, а расходы на их содержание были огромными. Поэтому и появились первые двигатели.

Прототип паровой турбины (1629 г.)

Двигатель Христиана Гюйгенса (1629–1695) представлял собой цилиндр с поршнем, соединенным с механической тягой. На нижнюю полость цилиндра насыпали порох, сжигание которого приводило к падению давления воздуха и обеспечивало разность давлений на поверхности движущегося поршня.

Эта модель не нашла практического применения, хотя изобретение было действующим и имело признаки, присущие всем газовым двигателям. Именно начиная с двигателя Гюйгенса в энергетике появляются понятия цилиндр и поршень.

Первый двигатель Дени (Дениса) Папена (1647–1714) создавали как замену двигателю Гюйгенса, ассистентом которого Папен был в период с 1671 по 1674 год.

Дени (Денис) Папен

Папен установил, что после взрыва пороха в цилиндре остается до двадцати процентов исходного объема воздуха, и предложил заменить порох на воду, которая, испаряясь при нагревании, приобретает «эластичность (давление), подобную воздушной», а после охлаждения цилиндров создает «более совершенный вакуум», чем при применении пороха.

Паровой двигатель Папена

В двигателе Папена пар служит для получения разряжения под поршнем, а полезная работа осуществляется с помощью атмосферного воздуха. Чтобы заставить поршень поднять груз, необходимо манипулировать стержнем, клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.

Однако сложность управления механизмом Папена привела к тому, что первым большое распространение получил паровой насос английского инженера Томаса Севери (1650–1715), предложившего использовать насос для откачки воды из шахт.

Принцип работы насоса был разработан с учетом опыта работы паровых устройств английского маркиза Эдварда Сомерсета.

Эдвард Сомерсет II, маркиз Уорчестерский, первым в Европе спроектировал и установил в своем имении «промышленную» водонапорную систему для фонтана (1664) и систему подачи воды в башни замка (1665).

Томас Севери

Насос Севери

Технологическую основу системы составляли два сообщающихся сосуда, в одном из которых образовывался нагретый пар, вытесняющий воду из второго сосуда до заданного уровня. Подпитывание водой парового и водяного сосудов осуществлялось вручную.

Насос Томаса Севери работал следующим образом.

На первом этапе рабочая емкость целиком заполняется паром. После отсоединения емкости от источника пара последний конденсируется, создавая разрежение, обеспечивающее всасывание воды в рабочую емкость после открытия приемного клапана. Затем приемный клапан закрывается и открывается напорный клапан, соединяющий емкость с источником пара. Давление пара котла вытесняет воду из емкости через отливной клапан вверх. В последних версиях насоса использовались две емкости, что обеспечивало непрерывность процесса откачки воды.

Английский механик Томас Ньюкомен (1663–1729), применив идеи Папена и Севери, создал в 1705 г. паровую машину для откачивания воды. Его устройство стало очень популярным на производствах, связанных с откачиванием воды из шахт.

Паровая машина конструкции Томаса Ньюкомена (1817 г.)

Принцип действия машины Ньюкомена был таков. Пар из котла поступал в цилиндр с поршнем и поднимал этот поршень. (Поршень через коромысло был связан с грузом, который уравновешивал его.) После впрыскивания в цилиндр холодной воды из специального резервуара пар конденсировался и поршень опускался. При этом с помощью коромысла груз поднимался, что давало возможность воде из шахты подниматься по трубе.

В 1765 г. англичанин Джеймс Уатт (1736–1819) создает первую действующую модель двигателя, рабочий ход которого обеспечивался не созданием вакуума, а избыточным давлением.

В период с 1765 по 1769 год Уатт создает последовательный ряд все более и более мощных моделей и в 1769 г. получает патент на свое изобретение. Несмотря на то, что первые двигатели Уатта были одностороннего действия (для шахтных подъемников не было необходимости обеспечивать полезную нагрузку обратного хода), преимущество перед двигателем Ньюкомена было очевидным – мощность двигателя определялась уже не только габаритами цилиндра, но и давлением пара.

С 1774 г. на заводе М. Болтона близ Бирмингема начинается выпуск насосов Дж. Уатта, представляющих модернизированный вариант насоса Ньюкомена.

Начало эпохи транспортного машиностроения относят к 1781 г., когда Уатт создает двигатель с вращающим моментом на валу, на котором впервые применяются механизм преобразования поступательного движения, регулятор частоты вращения и водомерное стекло на котле.

В 1784 г. Уатт создает первый двигатель двойного действия с кривошипно-шатунным механизмом, который на долгие годы стал основной энергетической установкой морских паровых судов. Таким образом машины Уатта могли не только откачивать воду, но и приводить в движение станки и корабли!

Кто же он такой – создатель двигателя Джеймс Уатт?

Джеймс Уатт

Детство и отрочество Джеймса проходили в тихом патриархальном шотландском городке Гринвок, находящемся в тридцати километрах от Глазго. Любовь к ремеслу ребенок унаследовал от отца, который работал на строительстве кораблей, а тягу к знаниям – от деда, преподавателя математики. В восемнадцать лет юноша отправился приобрести специальность в Глазго. Став учеником в мастерских, Уатт за первые два года получил квалификации чеканщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов.

По совету дяди – профессора Мюирхеда, молодой изобретатель поступает в университет Глазго, где он получает должность механика. Именно здесь он начал изучать, улучшать модели паровых машин. С тех пор тепловой двигатель стал главным содержанием его исследований.

Схема паровой машины Уатта (1775 г.)

О точной дате появления универсального двигателя историки спорят до сих пор. Однако на этот вопрос, наверное, и нельзя дать однозначного ответа, поскольку сам процесс создания изобретателем своего детища имеет большую продолжительность. Формальными ориентирами могут быть 1769 г., когда Уатт запатентовал первый вариант двигателя, и 1782 г., когда был внедрен в практику усовершенствованный образец.