Атмосферная машина Ньюкомена

Шахтная проблема и поиски решения

В конце XVII — начале XVIII века английские рудники и угольные копи нередко сталкивались с одним и тем же препятствием: чем глубже становились выработки, тем труднее было удалять поступавшую туда воду. Для водоотлива использовали ручные приспособления, конные приводы и водяные колёса. Но лошади требовали содержания, а водяное колесо нельзя было установить в любом месте. Горному делу был нужен двигатель, способный работать рядом с шахтой и не зависеть от близости реки.

Попытки использовать силу пара предпринимались задолго до Ньюкомена. Английский изобретатель Томас Севери создал устройство, в котором пар и его конденсация помогали поднимать воду без обычного рабочего поршня. Такая схема имела эксплуатационные ограничения, в том числе связанные с высотой всасывания и давлением. Ньюкомен предложил иной путь: отделил рабочий паровой цилиндр от шахтного насоса и соединил их посредством большого качающегося балансира. Благодаря этому усилие можно было передавать на длинные насосные штанги, опущенные в выработку.

Ньюкомен происходил из Дартмута и занимался железоскобяным делом. При создании двигателя практические навыки обработки металла и изготовления крупных механизмов были не менее важны, чем знание опытов с вакуумом и атмосферным давлением. Вместе с ним работал мастер Джон Калли. Изобретение возникло на пересечении ремесленной техники и развивавшегося естествознания.

Как работал атмосферный двигатель

Основными частями машины были паровой котёл, вертикальный цилиндр с поршнем, длинный балансир и насосные штанги. Балансир качался на опоре подобно коромыслу: к одному его концу была подвешена поршневая цепь, а к другому — тяжёлые штанги шахтного насоса. В отличие от многих позднейших паровых двигателей, машина Ньюкомена не использовала пар высокого давления для непосредственного толкания поршня вниз.

В начале цикла под поршень впускали пар из котла. Давление в цилиндре приближалось к атмосферному, и тяжесть насосных штанг на противоположном конце балансира помогала поднять поршень. Затем подачу пара прекращали и внутрь цилиндра впрыскивали холодную воду. Пар быстро превращался в жидкость, его объём резко уменьшался, и под поршнем возникало разрежение. Воздух снаружи давил на верхнюю сторону поршня и опускал его. Через балансир это движение поднимало насосные штанги и приводило в действие водоотливный насос.

После рабочего хода цикл повторялся. Конденсат и введённую охлаждающую воду удаляли из цилиндра. В ранних конструкциях управление клапанами требовало участия человека, но затем появились приспособления, позволявшие машине действовать автоматически. Её движение оставалось возвратно-поступательным, сравнительно медленным и неравномерным, однако для шахтного насоса такой характер работы подходил.

Преимущества и недостатки

Главным достоинством машины стала практическая надёжность по меркам начала XVIII века. Она могла непрерывно выполнять тяжёлую работу там, где достаточно было топлива и воды для котла и охлаждения. Применение пара с давлением, близким к атмосферному, уменьшало опасности, свойственные некоторым схемам с высоким давлением. Создание двигателя, однако, требовало большого здания, массивного балансира, опытных мастеров и постоянного обслуживания.

Серьёзным недостатком была низкая топливная экономичность. На каждом ходе цилиндр охлаждался водой, впрыснутой для конденсации пара, а затем снова нагревался при следующем впуске пара. Значительная часть тепла расходовалась на такое повторное нагревание металлических стенок. Рядом с угольными шахтами высокие затраты топлива были терпимее, чем на предприятиях, куда уголь требовалось привозить издалека. Поэтому машина особенно хорошо прижилась в горнодобывающих районах.

Ещё одним ограничением была специализация. Двигатель был приспособлен прежде всего к качанию насоса. Для привода различных фабричных механизмов требовалось передавать вращательное движение, а эта задача решалась в дальнейшем при совершенствовании паровых машин. Называть двигатель Ньюкомена универсальным двигателем промышленной революции было бы преувеличением: первоначально его возможности определялись потребностями водоотлива.

Распространение и совершенствование

Первую успешную установку обычно датируют 1712 годом и связывают с районом Дадли. В последующие десятилетия подобные машины появились на других шахтах Британии, а затем за её пределами. К смерти Ньюкомена в 1729 году в Европе действовало не менее ста двигателей этого типа, по оценке Национальных музеев Шотландии. Двигатели отличались размерами, материалами и отдельными конструктивными решениями. Их устройство постепенно улучшали по мере накопления опыта.

Именно на фоне распространения атмосферных машин стало особенно заметно, сколько топлива уходит на попеременное охлаждение и нагревание цилиндра. В 1760-х годах Джеймс Уатт занялся исследованием этих потерь и предложил отдельный конденсатор: пар охлаждался вне рабочего цилиндра, который можно было сохранять горячим. Это решение существенно повысило экономичность паровой машины. При этом новые конструкции не вытеснили двигатель Ньюкомена мгновенно: старые установки продолжали работать, а их модернизация зависела от местных условий и затрат.

До наших дней сохранились отдельные поздние образцы атмосферных двигателей и их исторические модели. Они позволяют увидеть, насколько крупными были первые промышленные механизмы, использовавшие теплоту для выполнения регулярной механической работы. Устройство Ньюкомена изучают не только как технический памятник, но и как важный пример перехода от отдельных экспериментальных приборов к практическим энергетическим машинам.

Место в истории техники

Атмосферный двигатель не изобрёл паровую энергию как таковую и не был первым устройством, в котором применяли пар. Его новаторство заключалось в удачном объединении котла, поршневого цилиндра, конденсации и балансира для решения конкретной производственной задачи. Машина дала шахтам дополнительную возможность углублять выработки, расширять добычу и преодолевать ограничения прежних водоотливных средств.

История Ньюкомена показывает, что крупный технический перелом редко сводится к одному изобретению. Успех машины опирался на прежние открытия, навыки ремесленников и потребности добывающей промышленности. Впоследствии её недостатки стали стимулом для новых решений — от отдельного конденсатора Уатта до более совершенных паровых двигателей XIX века. Таким образом, атмосферная машина Ньюкомена заняла важное место между ранними опытами с паром и эпохой широкого промышленного использования тепловых двигателей.

Главное

Атмосферная машина Ньюкомена стала важным шагом от опытов с паром к повседневной промышленной работе. Её поршень двигался под действием атмосферного давления после конденсации пара, а балансир приводил шахтный насос. Хотя двигатель расходовал много топлива и был предназначен главным образом для водоотлива, он показал практическую ценность паровой энергетики и подготовил почву для дальнейших усовершенствований.