Лев Гумилевский - Создатели двигателей
К этому времени различными изобретателями было предложено несколько машин для отделения сливок от молока, действие которых основывалось на центробежной силе.
Прочтя случайно в газете сообщение о такой машине, построенной в Германии неким Лефельдтом, Лаваль увидел ее недостаток в том, что она делала всего только восемьсот пятьдесят оборотов в минуту, и, усовершенствовав конструкцию, довел ее скорость до семи тысяч оборотов в минуту. Он предложил Лефельдту купить его идею.
Лефельдт отказался, не считая предложение целесообразным. Тогда Лаваль взял патент на свое имя, оставил службу в Клостере и отправился в Стокгольм продавать изобретение. Лагергрену он бросил на прощание громкую фразу: «Вы еще обо мне услышите!»
Предсказание это сбылось, но не так скоро, как думал Лаваль. Понадобилось порядочно времени и очень много труда, прежде чем ему удалось построить сепаратор с непрерывным съемом сливок, который мог удовлетворить потребителей. Зато с этого момента маленькая машина получила огромное распространение и надолго обеспечила Лаваля паями акционерного общества «Сепаратор», организованного им в компании с друзьями. Дела общества развивались с таким успехом, что через несколько лет, устранившись от непосредственного участия в предприятии, Лаваль мог, не считаясь с расходами и не отказываясь от самых дорогих экспериментов, широко развернуть свою изобретательскую деятельность. Опираясь на солидную материальную базу, Лаваль взялся за разрешение основных задач техники капиталистического хозяйства.
Вращать сепаратор руками, как это Лаваль сам на себе испытал, демонстрируя свою машину первым покупателям, было дело нелегкое, быстро вгонявшее изобретателя в пот. Ставить для этих аппаратов на фермах огромные паровые машины было невыгодно. Да к тому же самые лучшие паровые машины не могли при своей тихоходности угнаться за скоростью сепаратора. Для привода требовались еще передачи, чтобы иметь нужное сепаратору число оборотов.
Первые сепараторы Лаваля приводились в действие вручную.
И вот Лаваль решил использовать для вращения сепаратора скорость пара.
Впоследствии, вспоминая о клостерском периоде своей жизни и преследовавших его в это время идеях, Лаваль писал в одной из своих записных книжек:
«Я был всецело проникнут истиной: большие скорости — вот истинный дар небес. Я уже в 1876 году мечтал об успешном использовании скорости пара, направленного непосредственно на колесо для получения механической работы. Это было смелое предприятие. В те времена употреблялись лишь тихоходные машины. Скорости, позднее достигнутые в сепараторе, в то время казались невероятными, а в наших учебниках писалось о паре: жаль, что плотность пара так мала, что не допускает даже мысли о применении его на колесе для создания энергии. И все-таки мне удалось осуществить мои смелые мечты».
Этот шведский инженер как будто был создан для того, чтобы выполнить новые задачи, поставленные промышленностью перед техникой.
А промышленность к концу прошлого века, полностью освоив машины, хотела заставить их работать как можно быстрее, производить как можно проворнее и больше нужных хозяйству вещей.
Древние машины приводились в действие мускульной силой людей и животных. Естественно, что они и работали медленно, малопродуктивно.
Первые механические двигатели, в том числе и паровые, заменяли живые двигатели. Ньюкомен создал водоотливную машину, поставив к старому насосу атмосферный двигатель вместо рабочего. Понятно, что такой двигатель и работал немногим скорее, чем рабочий, качавший воду тем же самым насосом.
Паровые двигатели обслуживали прядильные и ткацкие станки, лесопильные машины, мельничные жернова, работавшие также не очень быстро: конструкция их создавалась в эпоху мануфактуры, когда об универсальных двигателях не было и помину.
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 бóльших скоростей в двигателях с прямолинейно-возвратным 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 прямолинейно-возвратного 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.