Изобретение паровой машины уатта. Уатт и паровой двигатель

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.

«Мне нужен источник энергии получше, — горячился Мэтью Болтон. — Такой, чтоб не уставал, как лошади, и чтоб работал эффективно. » Его мечта сбылась после встречи с Джеймсом Уаттом. На свет появился паровой двигатель.
Пар привел в движение машины, совершившие промышленную революцию. Появились первые поезда и пароходы. С тех пор жизнь людей очень изменилась.

Однажды в 1764 году в шотландском городе Глазго в мастерскую принесли для починки модель парового двигателя. Это была миниатюрная модель двигателя Ньюкомена из коллекции научных экспонатов местного университета. Мастерская принадлежала Джеймсу Уатту — научному консультанту университета, которому в то время было 28 лет.

Однотактное чудо

Джеймс Уатт (1736-1819) произвел переворот в технике, сконструировав первый паровой двигатель с теплообменником

Двигатель Ньюкомена был изобретен примерно пятьюдесятью годами раньше и использовался для откачки воды в горнодобывающих шахтах. По сравнению с ранним паровым насосом этот двигатель был более совершенным, но он работал неэффективно. Он потреблял очень много топлива и сотрясал все вокруг.
Эти недостатки не очень важны, если использовать двигатель на угольной шахте: тут сколько угодно дешевого угля и никому не мешает тряска. Но у других возможных потребителей у кого не было дешевого топлива и кому требовалось, чтобы двигатель работал ровно, эта конструкция интереса не вызывала.

Задавая вопросы

Джеймс Уатт починил университетскую модель двигателя. Он в первый раз видел двигатель Ньюкомена и изучил его с большим интересом. Почему он такой неэффективный? Почему движение сопровождается такой тряской? Почему он потребляет столько угля?

Двигатель Ньюкомена был одноцилиндровым. Внутри цилиндра двигался поршень, соединенный с балансиром, который приводил в движение насос. Пар из котла попадал в цилиндр снизу и заставлял подниматься поршень, а тот, в свою очередь,— балансир. Затем в цилиндр подавалась холодная вода — пар конденсировался,давление, падало, и поршень опускался. Каждый раз, когда внутрь поступает холодная вода, пар конденсируется, и топливо, затраченное на то, чтобы произвести этот пар, пропадает напрасно. Для очередного подъема поршня нужен новый пар — значит, нужно снова нагревать котел, расходуя дополнительное топливо.

Сокращая расходы на топливо

Решение, предложенное Уаттом, заключалось в следующем: надо добавить второй цилиндр, называемый теплообменником, и соединить его с первым. Отработанный пар будет конденсироваться в теплообменнике, а первый цилиндр будет все время оставаться горячим — это сэкономит количество потребляемого топлива. На деле оказалось, что двигатель Уатта расходует лишь четверть того количества топлива, которое требовалось раньше.

Джеймс Уатт был ученым и изобретателем, а не бизнесменом. Если бы не Мэтью Болтон, замыслы Уатта так бы и остались в чертежах. Появившийся на свет при финансовой поддержке Болтона теплообменник был только первым вкладом Уатта в конструкцию паровой машины, за которым последовали другие. Промышленная революция свела вместе изобретателей, у которых были интересные идеи, и деловых людей, у которых были капиталы, чтобы воплотить эти идеи в конкретные дела, приносящие доход.

Его идеи не сразу принесли ему славу и богатство. Подобно многим другим изобретателям, Уатт не мог найти денег, чтобы воплотить свои замыслы в жизнь. Прошло двенадцать лет, прежде чем был продан первый из его двигателей. В 1776 году Уатт стал партнером бирмингемского промышленника Мэтью Болтона (1728—1809), и Болтон помог ему наладить производство паровых машин.

И это было только начало. Уатт продолжал улучшать и совершенствовать механизм и наконец изобрел способ преобразовывать поступательное движение поршня во вращательное.

ФАКТЫ И СОБЫТИЯ

• Первым паровым двигателем, использовавшимся в промышленности, был «Друг горняка». Он был запатентован в 1698 году Томасом Сэвери, горным инженером из Корнуолла.
• Когда Джеймс Уатт строил модель своего первого двигателя, он очень торопился. Не найдя необходимой детали, он взял у жены наперсток, чтобы закрыть им конец трубы.
• До своей встречи с Болтоном Уатт настолько потерял веру в успех, что отказался от идеи создания паровой машины и четыре года работал на строительстве каналов в Шотландии.
• Заслуги Уатта не ограничиваются тем, что он усовершенствовал паровую машину. Он изобрел способ копирования документов, основанный на химических процессах, который широко использовался на протяжении последующих ста пет.
• В 1784 году Уатт провел в свою контору трубы из котельной и пустил по ним горячий пар. Таким образом пар был впервые использован для центрального отопления.
• В 1789 году Уатт изобрел регулятор- устройство, позволяющее контролировать скорость работы паровой машины. Это позволило поддерживать постоянную скорость, не зависящую от температуры котла, и облегчило работу.
• В XIX веке в честь Джеймса Уатта была названа единица мощности — ватт.

Пар завоевывает мир

Паровая машина Ньюкомена, впервые установленная в 1712 году.

Это был настоящий прорыв. Вращательное движение могло найти гораздо более широкий круг применений. От коленчатого вала можно при помощи приводных ремней передать движение на ткацкие и другие станки. Теперь пар мог заставить крутиться колеса самодвижущихся экипажей.

Первые попытки использовать пар для создания новых средств передвижения были предприняты в 70-х годах XVIII века. Эти машины передвигались по дорогам, но пройдет немного времени, и люди найдут другое применение паровому двигателю— железные дороги. Уатт дожил до 1819 года и мог увидеть начало промышленной революции, которую подтолкнуло его изобретение, но он не дожил шести лет до начала эры железных дорог.

Век пара

К середине XIX столетия всю промышленность «двигал пар». Теперь все, от тканей до пушек, производили с помощью паровых машин. Паровозы тянули поезда; даже оборудование для строительства железных дорог оснащалось паровыми двигателями. И на море парус постепенно сдавал свои позиции паровой машине.

Однако промышленная революция заключалась не только в изменении технологии производства, хотя это и было важно. Строительство новых машин и фабрик требовало денег, которые надо было заплатить задолго до того, как фабрики начнут приносить прибыль. Точно так же, как Уатту для финансовой поддержки его замыслов был нужен Болтон, для успеха промышленной революции нужны были богатые люди, готовые вложить свои деньги в дело.
Промышленная революция стала также революцией капиталистической. Начали основываться компании, банки поспешили вкладывать деньги в промышленность, появились деловые люди, зарабатывающие на жизнь тем, что сводили вместе научные идеи и капиталы.

Французский военный инженер Жозеф Кюньо построил повозку, приводимую в движение паром, около 1771 года. Она могла ехать со скоростью 3,6 км/ч и при этом везти четырех человек.

Победители и проигравшие

А что же стало с простыми людьми, которые не были ни изобретателями, ни банкирами, ни капиталистами? Паровой двигатель изменил жизнь многих из них. В XVIII веке ткани, например, производились в небольших мастерских на оборудовании, приводившемся в движение вручную. Очень часто в мастерской работала одна семья. На новых фабриках ткани стали делать на станках, работающих от парового двигателя. Работа была несложная и не требовала большого умения, поэтому рабочих-мужчин заменили женщины и даже дети.

Появилось много новых рабочих мест, но труд на фабриках был изматывающим и монотонным. Люди начали стекаться в большие промышленные города, где им приходилось жить в ужасной тесноте и дышать отравленным воздухом, потому что фабричные трубы изрыгали тучи дыма и копоти. В то же время промышленности требовалось все больше и больше угля, шахтерам приходилось опускаться все глубже под землю, и их труд становился все опаснее.

На смену пару

Эпоха паровых машин закончилась в 50-х годах нашего века. Она длилась больше 150 лет. Сегодня промышленность работает на электричестве. Больше нет пароходов, а топливом для машин и поездов служит нефть. Но огромные изменения, происшедшие за последние два века, были начаты Джеймсом Уаттом и его паровым двигателем.

Не все эти изменения были к лучшему. Соперничество между промышленными державами привело в XX веке к двум мировым войнам. До сих пор существует гигантская пропасть между промышленно развитыми странами и остальным миром. Миллионы людей, работающих на фабриках, хотели бы иметь возможность зарабатывать себе на жизнь как-нибудь по-другому. Когда Джеймс Уатт усовершенствовал двигатель Ньюкомена, он положил начало тем изменениям, что неузнаваемо преобразили облик мира.

Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулся чуть ли не на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен. Впрочем, никем не отрицается, что прорыв, приведший к технологической революции, был осуществлен шотландцем Джеймсом Уаттом.

Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности. Однако лишь на рубеже XVII–XVIII вв. удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 г.: машина изобретателя Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Правда, изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода - например со дна шахты - засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу.

Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 г. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.

Более совершенную машину в 1712 г. построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.

Машина Ньюкомена широко использовалась в Европе более 50 лет. В 1740-х годах машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла за неделю. И все-таки ее КПД был чрезвычайно низок.

Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие предложения тканей и стремительно возрастающего спроса привлекло лучшие конструкторские умы к разработке прядильных и ткацких машин. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса. Но созданные ими прядильные и ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (именно этого не могло обеспечить водяное колесо) приводил станки в однонаправленное вращательное движение. Вот здесь-то во всем своем блеске предстал талант знаменитого инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Уатта.

Уатт родился в шотландском городке Гринок в семье кораблестроителя. Работая учеником в мастерских в Глазго, за первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравировщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов. По совету дяди-профессора Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь Уатт начал работать над паровыми машинами.

Джеймс Уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем-то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. В 1765 г. Уатт пришел к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших паро-атмосферную машину в паровую. Например, он изобрел шарнирный механизм - «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев - рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.

В 1776 г. машина Уатта прошла испытания. Ее КПД оказался вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. В 1782 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась на прядильных и ткацких фабриках, а позже и на других промышленных предприятиях. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.

Паровая машина Уатта поистине стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не ограничился. Соседи не раз с удивлением наблюдали за тем, как Уатт гоняет по лугу лошадей, тянущих специально подобранные тяжести. Так появилась единица мощности - лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.

К сожалению, финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически кабальный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, потерпевшим вскоре полный финансовый крах.

Бурное развитие основных видов промышленности в Англии в первой половине XVIII в. и массовое внедрение в производство рабочих машин, ознаменовавшее собой начало промышленной революции, сделало необходимой революцию в паровой машине. Эта революция означала переход от двигателя частного назначения к универсальному двигателю - основе энергетической базы крупной фабричной промышленности.

Нужда в двигателе, способном приводить в действие любые рабочие машины, особенно остро сказывавшаяся в 1760-1780 гг., ярко выразилась в словах английского предпринимателя Меттью Болтона: «В Лондоне, Манчестере, Бирмингеме люди сходят с ума по паровой мельнице». Требовалась такая «мельница», которая бы передавала работу не только непрерывно, но в форме вращательного однонаправленного равномерного движения и была достаточно экономичной .

Универсальный паровой двигатель, пригодный для практической эксплуатации, был создан шотландским изобретателем Джеймсом Уаттом. Уатт, еще в детстве мастеривший модели машин, выбрал профессию механика. Пройдя курс обучения в Глазго и Лондоне, он с 1757 г. стал работать в качестве механика в университете в Глазго и тогда же открыл мастерскую для изготовления и ремонта математических и физических приборов. Уатт близко познакомился со многими учеными, в том числе с физиком Джозефом Влеком, изучавшим скрытую теплоту испарения водяного пара, и Джоном Робисоном - тогда еще студентом, а впоследствии профессором физики. Робисон посоветовал Уатту изучить имевшуюся в то время литературу по механике паровых машин: сочинения Деза-гюлье, Леупольда и Белидора. Уатт проводит опыты над свойствами водяного пара и определяет зависимость температуры насыщенного пара от давления. Построенные им кривые близко совпадают с современными данными. Непосредственно работу над паровыми машинами Уатт начал в 1763 г. с починки модели действующей паронасосной установки Ньюко-мена. Однако модель была почти неработоспособной, так как будучи геометрически подобной своему промышленному образцу, она отличалась от него протекающими в ней механическими и тепловыми процессами . Установка требовала большего непроизводительного расхода пара, а следовательно, и топлива. После пяти лет упорной работы над моделью Уатт сделал громадный шаг в деле совершенствования паровых двигателей и повышения их экономичности. Первоначально он пришел к выводу, что хорошая работа пароатмосферной машины зависит от выполнения двух условий: во-первых, получения сильного разрежения под поршнем за счет более полной конденсации пара (для этого нужно было как можно больше охладить цилиндр); во-вторых, поддержания цилиндра в горячем состоянии, чтобы избежать непроизводительных потерь пара при выпуске его из парового котла. Выполнение этих условий одновременно в одном цилиндре технически невозможно, и Уатт дал новое решение: заключить цилиндр в паро-ВУЮ рубашку, поддерживая его постоянно в нагретом состоянии, а конденсацию пара осуществлять в отдельном конденсаторе, снабженном насосом для откачивания конденсата и воздуха. В 1765 г. была построена модель нового двигателя, но только в 1769 г. удалось добиться его работы по полному циклу .

Во время своих экспериментальных работ над моделью Уатт получил денежную поддержку владельца Карронского завода Ребека и вместе с ним подал заявление о выдаче патента на «способы уменьшения потреблений пара и вследствие этого - топлива в огневых машинах». Кроме указанных принципиальных нововведений"в двигателе, Уатт запатентовал также применение избыточного давления пара с выхлопом в атмосферу - в случаях недостатка воды для конденсации пара; применение «коловратных» машин с однонаправленно вращающимся поршнем; наконец, работу J неполной конденсацией, т. е. с ухудшенным вакуумом. В последнем пункте патента предусматривалась также конструкция уплотнения поршня.

Усовершенствования Уатта содержали реальную возможность снизить расход пара и топлива более чем в два раза - это был огромный успех на пути создания экономичного теплового двигателя.

Однако первая попытка в 1769 г. построить насосную паровую установку с отдельным конденсатором на Карронском заводе успеха не имела - не удалось обеспечить достаточной точности обработки и плотности соединений. Изготовление таких крупных машин стоило больших средств, которыми Уатт не располагал, а Джон Ребек к тому времени обанкротился.

В поисках финансовых возможностей для постройки двигателей Уатт стал думать о работе за пределами Англии. В начале 70-х годов русское правительство предложило английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» с ежегодным жалованием 1000 ф. ст. Однако поездка в Россию не состоялась. В 1772 г. Уатт заключил контракт с М. Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема .

Договор между Уаттом и Болтоном стал весьма действенным. Болтон оказался умным и дальновидным человеком и не поскупился на расходы по созданию новых машин. Уатт до конца своей жизни оставался главным механиком завода.

Первая машина с отдельным конденсатором была создана в 1774 г. Интересной представляется конструкция 1777 г., получившая название «Вельзевул», в которой Уатт применил отсечку и расширение пара с целью увеличения экономичности .

К 1780 г. получил распространение тип машин Уатта простого действия, служивших для откачивания воды. Самым надежным потребителем двигателя стали рудники Корнуэлла: в 1778 г. в этом графстве на-тывалось свыше 70 установок Ньюкомена, а в 1790 г. все они, кроме одной, были заменены машинами Болтона-Уатта. Большое их число изго-овлялось также для медных рудников в Корнваллисе

Успех новых двигателей объяснялся тем, что их применение значительно удешевило получение механической энергии.

Но к тому времени, когда начался массовый выпуск паровых машин для насосов, выявился большой спрос на более совершенные двигатели текстильной, металлообрабатывающей и других отраслей промышленности. А паровая машина Уатта все еще не была пригодна для привода рабочих машин с вращательным движением.

В 1778 г. Уатт по предложению своего компаньона Болтона приступил к усовершенствованию парового двигателя. Он детально исследовал процесс расширения пара в цилиндре, сконструировав для этой цели специальный индекатор - прибор, замеряющий давление пара в процессе расширения. Определив практически выгодную степень расширения пара для превращения тепла в работу. Уатт предложил в 1782 г. паровой двигатель с расширением и получил на него английский патент. Придя к мысли использовать вторую половину цилиндра, он создал так называемый двигатель двойного действия, в котором был существенно снижен удельный расход пара .

Вот как описывал свое изобретение 1782 г. сам Уатт: «Мое второе улучшение паровых, или огневых, машин состоит в использовании упругой силы пара для того, чтобы двигать поршень вверх, а также прижимать его вниз попеременно, создавая вакуум над или под поршнем и одновременно используя действие пара на поршень в том конце или части цилиндра, из которой не происходит выхлопа пара; машина, сконструированная таким образом, может дать двойное количество работы или развить двойную мощность в одно и то же время (с цилиндром равных размеров) по сравнению с машиной, в которой активная сила пара действует на поршень только в одном направлении - либо вверх, либо вниз» .

Это была уже непрерывно действующая машина, в которой источником силы служил пар.

Уатту пришлось также решить задачу преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное; он запатентовал пять устройств, с помощью которых была решена эта задача, в их числе нашедшая применение планетарная передача.

Одновременно Уатт предложил серию устройств, предназначенных для компенсации неравномерной отдачи работы, вызванной расширением пара .

Патентом Уатта 1782 г. были закреплены многие усовершенствования, которые, казалось бы, окончательно сформировали паровую машину как универсальный двигатель. И тем не менее это было не все.

То, что новый двигатель является действительно универсальным, Уатт понял позже, о чем свидетельствует его патент 1784 г. Именно на этот патент ссылается К. Маркс, вводя в научный обиход определение «универсальный двигатель».

С технической точки зрения это было прежде всего удовлетворительное решение задачи преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.

Вопрос о преобразовании качательного движения балансира в непрерывное круговое движение вала занимало многих изобретателей еще до Уатта. Папен, например, предлагал передачу через зубчатую рейку и зубчатое колесо. Д. Гулль в 1736 г. разработал комбинацию шкивов с канатной передачей применительно к судам, однако эти (так же как и многие другие) попытки успеха не имели .

Наконец, в 1779 г. М. Васбру и в 1780 г. Дж. Пикар запатентовали в Англии кривошипно-шатунные механизмы применительно к паровой машине. Многие механики того времени и в их числе уже упоминавшийся крупный инженер Смитон считали такое сочетание недопустимым: длина хода поршня в цилиндрах тогдашних паровых машин была переменной, и конструкторам казалось, что прямая передача движения с другого конца балансира непосредственно на вал при помощи шатуна и кривошипа невозможна. Очевидно, в плену этих заблуждений до определенного времени находился и Уатт. После же выдачи патента Васбру и Пикару ему пришлось искать иные пути преобразования формы движения.

В чем же заключались трудности? При построении паровой машины возникли проблемы, связанные с кинематикой и динамикой. Связи поршня с балансиром, с одной стороны, и второго конца балансира с валом - с другой, могли быть только жесткими. Между тем непосредственно соединить конец балансира с штоком поршня было нельзя, так как конец балансира описывал дугу, а шток поршня двигался по прямой линии. Первоначально (в патенте 1782 г.) Уатт предполагал произвести передачу от поршня к балансиру, снабдив шток зубчатой полосой, а на балансире поместить зубчатый сектор. Но это соединение в каждом конце хода поршня при перемене направления испытывало удары, и зубцы не выдерживали динамических нагрузок. Поэтому Уатт стал искать другое решение и нашел его. Он применил планетарную зубчатую передачу для соединения с одним концом балансира, а другой конец балансира соединил со штоком двигателя при помощи изобретенного им механизма, получившего название параллелограмма Уатта - это был плоский шарнирный механизм, часть звеньев (рычагов) которого образовывала параллелограмм. Простое на первый взгляд решение потребовало большого труда изобретателя. Знаменитый параллелограмм стал предметом позднейших исследований французского ученого М. Р. Прони и русского ученого, П. Л. Чебышева и послужил материалом для его сочинения «Теорий механизмов, известных под названием параллелограммов» (1854 г.) ;. Сам Уатт высоко ценил это свое изобретение и писал позднее сыну: «...хотя я не особенно забочусь о своей славе, однако горжусь изобретением параллелограмма более, чем каким-либо из изобретений, которые я сделал» . Гениальное изобретение, как его справедливо называют, свидетельствующее о необыкновенно ясной геометрической интуиции Уатта, оказалось лишь временным, преходящим явлением. Впоследствии параллелограмм Уатта был заменен обычным кривошипно-шатунным механизмом.

При создании машины с непрерывным вращательным движением перед Уаттом кроме кинематической задачи встали и чисто динамические проблемы: введение работы пара с двух сторон поршня, применение махового колеса и регулятора, действующего на паровпускной клапан.

Для подачи пара в разные полости цилиндра изобретатель использовал автоматически действующее устройство - золотник; для уменьшения колебаний скорости вращения - маховое колесо, а для автоматического поддержания постоянства скорости вращения двигателя - центробежный регулятор.

Все предложенные усовершенствования, большинство которых закреплялось патентом 1784 г., позволили Уатту в ближайшие годы выработать тип машины двойного действия с непрерывным вращательным движением, который в течение долгого времени оставался неизменным и подвергался лишь частичным доработкам.