Паровой двигатель Уатта
В 1769 г. Уатт запатентовал паровой двигатель с отдельным конденсатором. Теперь конструкция парового двигателя содержала все основные элементы: паровой котел, цилиндр, конденсатор. Отделение конденсатора явилось существенным шагом в поисках путей снижения расхода топлива, но не разрешило основную задачу того времени — получение непрерывного вращательного движения; универсальный двигатель с таким движением может работать и без конденсатора.
Благоприятные условия деятельности Уатта — денежная поддержка капиталистов, общение с учеными, поддержка в парламенте и, наконец, возможность использования высококвалифицированных инженерных кадров — позволили ему осуществить ряд ценных мероприятий, резко повысивших экономичность парового двигателя. Главными из этих мероприятий являлись: введение паровой рубашки, уменьшавшее температурные колебания стенок цилиндра и потерю пара от конденсации на них, и расширение пара в полости цилиндра.
Расширение пара (правда, очень незначительное) применялось уже в двигателях Ньюкомена, где оно являлось следствием прекращения впуска пара при подходе поршня к мертвому положению во избежание резких толчков. Уатт, которому шахтовладельцы по договору выплачивали /з прибыли, получаемой от экономии топлива в насосных Двигателях с отдельным конденсатором, исследовал экономический эффект более раннего прекращения впуска пара в цилиндр и запатентовал расширение пара на значительной доле хода поршня. Это резко снижало Удельный расход пара. Стремясь компенсировать потерю Мощности, вызванную отсечкой пара, без увеличения размеров цилиндра, Уатт предложил впускать пар во вторую полость цилиндра. Таким путем он пришел к двигателю двойного действия, в котором осуществляется один из методов суммирования работы полостей.
Теперь уже не составляло особого труда построить двигатель с вращательным движением: нужно было только применить маховик для достижения равномерности вращающего момента. Уатт писал, что применить кривошипно-шатунный механизм к «...паровой машине было так же легко, как воспользоваться ножом, предназначенным для резки хлеба, для разрезания сыра». Но здесь Уатт столкнулся с людьми, умевшими не хуже его самого патентовать давно известные изобретения. Подобно тому как он в своем патенте 1769 г. запатентовал избыточное давление пара, предложенное Леупольдом в 1724 г., два «изобретателя» сумели получить в 1779 и 1780 гг. патенты на давно известный технике шатунно-кривошипный механизм обходя эти патенты, Уатт применил планетарную передачу, использовав ее свойство вдвое увеличивать число оборотов вала, что приводит к четырехкратному увеличению выравнивающего действия маховика. уУтт не мог отказаться от балансира и применил соединение его со штоком двигателя при помощи параллелограмма теория которого была разработана значительно позднее П. Л. Чебышевым.
Наконец, Уатт ввел центробежный регулятор скорости, изменявший сечение паропровода и, следовательно, подачу пара к двигателю при изменении числа оборотов вала. Так же как и регулятор уровня воды в котле Ползунова, этот регулятор явился одноимпульсным механическим регулятором простого действия с одним регулируемым параметром. Теория центробежных регуляторов была разработана И. А. Вышнеградским только в 1877 г.
Двигатели Уатта начали решительно вытеснять водяное колесо. Если за 70 лет до 1769 г. было установлено около 140 паронасосных установок, из которых около 100 работали по откачке воды на рудниках и шахтах, а остальные— 8 водопроводных схемах различного назначения (городские, промышленные, парковые), то, начиная с 1775 г., количество паровых установок резко возрастает. Вначале все еще преобладали насосные установки. Из 66 сооруженных установок 34 предназначались для целей водоподъема. В 17 установках двигатели прерывного действия применялись для привода воздуходувных установок доменных ц кузнечных цехов. Остальные 15 представляли собой либо установки непрерывного действия с комбинированным аккумулированием, либо единичные установки. Других типов с вращательным движением и два двигателя Уатта.
Развитие горнорудной промышленности и металлургии предъявило к энергетике новые требования. Если в начале XVIII в. стоял вопрос о замене конных приводов и водяных колес паровым двигателем, не зависящим от локальных условий, то теперь двигатель должен был приводить в движение новый парк исполнительных машин, отличавшийся от старого как по потребляемой мощности, так и по принципам действия. Возможности, заключающиеся в паровом двигателе, заставили конструкторов и изобретателей пересмотреть существовавшие насосы, воздуходувки, подъемники, вентиляторы, транспортные установки. Клинчатые воздуходувные мехи с кожаными стенками стали решительно заменяться цилиндрическими поршневыми воздуходувками, позволявшими подавать большее количество воздуха с более высоким напором. Насосы простого действия, малопроизводительные и тихоходные, стали вытесняться насосами двойного действия, а позднее им на смену пришли центробежные насосы. Мощность парового двигателя позволила значительно увеличить также производительность подъемных устройств как за счет величины поднимаемого груза, ТАК и за счет быстроты: подъема.
В металлургической промышленности величины и производительности доменных печей теперь в значительной степени зависел от паровых машин, приводящих в действие более производительные воздуходувки. Мощный паровой двигатель, заменив водяное колесо у прокатных станов, внес существенную реконструкцию в технику проката сортового и профильного металла.
Машиностроение, получившее более качественный металл благодаря внедрению пудлингования и изготовлению тигельной стали, решительным образом встало на путь изготовления машин, делающих новые машины. Для этой цели прежде всего были разработаны конструкции металлообрабатывающих станков — технологических машин 2-го класса, которым был передан инструмент из рук рабочего. Объединение этого класса технологических машин с энергетикой нового парового универсального двигателя впервые привело к «развитой совокупности машин» (Маркс).
Совокупность машин, состоящая из двигателя, передаточного механизма *и рабочей машины, применялась и с водяным колесом, приводившим в движение простейшие технологические машины 1-го класса: песты, жернова, мешалки, дробилки, молоты и т. п. Эта совокупность была еще мало развита. Она развилась с применением паровой машины, причем громадную роль при этом сыграла возможность увеличения единичной мощности парового двигателя, поскольку мощный двигатель экономичнее маломощного. Увеличение разницы между мощностью парового двигателя и мощностью технологических машин привело к применению группового привода, ставшего технической основой промышленного предприятия нового типа — завода или фабрики. Так возникла описанная Марксом «развитая совокупность машин».