С некоторого времени к Уатту от различных заказчиков стали поступать просьбы сделать паровую машину, которая могла бы приводить в действие мельницы, ткацкие и прядильные станки, круглые пилы. Для всех этих рабочих машин нужно было не прямолинейно-возвратное движение двигателя, как для насоса, а вращательное. И вот над этой задачей преобразования качательного движения коромысла в непрерывное вращательное движение вала или колеса стал задумываться Уатт.
В своем дневнике изобретатель 5 сентября 1779 года отметил:
«Можно было бы устроить в огневой машине вращательное движение посредством кривошипа…»
Но, пока Уатт сооружал модель, чтобы испробовать кривошипный механизм, рабочий его же завода, Пикар, стоя за своим токарным станком, напал на ту же идею. Без долгих размышлений Пикар взял патент «на применение кривошипа к паровой машине». И, хотя, по справедливому замечанию Уатта, «истинным изобретателем кривошипного механизма был человек, создавший обыкновенный токарный станок, и применить его к огневой машине было так же легко, как воспользоваться хлебным ножом, для того чтобы разрезать сыр», все-таки, согласно законам о патентах, Уатт лишился возможности применять кривошип для своих машин.
Делать было нечего. Приходилось или покупать патент у Пикара, или придумывать что-нибудь другое. Взбешенный Уатт предпочел второе. Он придумал целых пять способов преобразования прямолинейно-возвратного движения во вращательное и запатентовал их все сразу в 1781 году.
Однако только последний из них, а именно «планетно-солнечная передача», состоящая из зубчатых колес, нашел себе применение, и то лишь до тех пор, пока не истек срок патента Пикара.
Новые заказчики требовали более мощных двигательных механизмов.
В машинах простого действия давление пара толкало поршень только вниз. Вверх он поднимался, не совершая никакой работы, отчасти под влиянием давления пара, отчасти под действием противовесов. В новых машинах Уатт стал впускать пар поочередно по ту или другую сторону поршня. Сначала пар впускался в верхнюю часть цилиндра, над поршнем, и вакуум возникал внизу. После этого путем перестановки клапанов пар впускался в нижнюю часть цилиндра, под поршень. Верхняя часть цилиндра соединялась в этот момент с конденсатором, и вакуум, в свою очередь, образовывался там.
Таким образом, в одном и том же цилиндре получалась двойная мощность, а движение поршня стало более равномерным.
Двойное действие машины потребовало изменения способа передачи движения от поршня к балансиру. Прежняя гибкая, цепная передача уже не годилась: ведь посредством цепи можно только тянуть коромысло вниз. Толкать его вверх мог бы только твердый шток. Непосредственно же наглухо соединить конец коромысла со штоком поршня Уатт считал невозможным, так как коромысло, качаясь, описывает дугу, шток же поршня движется прямолинейно, и при жестком их соединении машина не могла бы работать.
Это была трудная задача, и разрешение ее явилось не сразу.
Сначала Уатт испробовал механизм из зубчатой полосы и зубчатого колеса. Он оказался неудовлетворительным. Только после многих опытов Уатту удалось разрешить задачу, сконструировав так называемый «параллелограмм Уатта».
Благодаря этому «параллелограмму Уатта», несмотря на дугообразные качания конца коромысла, шток поршня, соединенный с ним, имел близкое к прямолинейному движение.
Надо отметить, что и в данном случае Уатт все же стал жертвой предвзятой мысли, привычного мышления. Долго ломая голову над тем, как соединить конец коромысла со штоком поршня, Уатт не заметил простой вещи: коромысло в его машинах было ненужным, явно лишним, оно лишь загромождало конструкцию машины. Можно было, выбросив вовсе коромысло, соединить шток поршня с кривошипным механизмом посредством промежуточного стержня-шатуна и получить вращательное движение на валу двигателя с насаженным на него маховиком. Но прошло несколько десятков лет, прежде чем эта простая мысль пришла в голову людям.
Новая паровая машина «двойного действия» имела теперь два равномерных хода поршня: вверх и вниз. Оба они были рабочими. Достижению общей плавности хода машины способствовало также и введение в конструкцию центробежного регулятора, изобретенного Уаттом. Он автоматически регулировал скорость движения машины при неизбежном колебании давления пара в котле и изменении нагрузки в рабочих машинах, приводившихся в движение двигателем.
Применяемый и до сего времени во всех паровых машинах центробежный регулятор Уатта вращается вместе с осью вала. При увеличении скорости шарики регулятора под действием центробежной силы отходят от оси и поднимают муфту. Соединенный с ней рычаг прикрывает заслонку, регулирующую впуск пара в цилиндр машины. Вследствие этого впуск пара уменьшается, и скорость перестает возрастать. При уменьшении скорости шарики сближаются, муфта опускается, рычаг открывает заслонку, впуск пара в цилиндр увеличивается, и скорость вновь возрастает.
Этот саморегулирующийся механизм сделал лишним участие человека, который бы открывал и прикрывал заслонку. Теперь его заменила машина, но не только в том смысле, что ему не нужно делать движения рукой, затрачивать физическую энергию. В данном случае машина заменяет уже не только руки человека, но и его внимание.
После введения регулятора для полной автоматичности работы машины Уатту осталось только улучшить органы парораспределения. В этом ему помог Мердок. Он сконструировал коробчатый золотник, распределяющий пар в цилиндре, и предложил эксцентрик — особый диск, насаженный на вал для приведения его в движение.
Новое, очень остроумное парораспределительное устройство представляло собой коробку без крышки, скользящую по гладкой поверхности, называемой «зеркалом». Коробка приводилась в движение самой машиной при помощи тяги от эксцентрика. В зеркале имелось два паровпускных окна, из которых каждое вело к тому и другому концу цилиндра. Между этими паровпускными окнами имелось еще третье окно, ведущее уже не в цилиндр, а к трубе, соединенной с конденсатором. Открытая часть коробки золотника была обращена к зеркалу, по которому она скользила. Весь этот аппарат Мердок заключил в золотниковый ящик, прикрепленный к цилиндру и соединенный паропроводом с котлом.
Золотниковое парораспределение, существующее и доныне, работает следующим образом. Когда в золотниковый ящик поступает пар из котла, коробка золотника находится в одном из концов ящика так, что паровпускное окно на противоположном конце открыто и свежий пар поступает в цилиндр, где и толкает поршень. Машина начинает работать, и золотник, приведенный эксцентриком в действие, соединяет эту часть цилиндра с паровыпускным окном, направляя отработавший пар в конденсатор, и в то же время открывает второе паровпускное окно, так что пар из золотникового ящика поступает во вторую часть цилиндра и толкает поршень обратно. Таким образом, золотник автоматически распределяет пар в машине двойного действия, подавая его попеременно по обе стороны поршня, и в то же время направляет отработавший пар в конденсатор. Золотник имеет также приспособление в виде «лап», благодаря которому автоматически отсекается пар, и работа в цилиндре идет на три четверти за счет расширения пара.
В результате всех этих изменений конструкции получилась совершенно новая машина. Каждое отдельное изменение отвечало требованию тех или иных заказчиков. Но в новом своем виде машина Уатта могла применяться для любой цели, она стала универсальным двигателем.
В окончательном своем виде паровая машина Уатта, патент на которую был взят в 1784 году, представляла вертикальный стационарный паровой двигатель. Чугунное коромысло приводилось в качательное движение от штока поршня посредством параллелограмма Уатта. Другой конец коромысла при помощи шатуна и кривошипа приводил во вращательное движение маховое колесо, делавшее около тридцати — сорока оборотов в минуту. Через бесконечный приводной ремень маховик вращал рабочую машину или несколько таких машин: прядильных станков, пил, жерновов.
Отработавший в цилиндре пар шел в конденсатор, представлявший ящик с трубками, по которым циркулировала холодная вода: на стенках трубок конденсировался пар. Насос, приводимый в действие от коромысла, выкачивал воду, образующуюся из охлажденного пара.
Паровой котел Уатта несколько отличался от обыкновенных, круглых котлов. Это была продолговатая железная коробка, снабженная не только предохранительным клапаном Папена, но и водомером, указывавшим уровень воды в котле.
Размеры двигателя Уатта были очень значительными. Для установки его приходилось строить специальные здания такой величины, какую у нас сейчас имеют мощные электростанции. Один ход поршня в цилиндре достигал трех метров. Непомерно большие размеры двигателя были следствием тогдашнего состояния техники. Машина Уатта была тихоходной, работала паром низкого давления: кроме того, конструкторы не знали свойств металла, точных расчетов делать не умели и строили предположительно, с огромными запасами прочности.
