Poskromiciel pary James Watt
Watt urodził się w Szkocji w 1736 roku. Często chorował w dzieciństwie i uczęszczał do szkoły tylko sporadycznie. Edukację pobierał w domu – częściowo pod okiem rodziców, częściowo samodzielnie, dzięki wrodzonej inteligencji. W wieku 18 lat młody mężczyzna przybył do Londynu, gdzie spędził rok, ucząc się rzemiosła wytwarzania i naprawy przyrządów pomiarowych. Oprócz dociekliwego umysłu, James miał uzdolnioną rękę, a połączenie tych dwóch cech ostatecznie uczyniło go człowiekiem o międzynarodowej sławie.
Watt rozpoczął karierę jako mechanik na Uniwersytecie w Glasgow, gdzie pracował jako konstruktor instrumentów matematycznych i zarządzał niewielkim warsztatem. To zapomniane dziś rzemiosło wymagało nie tylko dogłębnej znajomości działania dowolnego mechanizmu, ale także pewnej wiedzy naukowej. Co prawda, nie każdy potrafi zbudować teodolit, zbudować duże organy kościelne czy naprawić monumentalny zegar wieżowy. Dla Watta taka praca wydawała się prostym, nieskomplikowanym przedsięwzięciem; zdawało się, że nie ma na świecie zepsutego mechanizmu, którego jego wprawne ręce nie potrafiłyby przywrócić do życia.
Stale otoczony kręgami naukowymi i z natury dociekliwy, Watt szybko stał się człowiekiem wszechstronnym, poznając podstawy ówczesnych nauk przyrodniczych, a nawet okazjonalnie ucząc się kilku języków obcych. W wolnym czasie zajmował się filozofią i muzyką. Z biegiem lat młody mistrz rozwinął się w prawdziwego naukowca i inżyniera, a jego niewielki warsztat wkrótce przekształcił się w rodzaj klubu, w którym młodzi naukowcy spotykali się wieczorami, aby dyskutować o swoich pomysłach i natychmiast weryfikować ich słuszność poprzez eksperymenty.
Młody mistrz bardzo lubił swoją pracę na uniwersytecie, ale jego finanse były w opłakanym stanie, ponieważ Wszechmogący nie obdarzył tego utalentowanego człowieka darem zarabiania pieniędzy. Ostatecznie jednak Pan zlitował się nad Wattem: jego przyjaciel Craig zaproponował wspólne przedsięwzięcie, ponosząc koszty założenia nowego, niezależnego warsztatu i zajmując się obowiązkami administracyjnymi, dając wspólnikowi swobodę poświęcenia wolnego czasu na ulubione zajęcie – projektowanie i naprawę mechanizmów. Nowe przedsięwzięcie odniosło sukces; Craig okazał się utalentowanym administratorem, a warsztat wkrótce stał się niezwykle popularny w mieście, dosłownie zalewany zamówieniami.
Pewnego dnia jeden z profesorów zwrócił się do Watta z prośbą o wyjaśnienie, dlaczego model prymitywnego silnika parowo-atmosferycznego Newcomena, niedawno przekazany uniwersytetowi, uparcie odmawiał działania.
Inżynier podjął się zadania z właściwą sobie dokładnością i, niespodziewanie zafascynowany konstrukcją silnika, nie tylko zidentyfikował jego wady mechaniczne, ale także wprowadził znaczące ulepszenia. W silniku Newcomena para wodna skraplała się w cylindrze w wyniku wtrysku wody, a tłok wykonywał ruch roboczy z góry na dół dzięki próżni wytworzonej w cylindrze (stąd nazwa „atmosferyczny”).
Watt wprowadził do projektu dodatkowe urządzenie – skraplacz pary, który znacznie zwiększył sprawność silnika.
Stopniowo maszyna parowa całkowicie pochłonęła myśli mistrza, a Watt zaczął przeprowadzać różne eksperymenty, aby lepiej zrozumieć właściwości pary wodnej i procesy zachodzące po jej wejściu do cylindra. Sukces jego pracy znacząco wsparła pomoc fizyka Blacka, który został jego mentorem i „konsultantem naukowym”. Praca ta coraz bardziej fascynowała mechanika i wkrótce porzucił wszelkie inne zajęcia, poświęcając się wyłącznie swoim „wozom strażackim”.
W ten sposób, po dwóch latach badań, Watt wynalazł własny silnik parowy, który skromnie nazwał „ulepszonym silnikiem Newcomena”. Silnik przewyższył swój prymitywny prototyp pod względem konstrukcji i sprawności, choć nadal działał na zasadzie przerywanej (tłok wykonywał suw roboczy tylko podczas przemieszczania się z GMP do DMP, napędzany siłą generowaną przez podciśnienie w cylindrze).
Ale szczęście Watta długo go nie opuszczało; nie udało mu się zbudować prawidłowo działającego prototypu, aby jasno zademonstrować przemysłowcom zalety swojego wynalazku. Ostatecznie wydał wszystkie oszczędności na konstruowanie eksperymentalnych konstrukcji, popadł w długi, a następnie zmarła jego żona, pozostawiając wynalazcę z dwójką małych dzieci na wychowanie. W tym czasie Watt popadł w skrajną rozpacz i, w stanie obłędu, omal nie uciekł do Rosji, gdzie zaproponowano mu założenie i zarządzanie fabryką silników parowych. Przyjaciele odradzali mu jednak podróż do kraju, który uważał za całkowicie barbarzyński, gdzie (ich zdaniem) z pewnością zostałby pożarty przez wygłodniałe wilki. W ten sposób nieszczęśliwe okoliczności uniemożliwiły Rosji narodziny pierwszych masowo produkowanych silników parowych.
Krótko mówiąc, na początku maszyna parowa przyniosła wynalazcy wyłącznie kłopoty.
Ale w końcu Watt miał szczęście: jego wieloletni znajomy, inżynier przemysłowy Matthew Bolton, przekonał wynalazcę do założenia spółki joint venture i zaoferował wsparcie finansowe. I gdyby nie Bolton, niezasłużenie zapomniany historiaWatt, przytłoczony trudami życia, nigdy nie zrealizowałby swoich genialnych pomysłów. Pierwszy tak zwany „silnik jednostronnego działania” (o działaniu przerywanym) został zaprojektowany przez wynalazcę w 1765 roku, ale mniej więcej regularna produkcja silników parowych o tej konstrukcji rozpoczęła się dopiero 10 lat później. Silniki produkowane przez Watta i Boltona były dość prymitywne i służyły jedynie jako mechanizmy napędowe pomp do odprowadzania wody z kopalni węgla.
Kolejnym ważnym osiągnięciem roztropnego Boltona było nakłonienie Watta do przedłużenia wygasającego terminu jego patentu na kondensator. W 1775 roku, pod wpływem elokwentnego przemysłowca, angielski parlament, po rozważeniu wszystkich okoliczności, przedłużył ten termin o 25 lat. Zdaniem wielu historyków, całkowicie ograniczyło to możliwości innych wynalazców silników parowych i znacząco opóźniło rozwój tego ważnego przedsięwzięcia.
Dalsza modernizacja maszyny wymagała zastosowania mechanizmu przekształcającego ruch posuwisto-zwrotny tłoka w ruch obrotowy koła. Chociaż taki mechanizm istniał już w starożytności i był stosowany w tokarkach, pewien Piccard zdołał go opatentować jako swój wynalazek. Nie chcąc ugiąć się przed awanturnikiem i uzyskać patentu, genialny Watt, aby pokazać różnicę między wynalazcą a oszustem, opracował i opatentował pięć różnych mechanizmów rozwiązujących ten problem techniczny. Po latach powrócił jednak do sprawdzonego mechanizmu korbowego. Jednak i tutaj wykazał się pomysłowością i wprowadził dodatkowe ulepszenie napędu, znane później jako „równoległobok Watta”, a także wynalazł regulator odśrodkowy, który do dziś jest stosowany w maszynach tego typu.
W 1782 roku Watt dokonał najważniejszego wynalazku swojego życia, w którym jego genialne pomysły znalazły ostateczne ucieleśnienie w metalu – zaprojektował tzw. „silnik parowy dwustronnego działania”, który wówczas był jeszcze wyposażony w mechanizm przekładni planetarno-słonecznej (stosowano go w młynie parowym).
W przeciwieństwie do wcześniejszych konstrukcji, w których tłok wykonywał użyteczną pracę tylko podczas jednego suwu, a drugi marnował, w nowej maszynie praca polegała na obracaniu koła napędowego przy każdym suwie tłoka. W tej maszynie Watta suw roboczy tłoka był uzyskiwany dzięki ciśnieniu pary, a nie próżni. Mówiąc prościej, w maszynie Newcomena tłok był ciągnięty przez podciśnienie, podczas gdy w maszynie Watta był popychany przez nadciśnienie.
Rola tej maszyny okazała się kolosalna; jej konstrukcja nie tylko stała się podstawą późniejszych silników parowych, ale również posłużyła za wzór dla Lenoira przy opracowywaniu pierwszego masowo produkowanego silnika spalinowego.
Dalszym rozwinięciem twórczości wynalazcy była maszyna z przekładnią korbową:
Do 1880 roku główne patenty Watta wygasły, a twórcze inicjatywy innych wynalazców, wcześniej przez nich tłumione, zyskały szansę na dalszy rozwój. Z biegiem lat konstrukcja maszyny została udoskonalona, a konkretnie: kapryśne zawory zastąpiono jednym elementem – zaworem suwakowym – a mechanizm dźwigniowy przenoszący siłę z tłoka na wał napędowy został przeprojektowany. Ostatecznie maszyna otrzymała następującą konstrukcję.
Tłok tarczowy 6 dzielił cylinder na dwie komory. Najpierw para, pompowana z oddzielnego kotła parowego, była doprowadzana pod wysokim ciśnieniem przewodem 1 do rozdzielacza (zaworu suwakowego) 3, skąd wpadała do komory cylindra (po lewej na rysunku) przez otwór wlotowy, wywierając nacisk na tłok 6 i przesuwając go maksymalnie w prawo. Podczas suwu tłok, za pośrednictwem mechanizmu napędowego 7-11, obracał koło zamachowe 12.
Po osiągnięciu przez tłok skrajnego prawego położenia, zawór 4, pełniący funkcję mechanizmu rozrządu, przesunął się w lewo, zamykając lewy otwór dolotowy i jednocześnie otwierając otwór wylotowy pary z lewej komory 5 przez rurę 2. Ten otwór odpowietrzający udrożnił również otwór dolotowy prawej komory, umożliwiając dopływ świeżej pary do cylindra i sprężenie tłoka. Tłok wykonał drugi suw i powracając do pierwotnego położenia, ponownie napędzał koło zamachowe poprzez mechanizm napędowy, który wykonał jeden obrót w dwóch suwach tłoka. Było to podwójne działanie maszyny.
Dalszym dowodem na to, że James Watt był nie tylko mechanikiem, ale i naukowcem, jest jego wynalazek uniwersalnej miary wydajności silnika parowego: mocy w koniach mechanicznych, zdefiniowanej przez wynalazcę jako siła potrzebna do podniesienia ładunku o masie 76,04 kg na wysokość 1 metra w ciągu 1 sekundy. Jednostka ta, opracowana przez Watta w drodze licznych eksperymentów z najsilniejszymi londyńskimi końmi, pozwalała nabywcom łatwo określić, która maszyna z dostępnej oferty będzie potrzebna do wykonania zaplanowanego zadania.
Powyższe pokazuje, że Watt był niezwykłą postacią, a jego wkład w rozwój światowej technologii jest naprawdę nieoceniony.
Pomimo szybkiego rozwoju silników spalinowych w kolejnych stuleciach, nigdy nie zastąpiły one całkowicie maszyn parowych. Te starożytne dzieła rąk ludzkich przeszły szereg udoskonaleń i przetrwały do dziś. Przykładowo, ich następcy, turbiny parowe, są wykorzystywane na całym świecie w elektrociepłowniach (CHP), gdzie energia pary jest najpierw wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej, a po uwolnieniu z silnika, do podgrzewania wody, która następnie jest wykorzystywana do różnych celów, takich jak ogrzewanie budynków.
Nazwisko wynalazcy zostało uwiecznione wiele dziesięcioleci po jego śmierci w jednostce miary mocy, wacie, wprowadzonej w 1882 roku.
Informacja