19 января родился Джеймс Уатт (1736-1819) — шотландский инженер, изобретатель-механик.
Писал, что «паровая машина была первым действительно интернациональным изобретением…». В создании ее принимали участие француз Папин, немец Лейбниц, англичане Северн, Ньюкомен и Уатт. В России паровую машину изобрел И. И. Ползунов.
Машины Севери и Ньюкомена, работавшие с самого начала XVIII в., имели два существенных недостатка: они могли только откачивать воду и были очень неэкономичны. Топлива они потребляли в сотни раз больше, чем современные двигатели. Существенные улучшения в паровую машину внес Джемс Уатт.
В 1763 г. Д. Уатт, работавший механиком университета в Глазго (Шотландия), получил задание отремонтировать действующую учебную модель паровой насосной установки Ньюкомена. Исправленная Уаттом модель работала очень плохо, и Уатт более пяти лет упорно бился над ней, пока наконец не нашел замечательное решение, которое позволило более чем вдвое снизить расход топлива больших машин.
Уатт первый применил конденсатор: установку, в которой происходит конденсации - превращение пара в воду посредством охлаждения. Подобно тому, как в гидравлических установках работа зависит от разности уровней воды, в паровых установках она зависит от разности температур. Чем выше температура пара в начале его работы и чем ниже в конце, тем экономичнее работает паровой двигатель. Во времена Уатта котлы не могли дать пар с давлением больше 1,1 атм. и температурой выше 100С, поэтому хорошее охлаждение пара в конце работы имело большое значение. Пар тогда, как и сейчас, охлаждали водой, но делали это, вбрызгивая воду в цилиндр машины. Попеременный нагрев и последующее охлаждение цилиндра вызывали большой расход топлива. «Цилиндр должен быть всегда горячим!» - правильно решил Уатт, а пар можно охлаждать в отдельном сосуде - конденсаторе. Введение конденсатора более чем вдвое снизило расход топлива в паровых машинах.
Примерно в те же годы остро встала новая задача: придать валу паровой машины вращательное движение. Над этой проблемой работали многие изобретатели, но наиболее удачным было изобретение Уатта.
В 1784 г. он получил патент на паровой двигатель с вращающимся валом и с конденсатором. Экономичность машины Уатта совершенно затмила успехи его современников, построивших машины с вращающимся валом, и даже вызвала неверное представление о том, что Уатт один изобрел паровую машину.
Все хлопоты по постройке и распространению паровых машин Уатта принял на себя его компаньон Болтон, а Уатт все свои силы отдавал усовершенствованию паровой машины. Он изобрел прибор - индикатор, позволяющий следить за работой пара внутри цилиндра, исследовал работу пара и нашел выгодным впускать пар в цилиндр только на 1\4 хода поршня, предоставляя пару затем расширяться. Расширение пара вызвало значительную экономию, но несколько снизило мощность машины. Для увеличения мощности машины при тех же ее размерах Уатт использовал вторую полость цилиндра и таким образом впервые применил машину двойного действия. Эта машина способствовала получению более равномерного вращательного движения. Она была отмечена как «универсальный двигатель крупной промышленности».
Совершенствуя свою машину, Уатт ввел еще ряд серьезных улучшений. Он впервые применил так называемую «паровую рубашку» - пространство, окружающее цилиндр, через которое пар поступал в машину, постоянно держа стенки цилиндра горячими. Он изобрел и ввел в практику центробежный регулятор - чувствительный прибор, позволяющий автоматически, без участия человека, поддерживать число оборотов вала машины постоянным при любых уменьшениях или увеличениях ее нагрузки.
Машины Уатта быстро распространились и в течение четверти столетия были единственным двигателем в промышленности.
Основные его изобретения: конденсатор, цилиндр двойного действия, паровая рубашка, индикатор и центробежный регулятор применяются и поныне, а имя Уатта навсегда вошло в историю как имя одного из творцов новой техники.
УАТТ, ДЖЕЙМС (Watt, James) (1736–1819), шотландский инженер и изобретатель. Родился 19 января 1736 в Гриноке близ Глазго. Для обучения на мастера по слесарному делу отец отправил Уатта в Лондон. Освоив за год семилетнюю программу, Уатт возвратился в Шотландию и получил место механика в университете Глазго. Здесь познакомился с талантливыми физиками – Дж.Блэком и Дж.Робинсоном.
Блэк и Робинсон занимались определением теплоты парообразования, а Уатт принимал участие в обеспечении технической стороны экспериментов. Среди паровых машин того времени были «огневая машина» французского изобретателя Д.Папена, объединявшая в одном устройстве котел для парообразования и рабочий цилиндр; паровой водоподъемник военного инженера Т.Севери, в котором рабочий цилиндр был отделен от котла и для быстрой конденсации пара обливался снаружи холодной водой; наконец – пароатмосферная машина Т.Ньюкомена. Последняя отличалась от предыдущих машин тем, что 1) движущей силой в ней было атмосферное давление, а разрежение достигалось при конденсации пара; 2) в цилиндре находился поршень, который совершал рабочий ход под действием пара; 3) вакуум достигался в результате конденсации пара при впрыскивании внутрь цилиндра холодной воды.
Отлаживая университетскую модель паровой машины Ньюкомена, Уатт пришел к выводу, что для уменьшения расхода пара необходимо вынести процесс конденсации за пределы цилиндра. Получив патент на изобретение в 1769 и при материальной поддержке доктора Ребека, основателя первого металлургического завода в Шотландии, Уатт построил свою первую машину. Модель оказалась неудачной, и сотрудничество с Ребеком прервалось.
Несмотря на нехватку средств, Уатт продолжал работать над совершенствованием паровой машины. Его работы заинтересовали М.Болтона, инженера и богатого фабриканта, владельца металлообрабатывающего завода в местечке Сохо близ Бирмингема. В 1775 Уатт и Болтон заключили соглашение о партнерстве. В 1781 Уатт получил патент на изобретение второй модели своей машины. Среди новшеств, внесенных в нее и в последующие модели, были: 1) цилиндр двойного действия – пар подавался попеременно по разные стороны от поршня, при этом отработанный пар поступал в конденсатор; 2) жаровая рубашка, окружавшая рабочий цилиндр для снижения тепловых потерь, и золотник; 3) преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала сначала посредством шатунно-кривошипного механизма, а затем с помощью шестеренчатой передачи, явившейся прообразом планетарного редуктора; 4) центробежный регулятор для поддержания постоянства числа оборотов вала и маховик для уменьшения неравномерности вращения. В 1785 Уатт запатентовал изобретение новой топки котла. Фирма «Болтон и Уатт» испытала на себе все превратности судьбы, от падения спроса на ее продукцию до защиты своих изобретательских прав в судах. Однако с 1783 дела фирмы пошли в гору. Универсальный паровой двигатель двойного действия с непрерывным вращением (паровая машина Уатта) получил широкое распространение и сыграл значительную роль в переходе к машинному производству.
Уатт работал над усовершенствованием паровой машины Ньюкомена (Newcomen), и его труды спровоцировали промышленную революцию не только в его родной Великобритании (UK), но и во всем мире. Уатт предложил использовать "лошадиную силу" в качестве единицы мощности. В 1882-м Британская ассоциация инженеров назвала единицу мощности в его честь – Ватт.
В должности приборостроителя в Университете Глазго Уатт заинтересовался технологией паровых двигателей. Он понял, что текущее устройство двигателей приводит к пустым тратам энергии из-за постоянного охлаждения и повторного нагрева цилиндра. В своих изысканиях Джеймс использовал отдельный конденсатор, чтобы избежать потерь и радикально улучшил питание, эффективность и рентабельность паровых двигателей. Уатт адаптировал свой двигатель для получения вращательного движения, значительно расширив применение конструкции, изначально приспособленной для откачивания воды из шахт.
Уатт попытался своими силами заработать на изобретении, но терпел большие финансовые трудности, пока не вступил в партнерские отношения с Мэттью Болтоном (Matthew Boulton) в 1775-м. Новая фирма Болтона и Уатта постепенно сделала ее владельцев богатыми людьми. После ухода на пенсию Джеймс не прекратил создавать новые устройства, но ни одно из них не было оценено столь высоко, сколько его работы над паровым двигателем.
Джеймс Уатт родился 30 января 1736-го в Гриноке, в Ренфрюшире (Greenock, Renfrewshire). Его отец был кораблестроителем, судовладельцем и подрядчиком, а мать происходила из знатной семьи и была хорошо образована. Несмотря на пресвитерианское воспитание, Джеймс стал приверженцем деизма. В детстве Уатт много болел, из-за чего редко ходил в школу и получал знания от матери. Ему легко давались математика и инженерные науки, но мало интересовали латинский и греческий языки.
Когда Джеймсу было 18 лет, умерла его мать и постепенно начал угасать его отец. Уатт принял решение год изучать приборостроение в Лондоне (London). Не имея статуса официального студента, Уатт трудился не покладая рук, и уже вскоре от линеек и циркулей перешел к изготовлению квадранта, сектора и теодолита. Он вернулся в Шотландию (Scotland), где в Глазго (Glasgow) союз ремесленников запретил ему заниматься его работой.
Однако уровень квалификации Уатта оказался настолько высок, что, закрыв газа на все средневековые законы, ему со временем разрешили устроить небольшую мастерскую для ремонта сложных астрономических инструментов. Джеймс познакомился с химиком и физиком Джозефом Блэком (Joseph Black), и вместе они разработали приборы, которые помогли Блэку в его дальнейших исследованиях. В 1759-м он наладил партнерские отношения с бизнесменом и архитектором Джоном Крейгом, сумел вылезти из нищеты и шесть лет производил различные инструменты, пока Крейг не умер.
В 1763-м Джеймс взял в жены свою кузину, Маргарет Пегги Миллер, которая умерла при родах в 1772-м. У пары было пятеро детей, трое из которых не дожили до зрелых лет. От второго брака, с Энн МакГрегор, родилось еще двое детей. Энн умерла в 1832-м.
На закате своих дней Уатт был поглощен эйдографом – машиной для копирования скульптурных произведений. Устройство действительно копировало вещи самой сложной формы, причем с высокой точностью. Идея пришла к Уатту уже давно, но довести эйдограф до ума он смог только к концу жизни.
Джеймс Уатт умер на 84 году жизни, 25 августа 1819-го. Он был членом Лондонского королевского общества, Эдинбургского королевского общества и Парижской академии наук. В настоящее время в обращении находится банкнота в 50 £ с изображением Уатта и Болтона.
Некогда для откачки воды в шахтах и на судоремонтных предприятиях успешно использовалась паровая машина Ньюкомена, что продолжалось более 50 лет. В то же время вся эта конструкция имела внушительные габариты и требовала постоянного пополнения запасов угля. Временами для снабжения паровой машины топливом приходилось задействовать до 50 лошадей. В общем, все указывало на то, что данный агрегат требует усовершенствования, весь вопрос состоял лишь в том, кому эта идея придет в голову первому.
Начало новой эры в механике
В середине 60-х годов 18 века талантливый механик Джеймс Уатт работал в университете Глазго. Однажды ему поступил заказ на ремонт паровой машины Ньюкомена, и, разобравшись в конструкции агрегата, Уатт решил попробовать ее немного усовершенствовать. Он предположил, что можно будет сократить расход недешевого топлива, если цилиндр паровой машины будет постоянно оставаться в нагретом состоянии. Ведь до этого поршень двигался вниз и совершал полезную работу благодаря тому, что емкость с паром охлаждалась при помощи впрыска воды. Но чтобы воплотить в жизнь данную идею, следовало разобраться с проблемой конденсации пара, которую Уатт решил достаточно элегантно.
Если верить историческим источникам, мысль о том, как можно сконденсировать пар, пришла Уатту в голову совершенно случайно, когда он увидел, как под давлением вырываются его струи из котлов прачечных. Джеймс сообразил, что пар - это обыкновенный газ, который из цилиндра можно легко направить в другую емкость, создав в ней меньшее давление. Для этих целей Уатт решил использовать откачивающий насос и систему металлических отводящих трубок, которые забирали из цилиндра пар.
Паровая машина Джеймса Уатта
Следующее усовершенствование было направлено на то, чтобы заставить поршень в цилиндре совершать полезную работу не за счет атмосферного давления, а с помощью давления пара. Основная сложность состояла в том, чтобы сделать всю конструкцию герметичной, ведь добиться этого в то время было непросто. Но Уатт и здесь продемонстрировал отличную работу мысли - в своей машине он использовал в качестве уплотнителя пеньковую веревку, пропитанную маслом. Она по специальным углублениям наматывалась вокруг поршня, что позволило в большей части решить эту проблему.
Значение новой паровой машины для паровозостроения
Джеймс Уатт зарегистрировал патент на свое изобретение в 1769 году. При этом в документе значилось, что он изобрел не новую паровую машину, а паровой двигатель, температура которого всегда равнялась температуре пара. Вероятно, талантливый механик тогда и сам не знал, насколько значимым его усовершенствование станет в будущем для паровозов. Благодаря тому, что поршень в новом двигателе перемещался под воздействием пара, можно было многократно увеличить его мощность, просто создав большее давление. Таким образом, не нужно было вновь наращивать габариты - последнее слово оставалось за компактными паровыми машинами, которые совсем скоро стали использоваться во всех отраслях промышленности.