<< До этого: Американская паровая империя
19 апреля 1866 года Альфред Холт, ливерпульский инженер, стажировавшийся на железной дороге Ливерпуль & Манчестер, а затем занявшийся проектированием пароходов в 1850-х годах, спустил на воду необычный корабль, который он назвал «Агамемнон». Будучи третьим отпрыском преуспевающего банкира, хлопкового маклера и страховщика, он распоряжался доступом к гораздо большему личному капиталу для запуска этого нового предприятия, чем средний инженер. Это было удачей для него, потому что типичные инвесторы того времени считали его амбиции — войти в китайскую чайную торговлю на основе паровой энергии — безрассудством. Типичный океанский пароход потреблял 2,3 кг угля на лошадиную силу в час и не мог конкурировать с парусом на таких больших расстояниях: ему пришлось бы либо заполнять углём большую часть своего потенциального грузового пространства, либо делать постоянные дорогостоящие остановки для дозаправки[1].
И всё же, в конце концов, Холту удалось провернуть свою авантюру. Ему помог удачный выбор момента (а, возможно, сыграла роль смесь удачи и предвидения): открытие Суэцкого канала в 1869 году дало пароходам огромную фору в торговле между Европой и Индийским и Тихим океанами. Но, проектируя корабли с достаточно скромным потреблением угля, чтобы окупить их путь в Тихий океан, он также извлёк выгоду из позднего слияния двух взаимодополняющих тенденций, каждая из которых началась в начале 1800-х годов, хотя до 1850-х годов они не пересекались друг с другом. Во-первых, это серия постепенных, эмпирических улучшений в конструкции паровых двигателей: аосле огромного скачка вперёд от Ньюкомена до Уатта дальнейшее повышение эффективности паровых двигателей было менее значительным. Одновременно постепенно развивалась теория тепла, которая могла объяснить, что делает двигатели более или менее эффективными, и тем самым направить инженеров в наиболее плодотворное русло.
Двухцилиндровые двигатели
Компания Boulton & Watt построила большинство своих ранних насосных двигателей в Корнуолле. Там же Тревитик разработал свою «пыхтелку» высокого давления. Поэтому вполне уместно, что последнее крупное структурное новшество в конструкции поршневого парового двигателя, и при этом совершенно инновационное, тоже было сделано в Корнуолле. Встречавшиеся в изобилии в этом регионе талантливые британские инженеры удовлетворяли постоянно растущий спрос на эффективные двигатели. Всё более глубокие шахты для добычи металлической руды требовали всё большей мощности насосов, несмотря на значительно более высокие цены на уголь, чем на богатом углём Севере.
Джозеф Хорнблауэр, родившийся в 1690-х годах, был одним из первых инженеров, собравших в 1720-х годах двигатели Ньюкомена для шахт Корнуолла. Шестьдесят лет спустя его внук Джонатан построил первый известный двухцилиндровый двигатель (позже названный составным). Местный натурфилософ из Корнуолла Дэвис Гидди (позже Гилберт) занимал ту же должность, что и Ричард Тревитик, и был научным консультантом Хорнблауэра. В принципе, идея была довольно проста: вместо того чтобы сразу конденсировать оставшийся пар после цикла расширения рабочего тела, всё ещё тёплый пар подавался в другой цилиндр, чтобы он смог совершить ещё больше работы. Однако это увеличивало трение, сложность и стоимость машины. Таким образом, на практике усовершенствование Хорнблауэра оказалось не более эффективным, чем традиционный двигатель Уатта[2].
Однако поколение спустя другой корнуоллец подхватил эту идею и развил её дальше. Артур Вульф, как и многие инженеры XVIII века, начинал свою карьеру в качестве фрезеровщика, но к 1797 году уже работал в фирме Джабеза Картера Хорнблауэра (брата Джонатана) на пивоваренном заводе в Лондоне, сооружая паровую машину. После этого он продолжал работать инженером на пивоварне в течение десяти лет и стал свидетелем эксплуатации паровой повозки Тревитика в городе в 1803 году. Вульф понял, что может объединить двухцилиндровый двигатель брата своего бывшего работодателя с двигателями Тревитика, работающими под действительно высоким давлением (сорок фунтов на квадратный дюйм [psi] и более). Пар под высоким давлением, всё ещё горячий после расширения в первом цилиндре, сможет совершить больше работы во втором цилиндре, а не просто «вылетит» в атмосферу. И Уатт, и Тревитик (с противоположных точек зрения) рассматривали пар низкого и высокого давления как конкурентов, но в машине Вульфа они дополняли друг друга[3].
Но, как уже успел узнать Хорнблауэр, путь от идеи до её воплощения не всегда бывает прямым и лёгким. Вульф сбил себя с пути, создав совершенно несостоятельную теоретическую модель внутреннего устройства своего двигателя: он полагал, что пар под давлением в двадцать фунтов на квадратный дюйм (psi) расширится в двадцать раз, прежде чем сравняется с давлением атмосферы, пар под давлением в тридцать psi расширится в тридцать раз, и так до бесконечности. Это оказалось существенно преувеличенным ожиданием, и он начал с цилиндра высокого давления слишком малого объёма, который выпускал слишком мало пара, чтобы эффективно работать со своим коллегой с низким давлением. Вместо того чтобы заставить его усомниться в своей теории, неудача этого двигателя заставила его пуститься в дикую погоню за несуществующей утечкой в поршнях[4].
Двухцилиндровый двигатель Вульфа, в отличие от двигателя Хорнблауэра, после долгих лет проб и ошибок наконец-то добился большей эффективности, чем двигатель Уатта. Но поскольку он был дороже в изготовлении (а значит, и в продаже) и сложнее в эксплуатации, он нашёл применение только на рынках, где не было доступа к другим, более дешёвым вариантам. Одним из таких примеров была Франция, куда бывший партнёр Вульфа Хамфри Эдвардс отправился в 1815 году: там он продал по меньшей мере пятнадцать двигателей и лицензировал ещё двадцать пять для французской горнодобывающей компании. Тем временем Вульф вернулся в Корнуолл в 1811 году, где обнаружил, что преимущества его двухцилиндрового двигателя вскоре были превзойдены постепенными усовершенствованиями конструкции Болтона и Уатта, сделанными другими местными инженерами. Он отказался от неё после 1824 года и строил одноцилиндровые двигатели до 1833 года, когда удалился на остров Гернси[5].
Тем временем создатели паровых машин продолжали вносить коррективы, чтобы получить больший прирост эффективности своих двигателей. Они извлекали преимущества из изменений в регулирующих механизмах двигателя: таких элементах, как «спусковые механизмы», «штифты» и «запястные пластины». Двигатель Корлисса, разработанный Джорджем Корлиссом в 1849 году, стал иконой американского промышленного дизайна после того, как его компания изготовила гигантский экземпляр для Столетней выставки 1876 года в Филадельфии. Однако, как бы ни была величественна эта машина, она не представляла собой большого скачка вперёд в архитектуре паровых двигателей. Относительными преимуществами конструкции Корлисса перед предыдущими двигателями были продуманные сочетания предыдущих инноваций в клапанах, которые позволяли пару входить и выходить из цилиндра, и особенно в клапанном механизме, который управлял ими[6].
Тем временем двухцилиндровый двигатель, не оправдав себя в 1810-1820-х годах, затаился. Его вернут к жизни спустя десятилетия инженеры, которые отчаянно пытались извлечь как можно больше энергии из каждой унции угля: а именно, конструкторы океанских пароходов. Но для того, чтобы облегчить эти поиски, требовалась хорошая, твёрдая теория парового двигателя, которая раз и навсегда развеяла бы путаницу, подобную той, что создал Вульф, и которая продолжала ставить подножки попыткам инженеров усовершенствовать двигатели.
Измеряя мощность
Отсутствие прочной теоретической базы для измерения мощности парового двигателя видно из нестабильной истории «запаздывания» цилиндра, или его изоляции. Паровые инженеры позаимствовали термин «лаг» (бочковая изоляция) у кузнецов, поскольку те часто изолировали ранние паровые котлы досками, удерживаемыми на месте металлическими полосами (это видно на изображениях ранних локомотивов, таких как «Ракета», с их характерной деревянной обшивкой).
Ещё в 1769 году Уатт признал ценность изоляции не только котла, но и рабочего цилиндра двигателя (выделено автором текста):
«Мой метод уменьшения расхода пара, а следовательно, и топлива, в огненных машинах состоит из следующих принципов. Первый: тот сосуд, в котором сила пара должна использоваться для работы двигателя, который в обычных пожарных машинах называется цилиндром, а я называю паровым сосудом, должен в течение всего времени работы двигателя оставаться таким же горячим, как и пар, который в него поступает; во-первых, заключая его в корпус из дерева или любого другого материала, который медленно передаёт тепло; во-вторых, окружая его паром или другими нагретыми телами; и, в-третьих, не позволяя ни воде, ни любому другому веществу холоднее пара войти или коснуться его в течение этого времени»[7].
И всё же, несмотря на авторитет Уатта, в первой половине XIX века строители паровых машин изолировали цилиндры от случая к случаю; это было делом прихоти, а не принципа[8].
В ту эпоху инженеры склонны были считать паровой двигатель аналогом его предшественника — водяного колеса. Пар заменил жидкую воду в качестве механической рабочей жидкости, но так же, как вода приводила в движение колесо, давя на лопасти, пар, по их мнению, совершал работу, расширяясь и давя на поршень. В типичном описании того времени говорилось, что «сила парового двигателя обусловлена свойством воды расширяться в удивительной степени при нагревании выше температуры, при которой она превращается в пар».[9] Инженеры знали, что цилиндр должен быть горячим, чтобы предотвратить конденсацию пара внутри, но в этой парадигме было неочевидно, что он должен быть как можно более горячим. Уатт, подчёркивая контраст между горячим цилиндром и холодным конденсатором, привлёк внимание к роли тепла в двигателе, но появление и успех двигателей высокого давления без конденсатора, где главным фактором казалась расширяющая сила пара, снова запутал ситуацию.
Постепенное развитие новой, более надёжной теории началось с практической проблемы: как измерить количество вырабатываемой двигателем мощности. Эта проблема стала особенно актуальной для компании Болтон & Уатт в конце XVIII века, когда они вышли из традиционного бизнеса по производству насосных двигателей на новый рынок, и стали обустраивать хлопкопрядильные фабрики. Традиционный способ измерения производительности парового двигателя в терминах «мощности» (фунты воды, поднятые на один фут на один бушель сожжённого угля) постепенно был дополнен понятием «силы», обычно выражаемой в лошадиных силах: фунты, поднятые на заданное расстояние, но за определённый период времени, а не с использованием заданного количества топлива. Томас Сэвери начал прощупывать эту концепцию в своей книге 1702 года о достоинствах своего парового насоса «Друг шахтёра»:
«Мне остаётся только настаивать на том, что вода при падении с любой определённой высоты имеет силу, равную силе, которая её поднимает. Так что двигатель, который поднимет столько воды, сколько могут сделать две лошади, работающие вместе в одно время на такой работе, и для которого нужно постоянно держать десять или двенадцать лошадей для выполнения той же работы, то, говорю я, такой двигатель выполнит работу или труд десяти или двенадцати лошадей…»[10]
Обратите внимание, что Сэвери предлагает измерять мускульный эквивалент двигателя не по производительности одной пары лошадей, управляющих механизмом, а по общему количеству лошадей, которое потребуется владельцу шахты для поддержания той же мощности в течение длительного периода времени. Однако эта модель лошадиной силы с точки зрения экономической эквивалентности не прижилась, и к концу XVIII века лошадиная сила закрепилась за числом, выведенным Уаттом: 33 000 фунт-футов в минуту.
Однако эта мера мощности по-прежнему лучше всего подходила для насосных работ: если в шахте требовалось поднимать 20 000 фунтов воды в час из ствола глубиной 200 футов, можно было легко рассчитать необходимую мощность двигателя. Машины для прядения хлопка, различающиеся по размерам, функциям и дизайну, не поддавались такой простой арифметике. Чтобы правильно подобрать двигатели для мельниц, Боултону и Уатту нужно было каким-то образом измерить мощность, развиваемую двигателем при работе с различными комбинациями механизмов.
С самого начала Уатт оснащал свои машины манометрами для измерения давления внутри двигателя, подсоединяя небольшой индикаторный цилиндр к главному цилиндру двигателя, чтобы между ними мог проходить пар. Уровень давления в индикаторе мог служить косвенным показателем выходной мощности. Но на самом деле сбор данных был сводящим с ума занятием, поскольку давление постоянно менялось по мере того, как поршень двигался вверх и вниз. Способ сбора этих непрерывных данных подсказал давний сотрудник Уатта, Джон Саузерн. Он поступил на работу в компанию в качестве чертёжника в 1782 году и, несмотря на пристрастие к музыке, которое показалось подозрительным Уатту, придерживавшемуся пуританских взглядов, быстро стал незаменимым работником[11].
В 1796 году Саузерн придумал простое устройство для решения проблемы измерения мощности. Он прикрепил лист бумаги над индикатором, подвесив его таким образом, чтобы он двигался вперёд-назад при работе главного поршня. Затем он прикрепил карандаш к кончику манометра. Когда давление повышалось и понижалось, карандаш тоже двигался, а бумага под ним перемещалась влево и вправо вместе с циклом работы двигателя. В результате, при равномерной работе, получалась замкнутая форма, которую Саузерн назвал индикаторной диаграммой, а среднее давление во время работы двигателя можно было вычислить по среднему расстоянию между верхней и нижней линиями этой формы, которое, в свою очередь, было пропорционально мощности. Откалибровав диаграмму, когда двигатель качал воду, где выходная мощность была чётко определена, Болтон и Уатт могли затем определить мощность, производимую тем же двигателем при работе заданного набора мельничных механизмов[12].
Термодинамика
Теперь у инженеров был под рукой инструмент для диагностики внутренностей работающего двигателя. Этот инструмент, в свою очередь, послужил основой для зарождения науки термодинамики, которая началась как наука о паровой машине. Первый большой скачок в этом направлении совершил Сади Карно.
История Карно имеет более чем трагический оттенок. Хотя впоследствии его признали одним из основателей термодинамики, при жизни он не добился признания и умер от холеры ещё молодым человеком в 1832 году. Его отец Лазар был выдающимся инженером и крупным политическим деятелем революционной Франции, но то, что мы знаем о сыне, почти полностью почерпнуто из пятнадцатистраничной биографии, набросанной спустя десятилетия его младшим братом Ипполитом, которая патетически начинается с заявления, что: «Жизнь Сади Карно не была отмечена никакими выдающимися событиями…»[13].
На самом деле, короткая жизнь Карно была удивительно насыщена событиями. Он вырос при дворе Наполеона, в 16 лет поступил в элитную инженерную школу École polytechnique и находился в замке Венсенн во время штурма Парижа в 1814 году, который положил конец первому правлению Наполеона. В 1819 году он вернулся в Париж в чине штабного лейтенанта, заняв свободное время своими увлечениями: музыкой, искусством и научными исследованиями. Там, в 1824 году, он создал свой основополагающий труд «Размышления о движущей силе огня» (Réflexions sur la puissance motrice du feu). В ней он попытался объяснить, как тепло порождает движение. Я позволю ему рассказать об этом своими словами:
«Всем известно, что тепло может производить движение. То, что оно обладает огромной движущей силой, ни у кого не вызывает сомнений в наши дни, когда паровой двигатель повсеместно так хорошо известен. Именно теплу обязаны огромные движения, которые происходят на Земле. Оно вызывает колебания атмосферы, подъём облаков, падение дождей и метеоров, потоки воды, которые омывают поверхность земного шара и из которых человек до сих пор использовал лишь малую часть»[14].
Как мы уже видели, склонность инженеров воспринимать пар гидравлически, как жидкость, которая производит работу за счёт давления, подобно воде в водяном колесе, породила некоторую путаницу в том, как построить и эксплуатировать двигатель наиболее эффективно. По иронии судьбы, Карно продвинул понимание парового двигателя вперёд, восприняв аналогию парового двигателя с водяным колесом даже более серьёзно, чем его современники. Однако для него ключевым фактором, генерирующим энергию, было не давление пара, а падение тепла. Как водяному колесу необходим напор, с которого вода под действием силы тяжести спускается вниз, чтобы вращать колесо, так и паровому двигателю требуется резервуар с большим количеством тепла, которое затем перетекает к холодному телу и тем самым совершает работу.
Для Карно это падение тепла в паровой машине было совершенно буквальным: оно состояло из невесомой жидкости, называемой «теплотой», которая стекала с горячего тела на холодное:
«Производство движения в паровых машинах всегда сопровождается обстоятельством, на котором мы должны сосредоточить наше внимание. Этим обстоятельством является восстановление равновесия в теплоте, то есть её переход из тела, в котором температура более или менее повышена, в другое, в котором она ниже. …Пар здесь является лишь средством транспортировки теплоты»[15].
Эта теория тепла как субстанции всё ещё преобладала во времена Карно, несмотря на таких революционно мыслящих учёных, как граф Румфорд, выступавших за механическую теорию тепла, которая понимала тепло исключительно как форму движения.
Если поток тепла от горячего тела к холодному производил всю работу в паровой машине, то создание эффективного двигателя означало минимизацию любых утечек тепла, которые не совершали полезной работы. Из этого также следовало, что для максимизации работы, производимой двигателем, необходимо максимизировать разницу между источником высокой температуры и поглотителем низкой температуры — высоту, с которой падает жидкость-теплота.
Книгу Карно по большей части проигнорировали. Но вскоре после его смерти его идеи получили первый шанс быть спасёнными из безвестности. Эмиль Клапейрон, который был всего на несколько лет моложе Карно, был опытным инженером, специализировавшимся на локомотивах, и тоже выпускником Политехнической школы. В 1834 году он опубликовал в школьном журнале статью, в которой показал, что теорию теплового двигателя Карно можно выразить на языке математики и представить графически в виде индикаторной диаграммы: площадь внутри диаграммы (которую можно выразить в виде интеграла) соответствует работе, совершаемой при передаче тепла в двигателе. Работа Клапейрона возродила абстракции Карно, поставила их на более прочную математическую основу и представила сообществу моторостроителей. Однако в очередной раз они зашли в тупик. Проникнутые традициями своего ремесла, ни Клапейрон, ни его коллеги, похоже, не понимали, что теория теплового двигателя имеет практическое применение в реальной технике[16].
Оправдания Карно пришлось ждать ещё пятнадцать лет, когда серия обменов мнениями между Уильямом Томсоном (впоследствии лордом Кельвином), Рудольфом Клаузиусом и Джеймсом Джоулем в районе 1850 года разрешила различные проблемы с тепловым двигателем Карно-Клапейрона, включая согласование его с механической теорией тепла: то, что перетекало от горячего тела к холодному, было не буквальной жидкостью, а абстракцией, называемой энергией, которая могла принимать различные формы, но могла совершать полезную работу только при понижении температуры. Энергия позволяла соотнести определённое количество тепла с определённым количеством мощности.[17] Учёным, который лучше всего синтезировал эту новую науку о тепле для широкой инженерной аудитории, был коллега Томсона по Университету Глазго, Уильям Джон Макуорн Ранкин.
Совершенствование морского двигателя
Должность Ранкина была в некотором роде новинкой: он был лишь вторым в истории человеком, руководившим кафедрой гражданского строительства в Глазго, учреждённой королевой Викторией в 1840 году. Со времён Уатта и после него университет Глазго был более практичным, чем великие Оксфордский и Кембриджский университеты Юга. Но учреждение кафедры инженерного факультета не только свидетельствовало о том, что университет поддерживает более сложные задачи, чем получение классического образования, но и сигнализировало о желании возвести инженерное дело в ранг более теоретической, научной дисциплины[18].
Ранкин, олицетворяя собой этот новый дух, объединял миры теории и практики, и проповедовал термодинамику инженерному миру: его «Руководство по паровой машине и другим перводвигателям» (1859), 500-страничный, густо насыщенный математикой трактат, очень подробно излагал новую теорию и её применимость к практическим вопросам и популяризировал термин «термодинамика». Однако он знал, как обратиться к более широкой аудитории: в 1854 году, выступая на ливерпульском собрании Британской ассоциации содействия развитию науки (BAAS), он лаконично изложил законы термодинамики в терминах обычного английского языка и простой арифметики: «Как абсолютная температура получения тепла относится к абсолютной температуре отдачи тепла, так и всё полученное тепло относится к необходимой потере тепла». Иными словами, чем стремительнее падение температуры от высокой (приём) до низкой (отдача) точки цикла работы двигателя, тем более эффективным может быть двигатель[19].
Среди тех, кто входил в круг влияния Ранкина в 1850-х годах, был опытный строитель морских паровых машин в Глазго по имени Джон Элдер, который стал первым человеком, установившим двухцилиндровый двигатель на успешный пароход. У Элдера морские двигатели были в крови: его отец Дэвид присоединился к двигателестроительной фирме Роберта Нэпира и начал проектировать пароходные двигатели в 1821 году. Помимо семейных традиций и природных талантов, у Элдера было ещё два преимущества в этом деле. Во-первых, у него был доступ к «термодинамической сети» Глазго (по выражению историка Кросби Смита); у него были наставники по новой термодинамической науке, и, вероятно, он получил от Ранкина конкретный совет внедрить паровые рубашки для предотвращения конденсации в цилиндре. Во-вторых, у него был нетерпеливый покупатель[20].
Тихоокеанская пароходная компания (PSNC) из Ливерпуля перенапряглась в торговле на тихоокеанском побережье Южной Америки, куда высококачественный паровой уголь можно было доставить только по морю, преодолев 19 000 миль в оба конца. Прибыль была минимальной, и предприятие оставалось в минусе только благодаря государственному почтовому контракту. Поэтому компания была готова переждать трудности, чтобы получить более эффективный двигатель. С момента получения Элдером и его партнёром патента на двигатель в январе 1853 года прошло четыре года, прежде чем PSNC подтвердила превосходство их судна Valparaiso, которое потребляло на 25 % меньше угля, чем аналогичная одноцилиндровая модель[21].
Успех Элдера заложил основу для дальнейшего рывка, осуществлённого Холтом в 1860-х годах. К достижениям последнего можно отнести то, что он убедил Торговый совет в том, что морские двигатели могут безопасно работать при более высоком давлении, что позволяет сильнее понизить их рабочую температуру и, следовательно, более эффективно использовать топливо. Это, в свою очередь, заложило основу для создания двигателей тройного расширения позднее в том же веке, чтобы извлечь ещё больше работы из тепла, пока оно падает от котла к конденсатору. Эта машинная полифоническая фуга возвестила о наступлении эпохи парового барокко, которая столетие спустя породила стимпанковские фантазии. Примерно к 1890 году двигатель тройного расширения, работающий при давлении 160 psi (фунтов на квадратный дюйм), потреблял полтора фунта угля на лошадиную силу в час, что составляло менее трети от нормы, действовавшей несколькими десятилетиями ранее, и примерно в пять раз меньше, чем у двигателя Уатта[22].
Однако термодинамика не только довела эпоху пара до её апогея, но и указала на слабое место, которое в дальнейшем приведёт к её краху. В своей речи на конференции BAAS в 1854 году Ранкин рассказывал о преимуществах воздушного двигателя — устройства, разработанного шотландцем Робертом Стирлингом, в котором в качестве рабочей жидкости использовался горячий воздух. Как отметил Ранкин, законы термодинамики не обязательно ограничиваются паром, но «справедливы для всех веществ при любых условиях…». Воздух имел преимущество перед паром, поскольку его можно было доводить до очень высоких температур, не создавая при этом опасного давления: «Например, при температуре 340°С, температуре, до которой воздушные двигатели действительно работали легко и безопасно, давление пара составляет уже 2100 фунтов на квадратный дюйм; давление, которое явно делает невозможным безопасную работу паровых двигателей…»[23] Воздушный двигатель Стирлинга не стал, в конечном счёте, убийцей пара. Его применение так и не вышло за рамки случайных маломощных бытовых применений. Но он стал первым предвестником грядущего затмения.
