19 января 1736 года родился Джеймс Ватт - английский изобретатель, именем которого названа единица мощности ватт. Усовершенствование паровой машины, сделанное Ваттом, является одним из самых выдающихся событий в истории техники. Это было одно из тех изобретений, которые положили начало промышленной революции в Англии во второй половине XVII века.
Биография Джеймса Ватта чрезвычайно интересна и поучительна. Она может быть образцом биографии великого инженера, который не только что-то изобретает, но и доводит дело до производства и широкого применения своего изобретения.
К паровой машине
Джеймс Ватт родился в небольшом шотландском городке Гриноке. Его отец строил дома и корабли, а также имел мастерскую, где изготовлялись различные инструменты. Маленький Джеймс Ватт был слабым ребенком. Хотя его рано отдали в бесплатную начальную школу, из-за болезней он часто оставался дома. Самостоятельно приобрел неплохие знания физических и математических наук. Особое впечатление на него произвела книга голландского ученого Гравезанда "Основные начала физики", написанная под влиянием идей Ньютона. В родительской мастерской освоил различные инструменты.
Когда Ватту исполнилось 18 лет, решили выучить его на механика - так тогда называли мастера, который изготавливал точные математические, геофизические и вообще физические приборы. Летом 1754 г. Джеймс Ватт отправился учиться ремеслу в Глазго, поселился у своего дяди Мюрхеда, профессора древних языков Глазговського университета. Пробыл год учеником в одной мастерской, но стало понятно, что получить там основательную подготовку невозможно. Благодаря дяде познакомился с несколькими профессорами университета, что потом очень пригодилось.
С согласия отца Ватт поехал в Лондон. Оказалось, что здесь, чтобы стать мастером, согласно цеховыми законам, необходимо было быть учеником семь лет и заплатить значительную сумму за обучение. Джеймсу удалось найти бесплатное место у одного часовщика, который учил его еще и гравировке. Через некоторое время Ватт поступил учеником в мастерскую к Джону Моргану на один год с оплатой за обучение 20 фунтов стерлингов. Дела у отца ухудшились, молодой Ватт жил очень экономно, искал дополнительный заработок. Но несмотря на это, Ватт продемонстрировал большое стремление к овладению ремеслом. Начав с выполнения простых работ, через год производил такие сложные инструменты, как отражающий секстант.
В конце 1756 г. Дж. Ватт поехал в Глазго, где хотел открыть собственную мастерскую по изготовлению математических инструментов, но не получил разрешение цеха. К счастью, с помощью знакомых профессоров ему удалось стать механиком университета Глазго. Работа в университете, безусловно, имела решающее значение для будущего и Ватта и истории техники. В частности, Ватт познакомился с известным физиком и химиком Дж.Блеком, который открыл так называемую скрытую теплоту парообразования. Ватт также подружился со многими студентами. Известный профессор Робизон вспоминал о том, как будучи студентом, познакомился с Ваттом и был поражен его знаниями. Студенты, встречаясь с трудностями, часто обращались к молодому механику за советом. А тот, если не знал ответа на вопрос, начинал его изучать. Чтобы прочитать одну из первых работ, посвященных машинам, Ватт изучил немецкий язык, впоследствии по аналогичному поводу - итальянский.
Изобретение
Серьезно паровой машиной Ватт стал заниматься после того, как зимой 1763-1764 гг. отремонтировал модель паровой машины Ньюкомена, принадлежавшую факультету натуральной философии Глазговского университета.
Паровая машина Ньюкомена была изобретена в 1711 г. и со временем нашла широкое применение для откачки воды из угольных шахт. Усовершенствованная машина Ньюкомена действовала следующим образом. В котле кипела вода. Над котлом размещался цилиндр машины, прикрепленный к балке дома. Когда поршень поднимался, в цилиндр впускали пар. После достижения поршнем верхнего положения, подачу пара перекрывали, а в цилиндр впрыскивали холодную воду. Пара конденсировалась, создавалось разрежение, и за счет атмосферного давления поршень двигался вниз - это было рабочее движение машины.
Когда Ватт отремонтировал модель машины Ньюкомена, оказалось, что она нуждается во впрыске чрезмерного количества холодной воды. Заинтересовавшись этим явлением, Ватт начал всесторонние исследования. Он пришел к выводу, что плохая работа модели по сравнению с настоящей машиной Ньюкомена обусловлена конденсацией свежего пара при впуске в цилиндр. Он провел опыты, в которых изучал основные свойства пара: связь между давлением и температурой, определение удельного объема пара, скрытой теплоты парообразования. После этого он ищет средства для уменьшения начальной конденсации пара. Решил, что для лучшего использования пара необходимо, чтобы цилиндр имел температуру пара, входящего в него, и не охлаждался. Соответственно, Ватт придумал конденсировать пар в отдельном холодильнике. Следует отметить, что, проводя опыты, Ватт советовался с Дж.Блеком.
Кроме отдельного холодильника, Ватт сделал несколько других усовершенствований: предложил для уплотнения поршня использовать воск или жиры, закрыть цилиндр сверху крышкой, через которую проходит круглый шток. Кроме того, предложил оббивать цилиндр деревом или другим утеплителем.
Реализация изобретения
В 1765 г.. Ватт строит все большие и большие модели своей машины и убеждается в правильности принятых решений, но для продолжения исследований не хватало средств. Друзья, особенно Блэк, пытались помочь Ватту, организовав поддержку какого-то капиталиста. Сначала Ватту помог друг Блэка доктор Ребук - известный химик и железозаводчик.
Соглашение, которое заключили Ватт и Ребук, предусматривало, что последний получит две трети прибыли, полученной от использования паровой машины. Вместо этого он обязался финансировать опыты с машиной и оплатить получение патента. 5 января 1769 г. Ватт получил патент на "способ уменьшения расхода пара и вследствие этого - горючего в огненных машинах». Патент был выдан на 14 лет. Было начато изготовление больших машин, но впоследствии дела Ребука ухудшились и работы прекратились.
Надо отметить, что в 1768 г. Дж.Ватт познакомился с выдающимся инженером и предпринимателем М.Болтоном - владельцем металлообрабатывающего завода в Бирмингеме - и хотел привлечь его третьим в компании, но Болтон отказался. Когда же в 1773 г. Ребук обанкротился, машина Ватта и права на будущие доходы перешли в ведение конкурсного управления кредиторов, и Болтон выкупил их. При этом он заключил соглашение с Ваттом на тех же условиях, что и Ребук: брал на себя расходы, связанные с опытами и изготовлением паровой машины, а также коммерческую сторону предприятия. Ватт же обязался проводить дальнейшие исследования и конструирование машины.
В 1774 г.. Ватт переселился в Бирмингем и с этого времени начался наиболее плодотворный период его деятельности - осуществление первоначального проекта водоподъемной машины и создание нового типа машины - специально для заводских целей.
Сначала переделали некоторые детали, собрали и запустили машину, изготовленную на заводе Ребука с цилиндром диаметром 18 дюймов (457 мм) и ходом поршня 5 футов (1,5 м). Испытания показали, что эта машина в 3-4,5 раза экономичнее, чем машины Ньюкомена.
Но прежде чем организовывать производство машин, Ватт и Болтон позаботились о продлении срока действия патента. Этот вопрос рассматривался парламентом, который продлил действие патента на 25 лет, то есть до 1800 г.
Стали поступать заказы на машины. В 1780 г. Ватт построил 40 машин, половина из которых была установлена в медных рудниках в Корнуэльсе. Болтон вел дела на заводе, а Ватту приходилось много времени проводить в Корнуэльсе - заниматься установкой машин, их запуском, испытаниями, финансовыми расчетами с владельцами приисков. Сначала производство не давало прибыли: организация производства требовала постоянных расходов. К тому же владельцы рудников платили за патент не вовремя. Против неплательщиков нарушали судебные дела, которые, как это принято в Англии, шли очень медленно и требовали затрат. Только в 1786-1787 гг. дела улучшились, в частности, были выиграны процессы против владельцев шахт относительно вознаграждений.
Были и другие трудности. В частности, на заводе не было достаточного количества хороших рабочих. Из-за отсутствия квалифицированных помощников Ватт сам проводил опыты, составлял чертежи и устанавливал свои машины. Со временем на заводе сложился «нормальный» тип водоподъемных машин простого действия (см. Рисунок), которое применялось для откачки воды.
Совершенствование паровой машины
Первым и одним из важнейших усовершенствований паровой машины стало применение расширения пара, подача пара в цилиндр не на полном ходу поршня. Патент на это изобретение Ватт взял в 1782 г.. У описании изобретения Ватт указывал на четверть хода поршня как на выгодную продолжительность впуска пара.
Чтобы паровая машина могла применяться для приведения в движение станков, необходимо было превратить колебательное движение балансира в непрерывное вращение вала. Проще всего это можно было реализовать, применив шатун с кривошипом. Но в 1780 г. какой-то Пикар взял патент на применение кривошипа в «огненных машинах». Поэтому Ватт нашел другие пути для решения проблемы, в частности, изобрел механизм, так называемое «солнечное и планетарное колесо», который применялся в машинах Ватта до окончания срока действия патента Пикара.
Далее Ватт взял патент на машину двойного действия, в которой пар давил на поршень попеременно с обеих сторон. Но создание машины двойного действия потребовало изменения способа передачи усилия от поршня к балансиру: цепная передача, которая применялась ранее, не могла передавать сжимающих усилий. Тогда Ватт создал так называемый параллелограмм Ватта.
Машина, которая предназначена для приведения в действие станков должна иметь высокую равномерность хода. Чтобы обеспечить это, Ватт изобрел автоматический регулятор - отцентровой регулятор, соединенный с дроссельным клапаном.
Впоследствии он сделал много других нововведений - применил ртутный манометр для измерения давления в котле, водомерное стекло в котлах, ртутный вакууметр в конденсаторе. Сделал также многие другие изобретения.
Впоследствии заслуги Ватта стали общепризнанными. В 1784 году его избрали членом Эдинбургского Королевского общества, в 1785 г. - Лондонского, а в 1814 г. - Парижской Академии наук.
Умер Джеймс Ватт 19 августа 1819 года.