Рис. 18. Схема машины Уатта.

На рис. 18 представлена схема действия насосной паровой машины Уатта. Из рисунка видно, что Уатт внес два важных усовершенствования. Во-первых, он ввел специальное устройство — конденсатор пара 5, так что пар в машине Уатта конденсировался не в цилиндре машины, как то было раньше (например, в системе Ньюкомена), а в конденсаторе. Во-вторых, Уатт устроил паровую рубашку 2 вокруг цилиндра, заполнявшуюся во время работы машины паром из котла 1. Эти два усовершенствования существенно повысили экономичность машины.

Рис. 19. Цилиндры двойного действия.

Машина Уатта действовала следующим образом. Пар из котла 1 поступал в цилиндр; в это время поршень собственно паровой машины шел вверх (клапан 3 был закрыт, а клапан 4 открыт), в то время как поршень насоса шел вниз (клапан 8 был закрыт, а клапан 9 — открыт) и ранее наполнявшая цилиндр насоса вода подавалась потребителю. Когда пар из котла 1 заполнял цилиндр машины, клапан 4 закрывался, а клапан 3 открывался, вследствие конденсации пара в цилиндре машины создавался вакуум, поршень машины иод действием атмосферного давления опускался вниз, а поршень 7 насоса поднимался вверх (клапан 8 был открыт, клапан 9 — закрыт), засасывая новую порцию воды в цилиндр насоса. Из описания действия насосной паровой машины Уатта следует, что она, как и машина Ньюкомена, относилась к атмосферным машинам.

Насосная Паровая машина Уатта оказалась удачной, но только в 1769 г., т. е. приблизительно через четыре года после постройки модели, он получил на нее патент. На Корнуольском оловянном руднике в 1778 г. насчитывалось около 70 машин Ньюкомена, а к 1790 г. все они, кроме одной, были заменены машинами Уатта. Область применения паровых машин расширялась, большие заказы поступали, в частности, со стороны развивающейся текстильной промышленности, требовались универсальные паровые двигатели для привода вращающихся станков и других машин. Патент на универсальный паровой двигатель Уатт получил в 1781 г. Он разработал и создал паровую машину с цилиндрами двойного действия, принцип работы которых изображен на рис. 19. Уатту также принадлежит разработка центробежного регулятора и индикатора.

Создание новых конструкций паровых машин, их совершенствование, изобретение отдельных — иногда мелких, а иногда крупных (но всегда важных) — новшеств было, конечно, делом многих талантливых людей. Повышалась быстроходность паровых машин, увеличивалось давление свежего пара, для преобразования возвратно-поступательного движения поршня машины во вращательное все более широко применялся давно уже известный кривошипно-шатунный механизм, схема действия которого, представленная на рис. 20, не требует пояснений.

Рис. 20. Схема паровой машины с кривошипно-шатунным механизмом.

1 — поршень; 2 — шатун; 3 — коленчатый вал; 4 — маховик.

В XVIII в. возникло вполне понятное стремление использовать паровую машину на наземном и водном транспорте. Хотя первые практические успехи в этой области относятся к началу (первой четверти) XIX в., но, вероятно, будет уместно остановиться на этом здесь как на непосредственном продолжении сказанного выше.

Было сделано немало попыток разработки парового локомотива (от лат. loco moveo — сдвигаю с места), были построены действующие модели, но обычно выделяется построенный талантливым английским изобретателем Джорджем Стефенсоном (1781–1848) в 1829 г. паровоз «Ракета», изображенный на рис. 21.

Рис. 21. Паровоз Стефенсона «Ракета».

Стефенсон родился в рабочей семье, работал на угольных копях Ньюкасла, где работали также его отец и дед. Он много занимался самообразованием, изучал физику, механику и другие науки, всегда интересовался изобретательской деятельностью. Выдающиеся способности Стефенсона привели его на должность механика, а в 1823 г. он был назначен главным инженером компании по строительству первой железной дороги общего пользования Стоктон — Дарлингтон; это открыло ему большие возможности конструкторской, изобретательской работы.

В 1823 г. Стефенсон организовал первый паровозостроительный завод в г. Ньюкасле.

«Ракета» была не первым паровозом, сконструированным и построенным Стефенсоном, но этот превосходил другие по многим показателям и был признан лучшим локомотивом на специальной выставке в Рейхилле и рекомендован для новой железной дороги Ливерпуль— Манчестер, ставшей в то время образцовой.

Железные дороги начали играть в XVIII в. огромную роль. Их значение очень велико и в настоящее время. Паровоз долгое время занимал монопольное положение на железных дорогах. Но во второй половине XX в. был практически полностью вытеснен электровозом и тепловозом.

В России первые паровозы были построены русскими механиками и изобретателями Черепановыми — Ефимом Алексеевичем (отец, 1774–1842) и Мироном Ефимовичем (сын, 1803–1849), работавшими на Нижнетагильских заводах и бывшими крепостными заводчиков Демидовых. Черепановы занимались самообразованием, посещали заводы Петербурга и Москвы, Англии и Швеции. За изобретательскую деятельность Мирону Черепанову и его жене в 1833 г. была дана вольная. Ефиму Черепанову и его жене вольная была дана в 1836 г. Черепановы создали около 20 различных паровых машин, работавших на Нижнетагильских заводах. В 1834 г. ими был построен первый русский паровоз, а в 1835 г, — второй, более мощный (изображение его модели[232] показано на рис. 22). Была проложена железная дорога между медным рудником и Выйским заводом, которая некоторое время эксплуатировалась. Первая пассажирская железная дорога по решению царского правительства была построена иностранными предпринимателями в 1837 г. между Петербургом и Павловском; ее протяженность 27 км. Двухколейная железная дорога Петербург — Москва начала действовать в 1851 г.

Рис. 22. Модель паровоза Черепановых.

Попытки использовать паровую машину в водном транспорте предпринимались с начала XVIII в. Известно, например, что не раз уже упоминавшийся ранее французский физик Папен построил лодку, приводившуюся в движение паровой машиной. Правда, успеха в этом деле Папен не достиг.

Первый успех был достигнут американским изобретателем Робертом Фултоном (1765–1815), родившимся в г. Литл-Бритон (теперь г. Фултон) в штате Пенсильвания. Любопытно отметить, что первые большие успехи в создании паровых машин для промышленности, железнодорожного и водного транспорта выпадали на долю талантливых людей, овладевших знаниями путем самообразования. В этом отношении не составлял исключения и Фултон. Ставший впоследствии инженером-механиком, Фултон, происходящий из небогатой семьи, вначале много занимался самообразованием, работал подмастерьем у ювелира, занимался живописью. Фултои жил в Англии, где занимался строительством гидротехнических сооружений и решением других технических задач. Находясь во Франции (в Париже), он построил подводную лодку «Наутилус» и паровое судно, которое было испытано на р. Сене. Но все это было только началом.

Рис. 23. Схема доменной печи.

Настоящий успех пришел к Фултону в 1807 г.: вернувшись в Америку, он построил колесный пароход «Клермонт» грузоподъемностью 15 т, приводимый в движение с помощью паровой машины мощностью 20 л. с.; в августе 1807 г. этот пароход совершил первый рейс от Нью-Йорка до Олбани протяженностью около 280 км.