Необходимый для приведения машины в движение пар получался уже не под поршнем (как у Панина), а в отдельном котле (внизу), в котором нагревалась вода. Пар по трубке проходил в цилиндр и гнал поршень вверх. Как только поршень доходил до верху, внизу поворотом особого крана закрывали доступ пара в цилиндр, а цилиндр обливали холодной водой. Тогда от охлаждения пар сгущался в воду, под поршнем образовывалась пустота, а сверху на поршень давил воздух. Поэтому поршень снова шел вниз. Как видно из рисунка, поршень своим движением качал коромысло, которое опускало и поднимало связанную с ним штангу водяного насоса и таким образом откачивало воду.
Обливать каждый раз цилиндр снаружи холодной водой было неудобно, а потому скоро придумали впрыскивать холодную воду из особого сосуда через трубку прямо под поршень. Вскоре было сделано и другое усовершенствование.
Краны, открывающие и закрывающие доступ пара или холодной воды в цилиндр, приходилось каждый раз открывать и закрывать вручную. Эту работу выполняли обычно мальчики. И вот рассказывают, что один из этих мальчиков, по имени Гэмфри Поттер, придумал, как облегчить себе скучную работу. Он соединил краны с коромыслом веревками так, что при качании коромысла краны открывались и закрывались сами собой, автоматически. Приходит раз мастер и видит, что мальчик мирно спит, а машина тем не менее исправно работает. Посмотрели внимательно, что устроил мальчик, да потом и начали применять его приспособление во всех других машинах.
Так работали первые паровые машины при откачке воды из английских каменноугольных шахт. Но очень малое количество затрачиваемого на них тепла превращали они в полезную работу. Всего какую-нибудь сотую часть и даже того меньше. Остальное тепло бесполезно улетало в трубу топки, тратилось на нагревание охлаждаемых каждый раз стенок цилиндра, уходило из машины с теплой водой и так далее. Но скоро и тут были сделаны большие усовершенствования.
В университете города Глазго (Шотландия) приборами, служившими для производства разных научных опытов, заведовал молодой механик Джемс Уатт (рис. 15). Попала к нему как-то в починку модель [4] паровой машины Ньюкомена. Она так заинтересовала Уатта, что он потом всю жизнь свою посвятил усовершенствованию паровой машины. И можно даже сказать, что только благодаря усовершенствованиям Уатта паровая машина начала широко применяться в технике. В чем же состояли эти усовершенствования?
Прежде всего Уатт заметил, что в машине Ньюкомена много тепла теряется даром на нагревание стенок цилиндра, охлаждаемых каждый раз холодной водой. Для устранения этого он придумал сгущать пар не в цилиндре, а в соединенном с ним приборе, так называемом конденсаторе, или холодильнике. А чтобы цилиндр не охлаждался, он окружил его сохраняющими тепло веществами. Этим уже достигалась довольно большая экономия в топливе. Через несколько лет, однако, а именно в 1769 году Уатт совсем иначе перестроил всю паровую машину. Да перестроил так удачно, что главнейшие ее части сохраняются и до сих пор почти в каждой паровой машине, только, конечно, еще более улучшенные и усовершенствованные.
В машине Ньюкомена пар действовал на поршень только с одной стороны; в обратную сторону, после сгущения пара, поршень гнался давлением наружного воздуха. Уатт же заставил пар высокого давления действовать на поршень попеременно с обеих сторон. Достиг он этого с помощью особого приспособления, называемого золотником. Действие золотника будет понятно из рисунка 16.
На рисунке изображен стоячий паровой цилиндр, для ясности как бы разрезанный пополам.
К цилиндру (справа) наглухо прикреплена коробка с помещающимся в ней золотником. Смотрите теперь на левую часть рисунка.
Сжатый горячий пар, образовавшийся в котле, поступает через трубу, обозначенную буквой Л. Из рисунка видно, что цилиндр сбоку имеет два отверстия, одно из которых (верхнее) закрыто подвижной крышкой—золотником. Пар может пройти в цилиндр только через нижнее отверстие, т.-е. под поршень. Он погонит поршень вверх.
Воздух или пар, который находился вверху, будет выгоняться поршнем через верхнее отверстие цилиндра под крышку золотника, а оттуда, через отверстие, обозначенное кружочком (а), наружу. Все это показано на рисунке стрелками.
Как только поршень дойдет доверху, крышка золотника передвинется вниз, откроет верхнее отверстие и закроет нижнее. Получится то, что показано на правой половине рисунка. Здесь легко увидеть, что пар из котла будет теперь уже гнать поршень вниз, а отработавший, мятый пар будет уходить из цилиндра через нижнее отверстие. Передвижение золотника вниз и вверх производится самой машиной, т.-е. автоматически.
Благодаря этому приспособлению паровая машина стала работать гораздо лучше, и стало возможным применять более сильно сжатый пар, имеющий высокое давление. Кроме этого Уатт улучшил действие машины применением масла и воска для более плотного смыкания частей, применением особого регулятора для равномерного и правильного хода машины и целым рядом других приспособлений. Благодаря им паровая машина Уатта потребляла уже в четыре раза меньше угля, чем требовала для той же работы машина Ньюкомена.
Нужно здесь заметить, что еще за несколько лет до постройки Уаттом своей машины, подобную же машину построил русский механик — самоучка Иван Иванович Ползунов. Эта машина работала в 1766 году на Барнаульском заводе. Но так как промышленность в тогдашней России только-только еще зарождалась, то машина Ползунова не получила никакого распространения и о ней скоро совсем позабыли. Уатт, конечно, ничего не знал об изобретении Ползунова и построил свою машину вполне самостоятельно.
В дальнейшем различные части паровой машины подвергались все большему и большему усовершенствованию. Стали, например, вместо сплошных делать трубчатые котлы, где горячие газы из топки проходят через многочисленные трубки, укрепленные внутри котла. Благодаря этому газы гораздо лучше нагревают воду. Улучшая материалы, из которых строилась машина, и лучше пригоняя части, увеличивали силу давления пара. В машинах начали устраивать вместо одного — два, а то и несколько цилиндров, в которых работал уже отработавший в первом цилиндре пар.. Начали увеличивать быстроту работы двигателя: первые паровые машины (после Уатта) делали только 10—20 оборотов в минуту, современные же машины делают за это время 60—80 и до нескольких сот оборотов. Увеличивалась и мощность машин. Все эти и целый ряд других усовершенствований позволили гораздо лучше использовать теплоту, получаемую от горения угля в топке машины. Так, например, лучшие машины Уатта использовали для полезной работы только одну пятидесятую часть всей этой теплоты. Около 1850 года лучшие машины того времени превращали в полезную работу одну двадцатую часть. Современные же лучшие машины превращают в полезные работы уже одну шестую или даже одну пятую часть затраченного на них тепла. Все эти улучшения было возможно сделать потому, что ученым удавалось все лучше и подробнее изучить, как и по каким законам тепло превращается в энергию движения, а техникам удавалось применять добытое учеными на практике. С другой стороны, конечно, и достижения технической практики двигали вперед науку. Так с развитием физики и техники росла та польза, которую люди извлекали из угля
Однако некоторые выводы физики и техники заставляют думать, что дальнейшие улучшения в смысле возможности еще большего использования угля с помощью паровой машины вряд ли дадут многое. Поэтому уже около 40 лет назад начали придумывать другой способ использования силы пара, для чего стали строить паровые турбины. Для постройки паровых турбин надо было уже иметь высокого качества металл и уметь очень точно пригонять части.
В паровой турбине действует не давление пара, а сила его удара. Пар из котла под высоким давлением поступает в сопла. Из них с большой скоростью он идет на рабочее колесо турбины (рис. 17), имеющее на своей поверхности много небольших изогнутых лопаток. Ударяй в эти лопатки пар приводит колесо в быстрое вращение, которое уже передастся работающим частям машины. Скорость вращения таких турбин доводится иногда до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту.
На рисунке 18 изображен швейцарский паровоз, который приводится в движение паровой турбиной. Его турбина делает 8000 оборотов в минуту. Паровоз этот отличается плавным ходом и расходует на одну четверть меньше топлива, чем обыкновенный.
Современная паровая турбина является одним из самых экономных паровых двигателей, — она полезно использует уже примерно пятую часть получаемого от топлива тепла.
Но что это значит? Это значит, что все-таки из 100 килограмм угля восемьдесят сгорает для нас бесполезно, "улетает в трубу"!..
