Паровые двигатели

Паровой двигатель стал первым новым первичным движителем, освоенным после внедрения ветряных мельниц, которое произошло на 800 лет ранее. Он был первым практичным, экономичным и надежным преобразователем химической энергии угля в механическую энергию, первым неодушевленным первичным движителем, работающим на ископаемом топливе, а не на почти мгновенной трансформации солнечного излучения. Первые двигатели начала XVIII века обеспечивали только возвратно-поступательное движение, подходящее для откачки жидкости, но уже до 1800 года появились новые конструкции, позволившие получать более практичное вращательное движение (Dickinson 1939; Jones 1973). Несомненно, освоение таких устройств имело большое значение для глобальной индустриализации, урбанизации и развития транспортной системы, и о воздействии паровой машины на все эти процессы не раз писали (von Tunzelmann 1978; Hunter 1979; Rosen 2012).

Коммерциализация и распространение паровых двигателей продвигались медленно, на то и другое ушло более века, и даже во время их быстрого развития, после 1820 года, они еще конкурировали (как уже упоминалось в главе 4) с водяными мельницами и турбинами. Использование паровых двигателей устранило некоторые разновидности одушевленного труда (откачка воды из шахт, многочисленные производственные задачи), но тотальная зависимость от труда человека и животных сохранялась на протяжении всего XIX века. Подобные обстоятельства привели к пересмотру широко распространенного мнения, что внедрение парового двигателя равнялось процессу, который называют, хотя и не совсем верно, индустриальной революцией.

Доминирующее понимание той эпохи как времени глобальных экономических и социальных перемен (Ashton 1948; Landes 1969; Mokyr 2009) не раз подвергалось сомнению со стороны тех, кто воспринимает революцию как ограниченный, даже локальный феномен. Технические перемены затронули лишь некоторые отрасли (текстильную, черную металлургию, транспорт) и оставили прочие сектора экономики в нетронутом состоянии до середины XIX века (Crafts and Harley 1992). Некоторые критики идут еще дальше, утверждая, что перемены были столь малы по сравнению с масштабом всей экономики, что сам термин «индустриальная революция» является ошибочным (Cameron 1982) и что вся Британская индустриальная революция не более чем миф (Fores 1981).

Если говорить точнее, то британские данные показывают: связывать экономический рост в XIX веке в первую очередь с паром будет слишком смело (Crafts and Mills 2004). Несмотря на паровые двигатели, «британская экономика была большей частью традиционной еще 90 лет после 1760 года» (Sullivan 1990, 360), и «типичный британский работающий человек в середине XIX века был вовсе не оператором машины на фабрике, а традиционным ремесленником или разнорабочим или домашним слугой» (Musson 1978, 141). Но оценка становится более понятной, когда мы рассматриваем процесс в терминах общего потребления энергии: его колоссальный рост – валовая величина для Англии и Уэльса (Wrigley 2010) – составляла около 117 ПДж в 1650–1659 годах, 231 ПДж столетием позже, и 1,83 ЭДж в 1850–1859 годах, то есть, потребление увеличилось примерно в 15 раз за 200 лет – сделал возможным экспоненциальный рост экономики, и, без сомнений, паровой двигатель был ключевым механическим толкачом индустриализации и урбанизации.

Но в полной мере его воздействие стало ощущаться только после 1840 года, когда началось быстрое строительство железных дорог и пароходов и когда паровые машины стали использовать в промышленности в качестве стационарных источников кинетической энергии (передаваемой ремнями к отдельным механизмам). Практическая эволюция паровых устройств началась экспериментами Дени Папена (1647–1712) с маленькой моделью, построенной в 1690 году. После больше похожей на игрушку машины Папена появился паровой насос Томаса Севери (1650–1715), всего в 750 Вт, то есть в одну лошадиную силу, работавший без поршня. К 1712 году Ньюкомен (1664–1729) построил двигатель в 3,75 кВт, способный приводить в движение шахтные насосы (Rolt 1963). Поскольку эта машина, работавшая при атмосферном давлении, конденсировала пар на нижней стороне поршня, у нее была очень низкая эффективность, не более 0,7 % (рис. 5.2). К 1770 году Джон Смитон, чья работа по сравнению мощности первичных движителей была отмечена в главе 4, улучшил конструкцию и удвоил эффективность.

Двигатели Ньюкомена начали распространяться по английским шахтам после 1750 года, но из-за низкой эффективности устройства могли использовать лишь там, где топливо имелось на месте, но не там, куда его нужно было везти. Джеймс Уатт (1736–1819) обозначил пути усовершенствования паровой машины в самом названии своего патента: «Новый изобретенный метод уменьшения потребления пара и топлива в огненных машинах» (Watt 1855 [1769]). Патент был выдан 25 апреля 1769 года, и по систематизированному списку улучшений стало очевидно, чем новая машина отличалась от предшественниц (примечание 5.3).

Отдельный конденсатор был очевидно самой важной инновацией (рис. 5.2). Немного позже Уатт внедрил машину двойного действия (где пар двигал поршень как вверх, так и вниз), и центробежный регулятор, который поддерживал постоянные скорости при разных загрузках. В совершенно современном стиле Уатт и его финансовый партнер Мэттью Болтон (1728–1809) брали деньги не за поставленную машину, а за ее повышенную эффективность по сравнению с распространенным двигателем Ньюкомена. Добыча угля и паровые двигатели поддерживали развитие друг друга, потребность откачивать больше воды из более глубоких шахт была основной причиной совершенствования паровых машин. Доступность более дешевого топлива способствовала их распространению, и тем самым увеличению количества шахт. Вскоре машины также приводили в движение вращательные и вентиляционные механизмы.

Рисунок 5.2. Паровые двигатели Ньюкомена и Уатта. В двигателе Ньюкомена, построенном Джоном Смитоном в 1772 году, котел размещался под цилиндром, и пар конденсировался внутри цилиндра, при впрыскивании воды из трубы, ведущей к его нижней правой стороне (слева). В двигателе Уатта, построенном в 1788 году, котел размещался в собственном кожухе, цилиндр был заключен в изолирующую паровую рубашку, и отдельный конденсатор соединялся с воздушным насосом, поддерживая вакуум (справа). Воспроизведено из Farey (1827)

Примечание 5.3. Патент Уатта 1769 года

Вот как Уатт объяснял улучшения в конструкции:

«Мой метод уменьшения потребления пара и, следовательно, топлива в огненных машинах сводится к следующим принципам: во-первых, тот сосуд, в котором находится мощность пара, необходимая для выполнения работы, который зовется цилиндром в обычных огненных машинах и который я зову паровым сосудом, должен во все время, что машина работает, поддерживаться столь же горячим, как и входящий в него пар…

Во-вторых, в машинах, которые работают целиком или частично благодаря конденсации пара, пар должен конденсироваться в сосудах, отличных от паровых сосудов или цилиндров, хотя время от времени соединяющихся с ними. Эти сосуды я зову конденсаторами, и в то время когда машины работают, эти конденсаторы должны по меньшей мере сохраняться столь же холодными, как окружающий машину воздух, посредством приложения воды или иных холодных тел.

В-третьих, чтобы воздух или другой эластичный пар не конденсировался холодом конденсатора и не мог тем самым препятствовать работе машины, его нужно вытягивать из паровых сосудов или конденсаторов посредством выкачивания насосами, приводимыми в движение самой машиной, или иным образом» (Watt 1855 [1769], 2).

Усовершенствованная паровая машина Уатта почти немедленно возымела коммерческий успех, и легко видеть, какое влияние она оказала за пределами индустрии добычи угля, в производстве и транспорте (Thurston 1878; Dalby 1920; von Tunzelman 1978). Но это успех, измеренный относительно промышленного фона второй половины XVIII века: общее применение улучшенных двигателей было незначительным на шкале современного массового производства. К 1800 году, когда закончился срок исходного патента в 25 лет (определенный Актом о паровых машинах от 1775 года), компания, владельцами которой были Уатт и Болтон, изготовила около 500 двигателей, 40 % из них – для откачки воды. Средняя мощность их составляла около 20 кВт, что более чем в пять раз превосходило среднее значение для типичной водяной мельницы того времени, и в три раза – для ветряной.

Крупнейшие изделия Уатта (чуть более 100 кВт) соответствовали самым мощным существовавшим водяным мельницам. Но мельницы нельзя было ставить где угодно, а паровые машины не имели такого ограничения, хотя обычно их размещали рядом с портом или у канала, где была возможность водным транспортом подвозить топливо. Хотя изобретения Уатта открыли дорогу промышленному успеху паровых машин, продление патента на самом деле помешало дальнейшему прогрессу. Мысли о безопасности сделали Уатта столь несмелым в использовании пара высокого давления, или он просто хотел, чтобы во время действия его собственного патента не выдавались похожие? Уатт и Болтон не только не предпринимали попыток развить транспорт на основе пара, они отговаривали Уильяма Мёрдока (1754–1839), главного сборщика их двигателей, от создания движущейся паровой машины, а когда тот стал упорствовать, Болтон убедил его не брать патент (примечание 5.4).

Примечание 5.4. Уатт и Болтон отсрочивают создание паровой кареты

В 1777 году, когда ему исполнилось 23, Уильям Мёрдок прошел около 500 км до Бирмингема, чтобы найти работу в компании паровых машин Джеймса Уатта. И Уатт, и его партнер Мэттью Болтон вскоре поняли, насколько ценный работник им достался. Прекрасная работа Мёрдока на сборке новых машин обеспечивала их эффективное и прибыльное функционирование.

К 1784 году Мёрдок создал небольшую модель паровой кареты, трехколесного экипажа с котлом между двух задних колес. За первой моделью последовала вторая, и Мёрдок в конечном итоге решил запатентовать свой паровой экипаж (Griffiths 1992).

Он отправился в Лондон, чтобы это сделать, но по пути, в Эксетере, его перехватил Болтон, который убедил Мёрдока вернуться домой, не подавая документов на патент. Настойчивость оппонента Болтон воспринял как неповиновение; он написал Уатту:

«Он сказал, что собирается в Лондон, повидать людей, но я вскоре обнаружил, что он отправился туда с его паров, карет., чтобы показать ее и взять патент. Ему было сказано мр. В. Вилкном, что Сэдлер сказал, и он также прочитал в газетных новостях, что Симмингтон заново зажег все топки и ему не терпится делать паровые кареты. Тем не менее я горячо убедил его вернуться в Корнуэлл на дилижансе следующего дня, и он соответственно прибыл сюда этим днем в полдень… я думаю, очень удачно, что я встретил его, поскольку я убедил его, и я могу или излечить его от неповиновения или превратить зло в добро. По меньшей мере, я предотвращу тот вред, который мог бы быть нанесен его путешествием в Лондон» (Griffiths 1992,161).

Но, возможно, это и не имело значения для будущего развитии транспорта на паровой тяге, поскольку первый дорожный экипаж, собранный в 1800 году, оказался неприемлемо тяжелым. И проблема была тем серьезнее, что тогда практически не существовало дорог с хорошим покрытием, способных выдержать его вес. Единственный практичный способ использовать подобные машины заключался в том, чтобы поставить их на рельсы, но прошло несколько десятилетий от появления идеи до начала коммерческого использования, когда окончание патента Уатта в 1800 году открыло период интенсивных инноваций. Первым значительным успехом стало внедрение котлов высокого давления Ричардом Тревитиком (1771–1833) в Англии в 1804 году и Оливером Эвансом (1755–1819) в 1805 году в США. Другими вехами стали прямоточная конструкция, предложенная Джекобом Перкинсом (1766–1849) в 1827 году, и кулачковый клапан-регулятор, придуманный Джорджем Генри Корлиссом (1817–1888) в 1849-м, а также французское усовершенствование двигателей паровозов-компаундов в середине 1870-х. Таким образом из единого базового двигателя возникло большое количество разнообразных конструкций (Watkins 1967).

Исходная задача по откачке воды и подъему грузов в шахтах (рис. 5.3) вскоре стала лишь одной из функций двигателя. К тому времени самое широкое применение он нашел в ременных приводах на бесчисленных фабриках и в быстро меняющемся транспорте девятнадцатого века, как на суше, так и на воде. Развитие пароходов и паровозов происходило одновременно. Первые паровые суда были созданы в 1780-х годах во Франции, в США и Шотландии, но коммерчески успешные корабли появились только в 1802 году в Англии (Charlotte Dundas Патрика Миллера), и в 1807-м в США (Clermont Роберта Фултона).

Рисунок 5.3. Шахта С Pit в Хебберн-Кольери была типичным угольным разрезом времен паровых машин. Паровой двигатель шахты находился в здании с трубой и приводил в движение подъемные и вентиляционные механизмы. Воспроизведено из Hair (1844)

Все первые речные пароходы приводились в движение колесами с лопатками (на корме или по бортам), а для морских вояжей по-прежнему использовались паруса. Первым пересек Атлантику Royal William, он прошел по маршруту Квебек – Лондон в 1833 году (Fry 1896). Первым плаванием на скорость стала гонка между колесными пароходами Sirius и Great Western в 1838-м, в том самом году, когда Джон Эриксон предложил первый работающий винт. Постепенно все более крупные и быстрые пароходы заменяли парусники на пассажирских и торговых маршрутах через Северную Атлантику, и позже – на длинных переходах в Азию и Австралию. Они перевезли большую часть из 60 миллионов эмигрантов, оставивших континент между 1815 и 1930 годами, чтобы отправиться за море, в первую очень в Северную Америку (Baines 1991). В то же самое время движимые углем океанские корабли стали важным инструментом внешней политики США (Shulman 2015).

История наземного парового транспорта тоже началась с медленного старта, за которым последовало быстрое распространение железных дорог. После эксперимента Ричарда Тревитика в 1804 году с поставленной на рельсы машиной появилось несколько маленьких частных железных дорог. Первая общественная ветка, из Ливерпуля в Манчестер, открылась только в 1830 году, ее поезд тянул Rocket Джорджа Стефенсона (1781–1848). Благодаря большому количеству новый изобретений появлялись более эффективные и быстрые машины. К 1900 году лучшие механизмы в локомотивах работали при давлении до пяти раз выше, чем в 1830-х, и с эффективностью более 12 % (Dalby 1920). Скорости выше 100 км/ч стали обычным делом, и в 1930-х годах на прямых участках паровозы достигали и даже превосходили 200 км/ч (рис. 5.4).

Рисунок 5.4. Знаменитые машины эпохи паровозов. Rocket Стефенсона 1829 года, первая коммерческая машина, в которой появились две инновации, сохранившиеся во всех последующих конструкциях: отдельные цилиндры на каждой стороне, приводящие колеса в движение короткими соединительными стержнями, и эффективный многотрубочный котел. Стандартная американская конструкция, которая господствовала на железных дорогах США с середины 1950-х годов. Обтекаемый дизайн немецкого паровоза Borsig, разогнавшегося до 191,7 км/ч в 1935 году. Основано на Вут (1900) и Ellis (1983)

Начавшиеся с первой междугородней ветки в 56 км (Ливерпуль – Манчестер) в 1830 году, британские железные дороги протянулись до 30 тысяч километров к 1900 году, в Европе их общая длина составила 250 тысяч км. По всему миру наиболее мощная экспансия железных дорог наблюдалась в три последних десятилетия XIX века. К 1900 году сеть в России достигла 53 тысяч километров (но Транссибирскую магистраль до Тихого океана достроили только в 1917-м), в США на тот же момент было более 190 тысяч километров (включая три трансконтинентальных ветки), а всего в мире (с большей частью из оставшегося в Британской Индии) насчитывалось 775 тысяч километров (Williams 2006). В результате расширение железнодорожной сети стало главной причиной не имевшего прецедентов спроса на сталь во второй половине столетия.

Конечно, металл требовался в еще больших количествах для многих новых промышленных рынков: самой по себе стальной индустрии (чтобы обеспечивать металл для новых мощностей по производству железа и стали), электрической индустрии (для котлов и паровых турбогенераторов, трансформаторов и проводов), в добыче нефти и газа (для буровых труб, буровых головок, креплений, трубопроводов и цистерн), в кораблестроении (для новых кораблей со стальными корпусами), в производстве (для машин, инструментов и комплектующих), и в традиционной текстильной и пищеобрабатывающей промышленности. Но рельсы (ранее их изготавливали из железа) оказались самым важным конечным продуктом из доступной бессемеровской стали (подробости см. в главе 6), появившимся в 1860-х годах и остававшимся таковым до конца столетия (Smil 2016).

Апогей популярности парового двигателя наступил более чем через столетие после того, как Уатт получил усовершенствованный патент: к началу 1880-х годов широкое распространение паровых машин заложило энергетические основы современной индустриализации, и доступность высококонцентрированной мощности преобразовала как производительность промышленности, так и транспорт дальнего следования, и морской, и наземный. В свою очередь, эти изменения привели к обширной урбанизации, росту благосостояния людей, расширению международной торговли и сдвигам в положении стран на международной арене. Кумулятивный технический прогресс оказался значительным: крупнейшие машины, сконструированные в 1890-х годах, были примерно в 30 раз более мощными, чем их предки в 1800-м (3 МВт против 100 кВт), эффективность в лучших случаях повысилась в 10 раз, с 2,5 до 25 % (рис. 5.5). Этот огромный выигрыш в эффективности, со значительной экономией топлива и уменьшением загрязнения воздуха, случился благодаря в первую очередь более чем стократному росту рабочего давления, от 14 кПа до 1,4 МПа.

Рисунок 5.5. Растущая мощность и улучшение эффективности лучших паровых машин, 1700–1930 годы. Основано на данных из Dickinson (1939) и von Tunzelmann (1978)

Быстрый прогресс и пригодность двигателя для выполнения многих производственных, строительных и транспортных задач (благодаря прочности и надежности) превратил паровую машину в неодушевленный первичный движитель индустриализации XIX века. Его стационарное использование варьировалось от работ, которые ранее выполняли одушевленные первичные движители, водяные колеса или ветряные мельницы (откачка воды, распил древесины или обмолот зерна) до новых задач, которые появились на растущих фабриках (приводные ремни позволяли осуществлять сверление, полировку и другие операции с помощью механизмов, а также получать сжатый воздух). Кроме того, отдельные самые крупные из когда-либо построенных паровых двигателей использовались для того, чтобы вращать динамо первых электростанций в 1880-90-х годах (Smil 2005).

Мобильное использование двигателя привело к революции (здесь эта оценка совершенно опревданна, в отличие от обычного гиперболического утверждения) в транспорте, как наземном, так и водном, к быстрому развитию железных дорог и появлению пароходов. Другие способы мобильного применения, облегчавшие труд, включали паровые краны, молоты для забивки свай и экскаваторы (первое устройство такого типа, «паровая лопата», была запатентовано еще в 1839 году). Панамский канал не удалось бы построить так быстро (1904–1914) без использования примерно сотни «паровых лопат» Bucyrus и Marion (Mills 1913; Brodhead 2012), пар нашел путь даже на американские поля посредством канатных плугов.

Но паровые двигатели стали жертвами собственного успеха: по мере того как росла их эффективность, а ее пиковое значение достигало беспрецедентного уровня (на порядки выше, чем у любого традиционного первичного движителя), они начали сталкиваться с сущностными ограничениями, изначально заложенными в конструкции (Smil 2005). Даже после столетия усовершенствований широко используемые паровые машины оставались малоэффективными: к 1900 году типичный паровой локомотив тратил впустую 92 % угля, загруженного в котел. И они оставались тяжелыми, что ограничивало их мобильность за пределами рельсов и воды, которые могли поддерживать значительную массу (примечание 5.5).

Примечание 5.5. Соотношение масса/мощность паровых машин и «мегатерия»

Лошадь среднего размера, весящая 750 кг и дающая одну лошадиную силу (745 Вт), будет иметь соотношение масса/мощность почти в 1000 г/Вт, как и человек в 80 кг, постоянно работающий с мощностью в 80 Вт. Первые паровые двигатели XVIII века были очень массивными и давали соотношения (600–700 г/Вт) почти столь же высокие, как у людей и тягловых животных. К 1800 году соотношение упало до 500 г/Вт, и к 1900 году лучшие паровые локомотивы добрались до 60 г/Вт. Но это было все равно слишком много для того, чтобы приводить в движение наземные средства транспорта или вращать динамо на электростанциях.

В 1894 году новый бензиновый двигатель «Даймлер-Майбах», установленный на автомобиле, который выиграл гонку Париж-Бордо, имел показатель менее 30 г/Вт (Beaumont 1902), и он не оставил паровым машинам места в дорожном транспорте. Даже первый коммерческий вариант малых паровых турбин Чарльза Парсонса – мощностью в 100 кВт, построена в 1891 году – выдавал лишь 40 г/Вт, и перед Первой мировой соотношение упало ниже 10 г/Вт, а эффективность превзошла 25 %, много выше 11–17 % для лучших паровых двигателей (Smil 2005). Вследствие этого 16 больших паровых машин «Вестингауз-Корлисс», установленных на нью-йоркской электростанции Эдисона в 1902 году, уже устарели, и все же тремя годами позже лондонский городской совет по трамваям поставил на станции Гринвич «мегатерия мира машин» (Dickinson 1939, 152), первый из 3,5-мегаватных паровых компаунд-двигателей, для чего потребовалось пространство размером с собор. Массивные машины Гринвича были почти столь же высокими (14,5 м), как и широкими, а генератор Парсонса той же самой мощности имел бы только 3,35 метра в ширину и 4,45 метра в высоту.

Когда паровые машины достигли своей величайшей эффективности, наибольшей мощности и самого низкого соотношения масса/мощность, не нашлось путей, по которым они смогли бы проследовать к дальнейшему доминированию. Несмотря на впечатляющий прогресс и на совсем недавнее широкое распространение в промышленности, на железных дорогах и в морском транспорте, первичный движитель XIX века потерял лидирующие позиции в веке двадцатом. Паровые турбины остались наиболее мощными первичными движителями в генерации электричества, а двигатели внутреннего сгорания (сначала бензиновые, появившиеся в 1880-х годах, затем и дизельные) в конечном итоге оказались достаточно легкими, мощными и удобными, чтобы стать основой дорожного транспорта. Распространение двигателей внутреннего сгорания стало возможным благодаря доступности недорогого жидкого топлива, получаемого из сырой нефти: у этих жидкостей была большая плотность энергии, чем у угля, они сгорали чище, их было легче перевозить и хранить, и эта комбинация до сих пор делает их лучшим топливом в сфере транспорта.