Паровая машина ползунова кратко
Паровая машина Ивана Ползунова
Существует расхожее мнение, будто Иван Иванович Ползунов изобрёл паровой двигатель. На самом деле это не так. Изобретённый Ползуновым в 1763 году паровой двигатель был далеко не первым. И всё же это изобретение навсегда вписало имя Ползунова в историю. Почему?
Предшественники
Впервые механизм, который приводился в движение паром, был изобретён аж в I веке нашей эры. Его создал грек Герон Александрийский. Это был шар с соплами по бокам. Из сопел выходил пар, за счёт чего шар вращался.
Через полтора тысячелетия, в XVI веке подданный Османской империи Такиюддин аш-Шами в Египте создал первую паровую турбину, в которой поток пара вращал лопости.
В следующем столетии итальянец Джованни Бранка использовал похожую машину, чтобы привести в движение пестик в ступе. То есть уже появилось работающее на пару автоматическое приспособление, которым можно было растолочь что-нибудь твёрдое. Правда, было всё же проще и быстрее сделать это руками, чем с помощью машины Бранки.
Свои проекты представляли примерно в это же время Иеронимо Аянс до Бомонт, Томас Севери, Эдвард Сомерсет. Прорыв совершил Дени Папен — изобрёл паровой котёл, а его машина смогла поднимать грузы. Но все паровые машины этих изобретателей были абсолютно бесполезны.
И вот в 1712 году англичанин Томас Ньюкомен, взяв за основу паровую машину Севери, добавил в её конструкцию цилиндр с поршнем. За счёт этого двигатель стал настолько мощным, что мог уже решать реальные задачи на производстве. В итоге машина Ньюкомена широко применялась для откачки воды из затопленных шахт.
Тем временем в России…
Иван Иванович Ползунов родился на 17 лет позже изобретения машины Ньюкомена. Родился он в Екатеринбурге, поэтому с малых лет его окружали промышленные предприятия.
Семья Ползуновых была солдатской, и с деньгами было туговато. Поэтому маленький Ваня, едва выучившись арифметике, пошёл работать учеником на завод. Механика и горное дело увлекли его, и он стал с жадностью овладевать этим делом.
К 20 годам из него уже вырос специалист высочайшей квалификации. О его знаниях и навыках пошла слава, и Ползунову дали крайне ответственное задание. Его отправили работать на Алтай, где добывали золото и серебро. Перед Иваном Ивановичем стояла задача разведать в Алтайских горах новые месторождения и наметить места постройки новых заводов.
С этой задачей Ползунов справился блестяще и очень быстро. Но возвращаться с Алтая он не спешил. Его сильно заинтересовала работа местных заводов…
Рождение идеи
В то время на Алтае, на Колывано-Воскресенских заводах в качестве тягловой силы использовали лошадей и самих рабочих. Иван Иванович загорелся идеей заменить на производстве мускулы — машиной.
Сначала он пытался использовать ветер. Эта попытка не увенчалась успехом, так как ветер давал слишком мало энергии, чтобы хоть как-то освободить рабочие руки.
Тогда Ползунов изучил опыт российских коллег по использованию энергии рек. В результате ему удалось повторить успех коллеги-соотечественника Михаила Сердюкова и построить водную лесопилку. Но этого было мало, ведь заводы нужно строить не только на берегу реки!
Ползунов огромными кипами заказывал из Петербурга книги по механике и горному делу, без устали их изучал день и ночь и наконец — познакомился с чертежами Ньюкомена.
Чертёж
Паровой двигатель Ньюкомена очень понравился Ползунову, но машина англичанина была, мягко говоря, не совершенной. Машина Ньюкомена работала «рывками». Всё потому, что в ней был только один цилиндр с поршнем.
Ползунов доработал идею Ньюкомена. Машина Ползунова имела два цилиндра, которые функционировали по очереди, за счёт чего работа двигателя была плавной и непрерывной. Более того, по расчётам она должна была обладать мощностью в 32 лошадиные силы. Это был гигантский прорыв по меркам всей Европы.
Свой чертёж Иван Иванович отправил в Петербург. Там после сравнительно недолгих метаний по канцеляриям в 1763 году бумага попала в руки императрице Екатерине Великой с самыми хвалебными резолюциями. Императрица одобрила проект и наградила Ползунова премией в 400 рублей. После этого началось строительство.
Алтайский «монстр»
Первую машину по проекту Ползунова в 1766 году построили на заводе в Барнауле. Она была циклопических размеров. Высотой с трёхэтажный дом. Масса некоторых деталей превышала 2 тонны. Длинна цилиндров была 3 метра.
Жизнь этого «монстра» была недолгой. Очень скоро из-за перегрева появилась течь в паровом котле и в цилиндрах. Машину пытались ремонтировать, но безуспешно. Она не проработала даже 2 месяца, когда её остановили. Без дела машина простояла на месте 14 лет. Затем её разобрали. Было ли это провалом?
Рассудит экономика. Постройка паровой машины по проекту Ползунова обошлась заводскому начальству в 7200 рублей. И за 43 дня её работы удалось не только отбить эти деньги, но и получить сверх этого прибыть примерно в 12 тысяч трублей.
Как понятно теперь, не стоило пытаться ремонтировать давшую течь машину. Нужно было дорабатывать проект, улучшать устойчивость к перегреву. Но, к сожалению, сделать было это уже некому. Иван Иванович Ползунов умер за 3 дня до начала испытаний его машины. Его имя носит Алтайский Государственный Технический университет.
Паровая машина Ивана Ползунова стала символом русской технической мысли и таланта, который рождает Россия.
Пароатмосферный двигатель И. И. Ползунова
В апреле 1763 г. создан проект пароатмосферного двигателя И. И. Ползунова.
Ползунов Иван Иванович (1729–1766) – выдающийся изобретатель, российский теплотехник, создатель первого в мире пароатмосферного двигателя для приведения в действие заводских механизмов.
Макет паровой машины И.И. Ползунова. Алтайский краеведческий музей
В XVIII в. производственные процессы горно-металлургической промышленности Алтая, как и всей России, находились в полной зависимости от работы водяного колеса – основного источника энергии. Задавшись целью «водяное руководство пресечь», И. И. Ползунов в апреле 1763 г. представил начальнику Колывано-Воскресенских заводов А. И. Порошину проект «огненной машины». Идею пароатмосферного двигателя он, скорее всего, взял из книги И. А. Шлаттера «Обстоятельное наставление рудному делу…» (СПб, 1760). Но двигатель Ползунова коренным образом отличался от английских, Т. Севери и Т. Ньюкомена, которые были одноцилиндровыми и пригодными лишь для откачки воды из шахт. Двигатель И. И. Ползунова состоял из двух цилиндров, был ориентирован на непрерывное действие, отвечал требованиям универсальности применения – он мог подавать дутье в печи, откачивать воду.
Проект пароатмосферной машины И. И. Ползунова состоял из трех документов: докладной записки, описания оригинальной огнедействующей машины и ее чертежа. Докладная записка содержала анализ недостатков старой энергетики, неизбежных при использовании гидротехники; предложение «сложением огненной машины водяное руководство пресечь»; практические указания о том, что «вся машина должна быть сделана из металла» и требования к квалификации работников, необходимых для построения машины. В своем проекте И. И. Ползунов давал физическое обоснование работы огнедействующей машины. Он писал: «За главные в машине члены следственно предпочесть: воздух, воду и пар, которые в беспрерывном действии машину содержать повинны».
Машина, изобретенная И. И. Ползуновым, состояла из следующих основных частей: котельная установка, пароатмосферная машина, водяная коммуникация, передаточный механизм, воздуходувная установка. Паровой котел, предложенный итобретателем, был той же конструкции, что и котлы, применявшиеся в то время в ньюкоменовских машинах.
Принцип работы двигателя по ранее известному пароатмосферному циклу был принят И. И. Ползуновым без всяких изменений. Внимание механика было сосредоточено прежде всего не на улучшении цикла, а на создании машины, способной осуществлять работу непрерывно. Устройство двигателя таково: котел трубами соединялся с цилиндрами машины, внутри которых находились поршни, или «эмволы», имевшие форму диска. Цилиндры с поршнями – основное звено установки И. И. Ползунова. Движения поршней были связаны: когда опускался поршень одного цилиндра, поршень другого цилиндра поднимался, и наоборот. Поршни поднимались вверх под действием пара, поступавшего в цилиндр из котла. Опускались – под давлением атмосферного воздуха, как только происходила под действием впрыска воды в цилиндр конденсация пара и образование под поршнем разреженного пространства. Именно поэтому машина и называется «пароатмосферной»: она работает за счет действия пара и «атмосферы».
Пароводораспределительное устройство в двигателе являлось оригинальным, автоматическим механизмом, с помощью которого поворачивались краны, подававшие воду и пар в цилиндры.
Во всех ранее известных «огнедействующих» машинах в качестве передаточного механизма использовались балансиры. В этой области оригинальным решением И. И. Ползунова стала их замена на шкивы, с помощью которых от поршней непрерывное рабочее усилие передавалось на рукоятки воздуходувных мехов. В качестве рабочего орудия использовались воздуходувные клинчатые мехи.
Проект был представлен в Кабинет е. и. в., о нем доложили Екатерине II. Императрица распорядилась произвести И. И. Ползунова в «механикусы с чином и званием инженерного капитан-поручика», наградить его 400 руб. и по возможности направить на учебу в Академию наук. И. А. Шлаттер (1708–1768), президент Берг-коллегии, представил отзыв на проект, в котором отмечал, что «сей его [Ползунова] вымысел за новое изобретение почесть должно», но в то же время доказывал невыгодность машины И. И. Ползунова и предлагал использовать одноцилиндровые машины Т. Ньюкомена.
В январе 1764 г. канцелярия Колывано-Воскресенского горного начальства приняла решение о постройке «огнедействующей машины» И. И. Ползунова. А в марте того же года изобретатель подает в канцелярию, по сути, новый проект пароатмосферной машины, в 15 раз более мощной по сравнению с проектом 1763 г. Именно по второму проекту и велось строительство пароатмосферной машины для Барнаульского сереброплавильного завода. 12 марта 1766 г. были установлены воздуходувные мехи к машине, строительство ее завершилось. 16 (28) мая 1766 г. И. И. Ползунов скончался от чахотки, не дожив до начала испытаний неделю.
После проведения испытаний под руководством учеников механика И. И. Ползунова – Ивана Черницына и Дмитрия Левзина, «огнедействующая» машина 7 августа 1766 г. вступила в действие по обслуживанию дутьем трех плавильных печей. Она проработала с небольшими перерывами до 10 ноября того же года, пока не прогорел котел двигателя. Простояв без действия, машина была разобрана в 1782 г.
В Алтайском государственном краеведческом музее хранится модель пароатмосферного двигателя И. И. Ползунова проекта 1763 г. Она была создана для Барнаульского музеума в 1825 г. по инициативе начальника округа Колывано-Воскресенских заводов и Томского гражданского губернатора П. К. Фролова стараниями шихтмейстера П. Г. Ярославцева и унтер-шихтмейтера И. С. Климова. Экспонат имеет статус памятника науки и техники федерального значения.
Ю. А. Абрамова, кандидат ист. наук,
гл. хранитель фондов Алтайского государственного краеведческого музея
Литература
Источник информации: Алтайский край. 2013 г.: календарь знаменат. и памят. дат. Барнаул, 2012. (текст в формате pdf)
История паровой машины Ползунова
Имя русского «механикуса» Ивана Ивановича Ползунова золотыми буквами вписано в летопись мировой теплотехники. За двадцать лет до Уатта он построил первую в мире паровую машину, которая предназначалась для приведения в действие заводских установок.
Однако, несмотря на крупнейшие заслуги Ползунова как одного из пионеров энергетики, его жизнь и труды до недавнего времени оставались малоизвестными. Он разделил участь многих других народных талантов, которые в царской России не встречали ни необходимой поддержки, ни должного внимания. Пренебрежение к делам Ползунова продолжалось и после его смерти. Личный архив Ползунова бесследно исчез. Сотни других ценных документов, касающихся различных моментов деятельности изобретателя, были распылены по многочисленным ведомственным архивам и обречены на уничтожение.
Только в советское время, когда все исторические материалы, в том числе и архивные, стали достоянием народа, оказалось возможным предпринять широкий розыск документальных материалов о первом русском теплотехнике.
За это высоко патриотическое дело взялся советский ученый, профессор В. В. Данилевский. В течение семи лет он исследовал старые архивы в Москве, Ленинграде, Свердловске, Барнауле, объездив места, где жил и работал великий изобретатель. Профессору В. В. Данилевскому удалось обнаружить около 450 различных документов о Ползунове. Эти материалы впервые дали возможность воссоздать достоверную картину жизни и деятельности творца первой заводской «парами действуемой» машины.
«Солдатский сын», как сказано в документах. Иван Ползунов родился в 1728 году. Десяти лет он окончил словесную школу, а затем стал учиться в арифметической школе в Екатеринбурге (ныне город Свердловск). Обе школы находились в ведении Обер-бергамта — управления казенными заводами Сибири и готовили главным образом «мастеровых людей».
Материальные условия существования Ползунова во время ученья напоминают те, в которых находился его гениальный соотечественник Михайло Ломоносов. Ученикам заводских школ полагалось жалованье, составлявшее около копейки в день.
Однако и эти нищенские средства к жизни Ползунов получал не всегда. При переводе из словесной школы в арифметическую ему, как и некоторым другим ученикам, вследствие какой-то канцелярской путаницы в течение нескольких месяцев не выплачивали жалованья. Но молодой Ползунов не бросил школы. С ранних лет у юноши возникла и все более развивалась неутолимая жажда знаний.
В арифметической школе проходили арифметику, геометрию, тригонометрию, чертежи и «рисование ручное». В части воспитания главное внимание уделялось тому, чтобы ученики исправно ходили в церковь, а также умели «кланятца искусно» и знали прочие правила «честного обхождения».
Юноша Ползунов проявил большие способности в науках, и его еще до окончания арифметической школы перевели в «механические ученики». Снова из-за оплошности канцеляристов он на несколько месяцев лишается жалованья.
Ползунов работает учеником у механика Никиты Бахарева. В обязанности последнего входили постройка и наблюдение за действием водоподъемных машин на рудниках, пильных мельниц и «протчих надлежащих заводских и фабричных архитектур». Здесь Ползунов получает первое знакомство с заводскими машинами того времени.
В 1748 году Ползунов с группой других уральских специалистов направляется на Колывано-Воскресенские заводы на Алтае. Эти заводы, составлявшие личную собственность русских царей, выплавляли ребро.
Ползунов зачисляется на работу на Барнаульский завод. И здесь он выделяется своими способностями и техническими знаниями. Он принимает участие в составлении чертежей и проектов реконструкции Барнаульского завода. Однако будущий изобретатель паровой машины продолжает бедствовать. Уже произведенный в чин унтер-шихтмейстера, он вместе с матерью вынужден жить на скудное жалованье мелкослужащего, составлявшее три рубля в месяц.
Ползунов неукротимо стремится к знаниям. Свободные от работы часы он уделяет чтению книг по физике, горному делу и металлургии. Он работает над книгами усидчиво, делая «экстракты» — конспекты и выписки прочитанного материала. Ползунов старается досконально изучить тогдашнюю горнозаводскую технику. С этой целью он подает прошение, в котором просит допустить его «на несколько времени на плавильную фабрику работать по порядку, переменяя из одного в дpyгoе искусство своими руками, как протчие, при том определенные работники употребляемы бывают». Он добивается своего и некоторое время изучает на практике горнозаводское и пробирное дело, продолжая одновременно выполнять свои текущие обязанности. Так он сочетает теоретическую учебу с практической.
Но Ползунова постоянно отрывают от любимого дела. На добросовестного работника, выполняющего все поручения аккуратно и обстоятельно, наваливают уйму хозяйственных дел. Его посылают освидетельствовать наличие запасов руд и припасов на отдаленных пристанях, поручают организацию сплава руды на судах по рекам, наблюдение за углежжением и т. д. Ползунов разъезжает из края в край по огромной горнозаводской территории Алтая. Но и эти поездки не пропадают для него даром: Ползунов знакомится с новыми производствами, проявляет разносторонние технические дарования. Он проектирует различные сооружения на рудниках, строит пильные мельницы, изучает руды, занимается метеорологией.
В 1758 году Ползунов попадает даже на короткое время в Петербург, куда его послали с обозом золота и серебра, выплавленного на алтайских заводах.
Возвратившись из очередной поездки, Ползунов садится за книги, штудирует современные ему научные труды, сам ставит физические опыты. В результате многих лет разносторонней технической деятельности Ползунов приходит к своей идее огнедействующей машины.
Основным источником механической энергии для больших заводских установок во времена Ползунова была вода. Она приводила в действие деревянные колеса пильных мельниц, качала воздуходувные мехи плавильных печей, заставляла подниматься вододействующие молоты. Поэтому заводы строились большей частью на реках, которые перегораживались огромными плотинами. Стоимость сооружения такой плотины зачастую вдвое превышала издержки на самый завод. Кроме того, рудное месторождение нередко оказывалось в стороне от завода, и руду приходилось подвозить на подводах или иным путем. Трудно было найти такое место, где были бы и пригодная река, и богатые залежи руды, и лес для топлива.
Чтобы освободить заводы от привязанности к воде и удешевить производство, Ползунов предложил заменить «водяное руководство» огнедействующими машинами.
Это была очень смелая идея. В то время паровая энергетика делала только самые первые, робкие шаги. За границей существовали пароатмосферные машины типа Ньюкомена, но они служили лишь для подъема воды. Эти машины действовали рывками, чередуя рабочие и холостые ходы, и их не удавалось поэтому спарить ни с чем другим, кроме как с водоподъемным насосом. В России даже такие машины тогда не строились. Заводской же огнедействующей машины для привода различных механических агрегатов, о которой мечтал Ползунов, не было нигде в мире.
Но Ползунов не был просто мечтателем. Это был зрелый мыслитель, облекший свою идею в тщательно разработанную конструктивную форму.
В 1763 году Ползунов представил начальнику Колыванских заводов описание и чертеж опытной огнедействующей машины собственной оригинальной конструкции. Эту первую машину, которая должна была послужить образцом для других, автор проекта предназначал для приведения в действие воздуходувных мехов плавильных печей.
В своем проекте Ползунов дал физическое обоснование работы огнедействующей машины.
«За главные в машине члены следственно почесть воздух, воду и пар, которые в беспрерывном действии машину содержать должны», писал он.
Весь агрегат, задуманный Ползуновым, состоял из медного котла, соединенного трубопроводами с двумя цилиндрами пароатмосферной машины. В цилиндрах поочередно двигались поршни. Один из ходов поршни делали под действием пара, а в противоположном направлении — под давлением атмосферного воздуха. Это и был рабочий ход поршня. Движение поршней с помощью штоков и цепей передавалось большому шкиву, который вращался поочередно то по часовой стрелке, то в обратном направлении.
В отличие от машин типа Ньюкомена, действовавших рывками, машина Ползунова работала практически непрерывно. А возвратно-вращательные движения шкива давали возможность удобно качать воздуходувные мехи.
К проекту машины был приложен и ее расчет. Он тоже представлял собой оригинальный труд конструктора. Мерилом работы тогдашних водоподъемных машин служило количество поднятой воды. Машина же Ползунова предназначалась для приведения в действие заводской установки, и учесть ее работу было гораздо труднее. Но талантливый механик и математик справился и с этой задачей. В основу расчета своей машины Ползунов положил давление атмосферы на поршень. В современных нам единицах ее мощность должка была составлять примерно 2,63 лошадиной силы.
Эту сравнительно небольшую машину Ползунов предполагал построить в качестве экспериментальной, с тем чтобы, проверив на ней все расчеты и уточнив конструкцию, можно было приступить к сооружению более мощных машин «для всеобщего применения».
О проекте Ползунова сообщили в Петербург. Оттуда последовало распоряжение о том, чтобы произвести автора проекта в «мехаиикусы» и выдать ему в награждение «400 рублев». О возможностях же всеобщего применения огнедействующих машин на заводах России, как предлагал Ползунов, в решении Петербурга ничего не говорилось. Не было даже указания о том, чтобы приступить к строительству опытного образца ползуновской машины.
Машину все же начали строить. Ползунов сумел доказать колыванскому горному начальству выгоды и преимущества огнедействующей машины по сравнению с «водяным руководством».
Начальство изыскивало всяческие способы к увеличению выплавки серебра и поэтому отнеслось положительно к проекту Ползунова.
Пока велась переписка с Петербургом, изобретатель составил второй проект. На этот раз речь шла уже не об опытной, а о большой производственной установке. Начальство Ползунова не было заинтересовано в экспериментах, хотя бы и огромной научной важности, и требовало, чтобы изобретатель скорее дал такую машину, которая могла бы обслуживать сразу несколько плавильных печей.
К сооружению такой машины и приступил Ползунов. В те времена механизмы, применяемые на заводах, строились почти целиком из дерева. Свою огнедействующую машину Ползунов с самого начала решил делать из металла.
Это была исключительно трудная задача. Металлических частей к машинам строить не умели. В помощь конструктору были даны двое мастеровых, «оное мастерство не знающие, но только одну склонность к тому имеющие», и в качестве подсобных рабочих «простые мужики». Все остальное возлагалось на самого Ползунова. Таким образом, первому русскому теплотехнику пришлось стать и одним из пионеров мирового машиностроения.
Немало труда вложил Ползунов в создание оборудования для изготовления машины. Многочисленные ее части отливались и затем обтачивались на сконструированной им же токарной установке. К 20 мая 1765 года уже было готово сто десять частей машины, не считая котла с его арматурой. Отдельные части весили до 170 пудов.
В декабре «парами действуемая» машина была готова. Во всех ее звеньях Ползунов стремился добиться того, чтобы они «сами себя в движении без помощи рук содержали», то есть действовали автоматически. Установка была снабжена прибором для автоматического питания котла — оригинальным изобретением Ползунова, не имевшим никакого подобия в тогдашней технике. Ползунов впервые в мире сконструировал и парораспределение для двухцилиндровой машины, к тому же более простое и точное, чем все ранее известные системы для одноцилиндровых машин.
С нетерпением ожидал изобретатель пробного пуска машины. Однако ни печи, ни даже мехи, для которых предназначалась машина, не были еще готовы. Конструктору пришлось производить проверочные испытания машины «с навешиванием бревен вместо меховой тягости».
Изобретателю не довелось дожить до пуска машины в эксплуатацию. Невероятное напряжение, с которым он работал над постройкой машины, подорвало его силы. Ползунов вкладывал в свое детище не только все свои силы, но даже и часть личного заработка. Назначенную ему награду в 400 рублей он получил только за несколько дней до смерти. И то это было сделано лишь после напоминания умирающего изобретателя.
16 моя 1766 года Ползунова не стало.
7 августа машина была пущена а эксплуатацию. Она снабжала дутьем три печи, но, по официальному донесению, «еще от того оставалось излишнего духу на шесть плавильных печей или более».
Машина находилась в эксплоатации с остановками до 10 ноября. Общая продолжительность ее работы составила около 43 суток. За это время в печах, обслуживаемых машиной, было выплавлено свыше 9 тысяч пудов руды. Последний раз машина действовала беспрерывно 17 суток.
10 ноября произошла течь в котле. Этот котел предназначался Ползуновым только «к первоначальной пробе» и в дальнейшем при практическом использовании машины должен был быть заменен другим, более прочной конструкции.
Но после смерти изобретателя некому было осуществлять его замыслы.
Вполне исправная машина с прохудившимся котлом простояла без действия 14 лет, после чего ее сломали.
В 1825 году, по инициативе первого русского строителя чугунных дорог П. К- Фролова, бывшего в то время начальником алтайских заводов, была изготовлена модель огнедействующей машины Ползунова по чертежам его первого проекта. Эта модель хранится в Барнаульском музее.
Многочисленные неизвестные прежде исследователям материалы о творце первой заводской паровой машины, собранные и изученные профессором В. В. Данилевским, легли в основу написанной им и изданной Академией наук СССР книги: «И. И. Ползунов. Труды и жизнь первого русского теплотехника». Книга увлекательно повествует о талантливом солдатском сыне, пламенном патриоте своей родины, который неустанными трудами стремился, по его собственному выражению, «облегчить путь по нас грядущим».
Автор, рисуя историческую обстановку феодально-крепостнической России XVIII века, в которой жил изобретатель, убедительно показывает, что «по складу ума, по стремлениям и делам великий русский революционер в области техники И. И. Ползунов созвучен нашей социалистической эпохе».
Работа профессора В, В. Данилевского является ценным вкладом в историю техники и науки. Ярко написанная и любовно оформленная книга дает много познавательного материала пытливому и любознательному читателю.