Создатели двигателей

В эпоху промышленного капитализма с ростом производительных сил росли и потребности. Понадобились быстроходные машины и в производстве булавок и на орудийных заводах для обработки пушечных деталей. А быстроходные машины потребовали и соответствующей скорости двигателя.

К концу века появились центробежные насосы, центрифуги, сепараторы — машины, вращавшиеся с неслыханной скоростью. Кроме того, в мир вошла динамо-машина, производящая электрический ток. Оказалось, что генераторы переменного электрического тока работают нормально, делая три тысячи оборотов в минуту. Таким машинам нужны двигатели с равным числом оборотов, чтобы, не прибегая к передачам, соединять на одном валу двигатель и рабочую машину.

Паровой двигатель — очень тихоходная машина. При всем совершенстве техники скорость его едва-едва доходила до четырехсот оборотов в минуту. Легко видеть, как безнадежно отставал он по быстроходности хотя бы от динамо-машины. Двигатели внутреннего сгорания оказались более проворными. Однако и до сих пор даже в самых совершенных авиационных двигателях, в том числе и дизельных, число оборотов остается в пределах между одной и тремя тысячами в минуту. Надо думать, что добиться больших скоростей в двигателях с прямолинейновозвратным движением вообще невозможно без снижения срока их службы. А долговечность этих двигателей и так очень невелика.

Движение поршня в цилиндре происходит попеременно, взад и вперед, от одного крайнего положения до другого. При каждой перемене направления в конце хода, когда скорость меняет свое направление, обращаясь в нуль при мгновенной остановке поршня, величина ускорения будет наибольшей, а с ней вместе достигает максимума и сила инерции. Если число ходов поршня в минуту будет значительным — скажем, более трехсот, — то силы инерции достигнут очень больших величин. Действуя несколько сот раз в минуту вправо и влево поочередно, силы инерции расшатывают движущие части машины и даже ее раму. По мере износа и истирания частей в промежутках образуются зазоры. Истершаяся, расшатавшаяся машина становится ненадежной, небезопасной и выбрасывается в лом. Таким образом, наличие прямолинейновозвратного движения в машине обращается в неустранимое препятствие для ее быстроходности.

Самым простым и удобным движением является не прямолинейно-возвратное, а вращательное вокруг неподвижной оси, не изменяющей своего положения. При таком движении возможно достигнуть того, что вследствие самого движения не будет проявляться никаких вредных сил инерции. Нужно только самым точным образом уравновесить вращающиеся части, сбалансировать их, как выражаются техники. Ничтожное повышение веса в какой-нибудь части колеса при вращении его со скоростью нескольких десятков тысяч оборотов в минуту приведет к развитию таких сил инерции, что неточно сбалансированное колесо разлетится на куски.

Тихоходные двигатели с непосредственным вращательным движением были известны человечеству испокон веков. Подобными двигателями являются водяные и ветряные колеса.

Даровой энергией воды и ветра пользоваться, конечно, выгодно. Конструкция водяных и ветряных колес очень проста. Действующие модели их может построить каждый смышленый ребенок. Беда только в том, что работают эти двигатели не там, где нужно человеку, а там, где есть река; и не тогда, когда человеку нужно, а тогда, когда есть ветер.

Творческой фантазии человека не под силу найти средство, чтобы заставить ветер дуть на железное колесо с надлежащей силой и постоянством. Вид мельницы, окруженной заказчиками, стоящей неподвижно из-за безветрия, скорее внушает мысль об искусственном ветре. Таким искусственным ветром является струя водяного пара. Она извергается из котла даже при невысоком давлении с огромной скоростью. Уже при пяти атмосферах первоначального давления пар вытекает из сосуда, в котором он заключен, со скоростью 500 метров в секунду, в то время как скорость ветра даже при урагане не превышает 40 метров в секунду. Пар давлением в десять атмосфер направляется в конденсатор со скоростью, вдвое превышающей скорость пули, выпущенной из современной винтовки. Скорость перегретого пара еще значительнее.

Мысль об использовании кинетической энергии пара для получения вращательного движения возникла до того, как были накоплены теоретические знания о свойствах пара.

Любители техники строили такие машины в виде игрушек для собственного развлечения раньше того, как паром начали заниматься Папен, Севери, Ньюкомен, Ползунов, Уатт.

Уже в одном из древнейших трудов, затрагивающих вопросы механики, именно в труде Герона Александрийского — а он жил две тысячи лет назад, — описан прибор, называемый эолипилом. Он состоит из пустого шара с двумя трубками, загнутыми по направлению движения шара. Осью, на которой помещается шар, служат трубки, соединенные с котлом, где кипит вода. По этим осевым трубкам пар наполняет шар и, вытекая на воздух из загнутых трубок, приводит его во вращательное движение. Шар вращается благодаря действию реактивной силы выходящей струи пара. Это все та же реактивная сила, которая заставляла двигаться и повозку Ньюкомена, построенную им в подтверждение открытого закона — всякое действие равно противодействию и противоположно ему по направлению.

Давление пара в шаре уравновешивается стенками шара всюду, кроме отверстий трубок, через которые пар выходит наружу. Если бы отверстий не было, давление во все стороны было бы одинаково, и шар оставался бы неподвижным. Но давление на всю площадь шара изнутри, конечно, во много раз превышает давление на площадь отверстий, где оно не уравновешено. Избыток давления и заставляет шар вращаться.

Эолипил Герона представляет собой простейшую форму реактивной паровой турбины.

Другой прибор, в котором работа производилась за счет кинетической энергии пара, известен под названием машины Бранка. Она описана в труде Джованни Бранка, вышедшем в Риме в 1629 году. Машина Бранка состоит из парового котла, крышкой которому служит бюст человека с тонкой трубкой во рту. Вырывающийся из трубки пар направляется на лопатки горизонтального колеса с ячейками. Прямодействующая струя пара вращает это колесо со значительной скоростью.

Машина Бранка представляет собой простейший вид активной паровой турбины.

По этим двум старинным моделям изобретатели и техники, даже не имея никаких теоретических знаний, могли видеть, что скорость пара можно использовать для получения вращательного движения двояко: или действуя струей пара на колесо, или заставляя пар вытекать из колеса. Герои и Бранк не только указывали, каким путем можно обратить кинетическую энергию пара в механическую работу, но и предлагали опытные конструкции таких машин.

Тем не менее в продолжение многих лет машины Герона и Бранка оставались только моделями и игрушками. Вероятно, благодаря тому, что на эти модели все смотрели как на игрушки, и существовало мнение, упорное, хотя и неправильное, что скорость пара нельзя превратить в работу, нельзя получить на колесе сколько-нибудь прочное мощное движение.

Это, наверное, единственный случай в истории техники, когда отлично выполненные и хорошо действовавшие модели увели людей в сторону от правильного пути, а не привели к нему. Впрочем, виновато здесь не только влияние установившегося мнения, но и отсутствие теоретических познаний.

Большое значение могло иметь и другое обстоятельство. До поры до времени паровой двигатель удовлетворял промышленность, и никто не требовал лучшего. Но, как только пришло время и хозяйство стало ощущать нужду в быстроходном двигателе, взоры конструкторов обратились к старым двигателям с непосредственным вращательным движением, к моделям Герона и Бранка. Добавим, что к этому времени налицо были и научные знания о свойствах пара, и техническая возможность строить быстроходные машины.

Попыток создать турбину, главным образом реактивную, было немало, но турбостроение до Лаваля не могло справиться с огромными трудностями конструктивного характера. Трудности рождала как раз быстроходность этих машин.