Русская паровая машина

От эолипа к «огневому двигателю»

Пробный шаг к созданию устройства, преобразующего тепловую энергию в механическую, человечество сделало еще в I веке. Прототип паровой турбины придумал греческий математик Герон Александрийский. На заре нового тысячелетия он сконструировал «шар бога ветров Эола» (эолипил), который представлял собой замкнутую сферу, соединенную с водяным котлом. С двух сторон из шара выходили диаметрально расположенные трубки-сопла. При нагреве воды пар вырывался из этих патрубков в разные стороны и раскручивал шар вокруг своей оси.

В XVI веке, по некоторым данным в 1577 году, арабский философ и изобретатель Таги-аль-Диноме доработал конструкцию Герона: вместо шара он использовал колесо с лопастями, которое приводилось в движение направленной на них струей пара высокого давления.

Изобретения Герона и Таги-аль-Диноме можно назвать скорее экзотическими, чем практическими. Выражаясь языком физики, коэффициент полезного действия таких «турбин» был отрицательным: на их запуск тратилось намного больше энергии, чем они производили сами. Найти полезное применение таким механизмам было непросто. Например, лопастное колесо аль-Диноме задействовали для вращения вертела во время жарки мяса над огнем. Технический прогресс на службе кулинарии, так сказать…

Намного дальше пошли европейцы. Испанский изобретатель Йеронимо де Аянс в 1606 году построил паровой механизм для «выдавливания» (подъема) воды на высоту. Итальянский инженер Джованни Бранка в 1629 году соединил «пароколесо» с цилиндрическим анкерным устройством, поднимавшим и отпускавшим песты в ступах на мельнице. А англичанин Эдвард Сомерсет в 1655 году сконструировал water-commanding engine («двигатель, работающий на воде»), который толкал воду на верхние этажи высотного замка. Отметим, в 1663 году Сомерсет получил патент на это изобретение.

Идеи Сомерсета легли в основу изобретений Дени Папена, Томаса Севери и Томаса Ньюкомена.

Дени Папен придумал в 1690 году первый в мире паровой котел с поршнем. Доведенная до кипения в специальном цилиндре вода двигала поршень вверх, а возвратное движение начиналось после охлаждения системы. Для этого источник пламени вручную отводили в сторону и постепенно охлаждали цилиндр водой. Интервалы между «горячими» и «холодными» пусками были очень большими. Но все же это уже был какой-то намек на рабочий производительный цикл.

Томас Севери в 1699 году получил патент на «огневой двигатель» (fire engine), предназначенный для откачки воды из рудников. Точнее, это был еще не двигатель, а усовершенствованный паровой насос. Самой важной технической придумкой в нем было то, что пар для давления на поршень образовывался в отдельном, дополнительном котле.

В свою очередь, Томас Ньюкомен, совместив идеи Севери (автономный котел) и Папена (цилиндр с поршнем), построил в 1705 году поршневой паровой насос для работы на горных рудниках.

От водяного колеса к «огненному двигателю»

Алтайский горный инженер Иван Ползунов лучших европейских академий не оканчивал. Не имел он в своем распоряжении также высокоточных приборов и специальной техники. Однако его конструкторская мысль шагнула много дальше зарубежных предшественников – Иван Иванович первым в мире придумал и построил двухцилиндровую паровую машину непрерывного действия.

Справедливости ради скажем, что первые изобретательские идеи Ползунов черпал из западной технической литературы, которую скрупулезно штудировал, обучаясь при Екатеринбургском металлургическом заводе. Многое об успехах закордонных инженеров рассказывал Ивану и его знаменитый наставник – главный механик уральских казенных заводов и рудников при Сибирском горном управлении Никита Бахарев, который изучал машинное дело в Швеции и был прислан на Урал для усовершенствования «в больших машинах».

Но то была лишь теория, на практике к созданию своего революционного изобретения наш соотечественник шел особым путем.

…Начальное образование Ванька Ползунов, сын рекрута, получил в первой русской горнозаводской школе в Екатеринбурге. В 1743 году, в возрасте 14 лет, Ивана определили в «механические ученики» к Никите Бахареву, который отвечал за постройку и бесперебойную работу заводских цехов, а также водоподъемных, лесопильных, грузоподъемных и других машин, обслуживавших горные рудники.

В 1747 году в числе лучших уральских специалистов Ползунова отправили на Алтай, где только зарождалась горнорудная промышленность. Начинал он учетчиком при плавильных печах, затем, поднабравшись опыта и авторитета, был назначен смотрителем на Змеиногорский рудник.

Первым изобретением Ползунова стала вододействующая лесопилка. Ее основой было огромное водяное колесо, передаточный механизм которого состоял из кулачковой и зубчатой передач, канатных воротов, храповых колес, главного вала, нескольких кривошипов и шатунов. «Пильная мельница», как местные рабочие окрестили это сооружение, поднимала и подавала на рабочую платформу бревна, а затем приводила в движение пильные рамы.

Воодушевленный успехом, Иван задумался над модернизацией всей горной отрасли России. Дело в том, что на заре ее становления заводы строились исключительно на больших реках, чтобы хоть как-то облегчить ручной труд за счет машин, построенных на базе водяных колес. Мало того, эти гидромеханизмы имели низкую мощность и часто ломались, к тому же много времени и средств тратилось на доставку руды с горных месторождений к горячим цехам.

Чтобы устранить зависимость отрасли от «водяных двигателей», Иван Ползунов решил создать двигатели «огненные».

Модернизатор заводского дела

Весной 1763 года алтайский изобретатель обратился к начальнику Колывано-Воскресенских заводов с предложением о постройке «огнедействующей машины для заводских нужд». К докладной записке прилагался детальный проект парового двигателя мощностью 1,8 л. с. В техническом описании имелись разделы «О членах машины», «О теплоте», «О составах», «О вычитании силы» и «О сложении машины». В них подробно описывались все технологические процессы изготовления (литье, пайка, ковка, полировка) и общий состав частей машины (около 50 деталей). Эта конструкция стала первым в мире двухцилиндровым двигателем с работой цилиндров на один общий вал.

Свою дебютную паровую машину Ползунов построил в 1765 году. Это событие прогремело на всю страну. Доподлинно известно, что о ползуновском изобретении президент горной администрации Российской империи И.А. Шлаттер лично докладывал императрице Екатерине II.

Но то было лишь начало грандиозного плана Ивана Ползунова. Стратегической целью своей изобретательской деятельности он видел создание универсальных заводских машин. И это тоже была великая новаторская идея – в Европе паровые машины применялись в то время исключительно для откачки или перекачки воды. Не более…

Работы Ползунова продолжились строительством «плавиленной фабрики» (системы воздуходувных установок для плавильных печей). Для этих целей он разработал проект новой машины мощностью 30 л. с.! Такой производительностью не обладала тогда ни одна паровая установка в мире.

Новый «огненный двигатель» имел механизмы автоматического регулирования давления воздуха и уровня воды в котле. Для равномерности подачи воздуха был сконструирован особый «воздушный ларь». Помимо этого Иван Иванович разработал систему централизованного снабжения воздухом каждой заводской печи.

Вторая модель ползуновской машины состояла из 110 отдельных деталей и парового котла новой конструкции. Остовом для ее монтажа стал «машинный дом» 20-метровой высоты.

За неимением опытных технических специалистов все работы Ползунов курировал лично. Заводских мастеров многому приходилось учить с нуля: литью меди и свинца, раскрою котельных листов, сверлению, обточке, обрубке, полировке металла… Часть деталей Иван Иванович делал собственноручно…

В последние недели перед запуском «плавиленной фабрики» изобретатель работал буквально на износ. От переутомления у него начала горлом идти кровь. Развивалась чахотка…

Весной 1766 года создание паровой машины в целом было закончено. Пробный старт дал Ползунов. По его команде под котлом развели огонь, и когда давление достигло необходимой величины, Иван Иванович повернул кран и пустил пар в цилиндры. Поршни и балансиры, навешанные вместо еще недостроенных воздуходувных мехов, пришли в движение.

Впервые в истории мировой промышленности на реальном заводском производстве ожил двигатель, который работал без вспомогательного гидравлического привода!

…Иван Иванович Ползунов умер от туберкулеза в мае 1766 года в возрасте 38 лет, всего за неделю до главного пуска всей «плавиленной фабрики». Неистовое напряжение физических сил и бесконечные душевные переживания, безусловно, сыграли не последнюю роль в этом трагическом исходе.

Довести дело до конца смогли его ученики – заводские мастера Левзин и Черницын устранили некоторые технические недочеты и ввели в строй весь машинный комплекс завода.

За два месяца до первой протечки котла «плавиленная фабрика» Ползунова расплавила 9335 пудов руды и полностью компенсировала затраты на ее разработку и строительство.

К великому сожалению, к техническому обслуживанию революционного изобретения руководство завода отнеслось без должного внимания. Видимо, не доставало практического опыта и заводским мастерам. Так или иначе, не проработав и года, фабрика остановилась и через несколько лет была разобрана на части.

Нет сомнения в том, что если бы судьба подарила Ивану Ивановичу хотя бы еще один год жизни, первая «плавиленная фабрика» обязательно вышла бы на заданные производственные мощности. И уже в самом скором времени такие механизированные печи появились бы на всем Алтае, а затем и на более прогрессивном Урале. А там, глядишь, и вся история развития отечественной горнорудной промышленности пошла бы совсем иным путем…

К сожалению, все сложилось иначе. Плавильню демонтировали, а имя алтайского гения почти на 100 лет кануло в небытие.

Лишь в 1842 году русский историк, исследователь Сибири и член-корреспондент Петербургской академии наук Г.И. Спасский, изучавший историю отечественного горнозаводского производства XVII‒XIX веков, внес фамилию И.И. Ползунова в свой «Горный словарь».

Вскоре после его издания в одной из столичных газет была подробно изложена история создания «плавиленной фабрики». Автор писал: «За Ползуновым нельзя признать чести изобретения первой паровой машины. Тем не менее машина Ползунова действительно была первая построенная в России, а не выписанная из-за границы. Применение же в 1765 году паровой машины не для подъема воды, а для другой промышленной цели следует считать самостоятельным изобретением».

Источники:
https://istarik.ru/blog/texnica/4.html
https://pikabu.ru/story/parovyie_mashinyi_chast_pervaya__dvigatel_6149958
https://histrf.ru/read/biographies/polzunov-ivan-ivanovich
https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/22285#.D0.98.D0.B7.D0.BE.D0.B1.D1.80.D0.B5.D1.82.D0.B5.D0.BD.D0.B8.D0.B5_.D0.B8_.D1.80.D0.B0.D0.B7.D0.B2.D0.B8.D1.82.D0.B8.D0.B5
https://zen.yandex.ru/media/evdokimov/interesnye-fakty-o-karere-izobreteniiah-i-nagradah-ivana-polzunova-5ecd51f195e1880ba560a84c
https://rusdarpa.ru/?p=1177
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D0%BD%D0%BE%D0%B2,_%D0%98%D0%B2%D0%B0%D0%BD_%D0%98%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87#%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0
https://www.barnaul-altai.ru/info/barnaul/people/polzunov.php
https://www.libfox.ru/467510-sergey-istomin-samye-znamenitye-izobretateli-rossii.html
https://altapress.ru/zhizn/story/plavilennaya-fabrika-chto-predstavlyal-soboy-dvigatel-ivana-polzunova-64735#:~:text=%D0%9C%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0%20%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B0%20%D0%B2%D0%BA%D0%BB%D1%8E%D1%87%D0%B0%D0%BB%D0%B0%3A%20%E2%80%94%20%D0%BA%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BB%3B,%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%8F%D1%89%D0%B5%D0%B9%20%D0%B2%20%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D1%83%D1%85%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0