Иван Иванович Ползунов - первый русский теплотехник

Итак, время, в которое Ползунов сделал свое замечательное изобретение, относится к началу истории города Барнаула. В 1727 году на речке Белой у подножья Колыванских гор, приписными людьми Акинфия Демидова был построен первым на Алтае медеплавильный завод, Назвали этот завод Колывано-Воскресенским, по имени близ расположенного озера Колыван и Воскресенского рудника. Через 12 лет начали строить другой завод, в устье речки Барнаулки. Барнаульский завод предназначался для плавки серебросодержащих руд, которые добывали в Змеиногорском руднике. В 1747 году все заводы и рудники Демидова на Алтае перешли в собственность русских царей. В новое царское поместье, названное Колывано-Воскресенскими заводами входили, по современному административному делению, Алтайский край, Новосибирская, Томская, Кемеровская области и часть восточных областей Казахстана. Общая территория составляла 443 тыс. км2, что равняется примерно площади Швеции. Центром был Барнаульский завод, при котором находилось Канцелярия Колывано-Воскресенских заводов, которая подчинялась непосредственно управлению всеми императорскими имениями - "Кабинету ее величества". В декабре 1747 г. по пути на Алтай, Беэр остановился в Екатеринбурге. Пользуясь предоставленным ему правом, он отобрал здесь для царских заводов большую группу горных специалистов. В их число и вошел 18-летний механик ученик Иван Ползунов. К тому времени он отучился 6 лет в словесной, а затем в арифметической школе при Екатеринбургском металлургическом заводе, что по тем временам было совсем немало. Из школы его, как лучшего из лучших, взял в ученики сам механик заводов Урала и Сибири Никита Бахорев и за 5 лет работы у него Ползунов многого достиг. В Барнауле молодой Ползунов получил должность гиттеншрейбера, т.е. плавильного писаря. Работа эта не только техническая, т.к. юноша узнавал, сколько и какой руды, угля, флюсов нужно для плавки в той или иной печи, знакомится, хотя и теоретически с режимом плавки. Одаренность молодого гиттеншрейбера была столь очевидна, что привлекала внимание заводского начальства. Менее чем через 3 года после переезда в Барнаул, 11 апреля 1750 г., по представлению одного из руководителей заводов и крупнейшего знатока горнозаводского дела, Самюэля Христиани, Ползунов был произведен в младший шихтмейстерский чин с увеличением оклада до 36 руб. в год. Одновременно с новым производством было постановлено, чтобы Христиани обучил Ползунова настолько, чтобы Ползунов " .мог быть достоин к производству в обер-офицерский ранг". Постановление объявляло Ползунову " . что ежели он упомянутые науки познает и в том числе искустен усмотрится, то имеет быть определен ему старший унтершихтмейстрерский оклад, и сверх того повышением чина оставлен не будет". Это решение, предоставлявшее Ползунову возможность осуществить его стремление к учению, не было реализовано. Христиани, занятый управлением заводами, возложенным на него после смерти Андреаса Беэра в мае 1751 г., стремился использовать Ползунова как надежного и добросовестного работника на разнообразных хозяйственных работах. Нехватка людей, особенно специалистов, была бичом Колывано-Воскресенских заводов. Многие работники умирали из-за плохого питания (хлеб доставлялся с перебоями за сотни верст), бытовой неустроенности, отсутствия медицинской помощи. 26 июня 1750 г. младший унтершихтмейстер Иван Ползунов получил задание проверить, правильно ли выбрано место для пристани на реке Чарыше, выше деревни Тугозвонной (ныне Чарышского района), а также измерить и описать дорогу до Змеиногорского рудника. К тому времени там скопились огромные кучи руды, которую не успевали вывозить. Ползунов осмотрел место для пристани, а затем прошел с мерной цепью до самого рудника. Он намерил 85 верст 400 сажен, всю трассу обозначил кольями, наметил даже "зимовья" - удобные места для ночевки обозов с рудой. Длина будущей дороги оказалась в 2 раза короче действующей рудовозной.

"Пильная "мельница в Змеиногорске По результатам поездки он "учинил" чертеж с подробным описанием, показав себя еще и прекрасным чертежником (этот чертеж до сих пор хранится в госархиве Алтайского края). На завод Ползунов вернулся в июле, а в августе вновь был послан на Красноярскую пристань, где на сей раз пробыл целый год. Осенью он строил рудный сарай, караульную избу для солдат охраны, зимой принял от крестьян-возчиков пять тыс. пудов руды, а весной организовал ее отправку по Чарышу и Оби на Барнаульский завод; в гиттенштейбургскую он вернулся лишь осенью. 21 сентября 1751 г. Ползунов вместе со своим напарником А.Беэром вновь подали совместное прошение в Канцелярию с просьбой и напоминанием об обещании обучать их горным наукам. Но лишь в ноябре 1753 г. Христиани выполняет, наконец, его просьбу. Он определяет его смотрителем за работой плавильщиков на целых полгода, а затем на Змеиногорский рудник. Это и было учебой. Приходилось учиться у плавильной печи, в руднике, перенимая опыт и знания у практиков, ведь ни вузов, ни техникумов, ни даже школ на Алтае в ту пору не было, как не было технической литературы на русском языке. Кроме изучения различных горных работ Ползунов именно здесь впервые проявил себя как изобретатель. Он принял участие в постройке близ плотины новой лесопилки. Пильная мельница была первым заводским сооружением, возведенным под руководством И.И.Ползунова. Она представляла одно из наиболее сложных технических сооружений того времени. От вращающегося водяного колеса осуществлялась передача двум лесопильным рамам, к "саням", на которых перемещались распиливаемые бревна, и к бревнотаске. Механизм передачи представлял сложный комплекс движущихся деталей, в состав которого входили: кулачковая передача, зубчатая передача, валы, кривошипы, шатуны, храповые колеса, канатные вороты. Здесь Ползунов получил практическую школу по конструированию и монтажу сложных передаточных механизмов, содержащих элементы автоматизации. Очень интересным было решение Ползунова о расположении лесопилки не у плотины, а в некотором отдалении от реки Змеевки на деривационном (отводном) канале. В ноябре 1754 года Ползунов был определен на завод вести "раскомандировку мастеровым и работным людям в работы", а также "чинить над всеми работами надзирание". Наряду с этим Христиани по-прежнему не обходил его поручениями, порой довольно неожиданными. Вот одно из них. В январе 1755 года в верховьях заводского пруда вступил в действие стекольный завод. На нем работали два присланных из центральной России "стеклянных" мастера. Поначалу изготовленная ими посуда оказалась с "туманом", малопрозрачной - явный брак. Выявить причину брака "стеклянные" мастера не сумели. Тогда это поручили Ползунову. Он безотлучно провел на заводе около месяца, дотошно вникая во все мелочи совершенно незнакомой ему технологии варки стекла и разгадал-таки загадку! Посуда потому туманилась, что ее неправильно охлаждали. Можно без преувеличения сказать, что Ползунов к этому времени завоевал у начальства такой авторитет, какого не имел ни один из его товарищей унтершихтмейстеров, Вот убедительное тому доказательство. В январе 1758 года намечалась отправка в Петербург очередного каравана с серебром. Доверить такой груз, а это ни много ни мало 3600 кг серебра и 24 кг золота, можно было только офицеру. Но их к тому времени оказалось в наличии всего четверо. Обойтись без любого из них восемь - десять месяцев (столько времени занимала поездка в столицу) было "не можно" без ущерба для дела. И Канцелярия придумала такой выход; караванным офицером назначили армейского капитана Ширмана, а поскольку он был не в курсе заводских дел, в помощь ему на случай, "если что спроситца, ясно и пространно донести мог . способным был признан унтершихтмейстер Ползунов". Ему же был вручен для передачи в Кабинет, пакет с документами, а также большая сумма денег для закупки нужных заводу товаров. Поездка эта была вдвойне, втройне радостной для Ползунова. Он получил возможность побывать, хотя и проездом, в родном Екатеринбурге, посмотреть столицу, Москву, Россию. На 64-е сутки караван прибыл в Петербург. Сдать драгоценные металлы было доверено опять же Ползунову. Принимал их лично директор Монетного двора Иоганн Вильгельм Шлаттер (по-русски Иван Андреевич), крупнейший в России специалист в области горного, монетного дела, металлургии. После Петербурга Ползунов еще три месяца задержался в Москве, чтобы закупить заказанные Канцелярией товары. Здесь он и нашел свое личное счастье - познакомился с молодой солдатской вдовой Пелагеей Поваляевой. В Сибирь они отправились вдвоем. В январе 1759 года Ползунов был направлен на Красноярскую и Кабановскую пристани руководить приемом руды. Здесь он и получил в марте письмо от Христиани, которое начиналось так: "Благороднейший и почтенный господин шихтмейстер"! Надо ли говорить, какие чувства вызвали у Ползунова эти слова ? Они означали, что пришел, наконец, долгожданный указ Кабинета! Он стал шихтмейстером! Сбылась заветная мечта, увенчались успехом десять лет беспорочной службы! . Почему Ползунов так стремился в офицеры? Им двигало не честолюбие, хотя, наверно, было и оно. Но главное заключалось в том, что теперь он переходил из податного, бесправного, "подлого" сословия в привилегированное, становился дворянином, "вашим благородием", свободным человеком. Его уже никто не мог подвергнуть телесному наказанию, оскорбить, даже сказать "ты". Снимались ограничения по службе, теперь он мог в полную силу развернуть свои возможности, знания, энергию, словом, принести больше пользы Отечеству. Наконец, не последнюю роль для него, теперь семейного человека, играла и материальная сторона: оклад жалования увеличился втрое, появился денщик . Ползунов был переведен на "настоящую" офицерскую должность - комиссар Колыванского завода "у прихода и расхода денежной казны" или, применительно к нынешним понятиям, заместителем управляющего заводом по хозяйственной части. Между тем дела на Колывано-Воскресенских заводах начали приходить в упадок. Так, если в год смерти Беэра в 1751 г. выплавка серебра достигла 366 пудов, то к 1760 году она снизилась до 264 пудов. С такой потерей доходов Кабинет, а точнее коронованная хозяйка заводов, мириться не хотела. В октябре 1761 г. начальник заводов А.И.Порошин, незадолго перед тем произведенный в генерал-майоры, был возвращен на Алтай. Он привез с собой целый пакет мер "для улучшения заводов", разработанных Кабинетом (с его участием) и одобренных императрицей. Одной из этих мер было строительство нового сереброплавильного завода. Возникает вопрос - а не проще ли было увеличить мощность действующих – Барнаульского и Колыванского? В том-то и дело, что - нет. Мощность завода ограничивалась числом водяных колес или, другими словами, запасом воды в пруду. Заводу требовался также большой запас леса поблизости для выжигания древесного угля (каменный использовать тогда не умели). Речка и лес являлись непременным условием для строительства завода, причем годилась не каждая речка, а только не очень широкая и не очень быстрая с крепкими (не песчаными) берегами. Найти такое место близ Змеиногорского рудника было непросто. Не случайно Барнаульский завод находится 240 верстах от него. С приездом А.И.Порошина поиски приобрели широкий размах. В них были привлечены все горные офицеры, не привлекался лишь И.И.Ползунов. Незадолго перед тем он возглавил повытье (контору) "у лесных и куренных дел" Барнаульского завода, ему дали время освоиться с новой хлопотной должностью. Но он не захотел оставаться в стороне от того, чем жило все "горное общество", тоже искал выход, только мысли его пошли в другом направлении: как преодолеть рабскую зависимость горно-заводского производства от водяного колеса? В апреле 1763 г. он положил на стол начальника завода неожиданный и дерзкий проект "огненной" машины. И.И.Ползунов предназначал ее для приведения в действие воздуходувных мехов; а в дальнейшем мечтал приспособить "по воле нашей, что будет потребно исправлять", но сделать это не успел ." Чтобы по достоинству оценить творческий подвиг И.И.Ползунова, вспомним, что в то время в России ни одного парового двигателя еще не было. Единственным источником, из которого ему стало известно, что есть такой на свете, было книга И.В.Шлаттера "Обстоятельное наставление рудокопному делу", изданная в Петербурге в 1760 году. Но в книге были только схема да принцип действия одноцилиндровой машины Ньюкомена, о технологии же ее изготовления - ни слова. И.В.Шлаттеру и в голову не пришло, что такие сведения в России могут кому-нибудь понадобиться. Можно без преувеличения сказать, что Ползунов позаимствовал у И.В.Шлаттера лишь идею пароатмосферного двигателя, до всего остального додумался сам. Необходимые познания о природе теплоты, свойствах воды, воздуха, пара он почерпнул из трудов М.В.Ломоносова. Трезво оценивая трудности осуществления совершенно нового в России дела, Ползунов предлагал построить вначале в порядке эксперимента одну небольшую машину разработанной им конструкции для обслуживания воздуходувной установки (состоявшей из двух клинчатых мехов) при одной плавильной печи. На чертеже, приложенном к записке, в объяснительном тексте установка, согласно первому проекту Ползунова, включала: котел - в общем той же конструкции, которая применялась в ньюкоменовских машинах; пароатмосферную машину, состоявшую из двух цилиндров с поочередным движением в них поршней ("эмволов") в противоположных направлениях, снабженных парораспределительной и водораспределительной системами; резервуары, насосы и трубы для снабжения установки водой; передаточный механизм в виде системы шкивов с цепями (от балансира Ползунов отказался), приводящей в движение воздуходувные меха. Водяной пар из котла поступал на поршень одного из рабочих цилиндров. Этим выравнивалось давление атмосферного воздуха. Давление пара лишь незначительно превышало давление атмосферного воздуха. Поршни в цилиндре были соединены цепями, и при подъеме одного из поршня второй опускался. Когда поршень достигал верхнего положения, доступ пара автоматически прекращался, и внутрь цилиндра вбрызгивалась холодная вода. Пар конденсировался и под поршнем образовывался вакуум (разреженное пространство). Силою атмосферного давления поршень опускался в нижнее положение и тянул за собою поршень во втором рабочем цилиндре, куда для уравнивания давления впускался пар из того же котла автоматом, действующим от передаточного механизма двигателя. Тот факт, что поршни с системой передачи движения были связаны цепями, показывает, что при подъеме поршней по цепи нельзя было передавать движения (цепь при этом не натянута). Работали все части двигателя за счет энергии опускающегося поршня. т.е. того поршня, который двигался под действием атмосферного давления. Пар не производил полезной работы в двигателе. Величина этой работы зависела от затраты тепловой энергии на протяжении всего цикла. Количество затраченной тепловой энергии выражало собою величину потенциальной энергии каждого из поршней. Это - сдвоенный паро-атмосферный цикл. Ползунов отчетливо представлял принцип работы теплового двигателя. Это видно на примерах, которыми он характеризовал условия наилучшей работы изобретенного им двигателя. Зависимость работы двигателя от величины температуры воды, конденсирующей пар, он определял следующими словами: "действие эмволов и их подъемы и спуски тем сделаются выше, чем в фанталах будет вода холоднее, а паче от такой, которая близ пункта замерзания доходит, а еще не сгустеет и от того во всем движении многую подаст способность". Это положение, известное ныне в термодинамике в качестве частного случая одного из основных ее законов, до Ползунова еще не было сформулировано. Чтобы понять его значение, переведем слова Ползунова на современный нам язык: работа теплового двигателя будет тем больше, чем ниже будет температура воды, конденсирующей пар, а особенно при достижении ею точки затвердевания воды 0 ОС. Двигатель Ползунова в его проекте 1763 года предназначался для подачи воздуха в плавильные печи воздуходувными мехами. Одновременно с этим он приводил в действие поршни водяных насосов, подающих воду в верхний бассейн для питания "фонтанов" внутри цилиндров в момент конденсации пара. Таким образом, двигатель мог приводить в действие два разных механизма - водяные насосы и воздуходувные мехи, чего не делала до него ни одна машина в мире. Кроме того, он мог приводить в действие молоты, рудодробилки, и многие другие заводские и рудничные механизмы. При желании двигатель легко мог совершать вращательные движения с помощью широко известного в России кривошипного механизма. Проект Ползунова был рассмотрен канцелярией Колывано-Воскресенских заводов и получил высокую оценку со стороны начальника заводов А.И.Порошина. Порошин указывал, что если Ползунов возьмется сделать машину, годную для обслуживания нескольких печей сразу, если он построит машину, пригодную для выливки воды из рудников, то Канцелярия охотно поддержит его замыслы. Окончательное решение этого вопроса оставалось за Кабинетом и хозяйкой заводов - Екатериной II. Проект был направлен в Петербург, но ответ Кабинета был получен в Барнауле только через год. Указом Кабинета от 19 ноября 1763 г. императрица пожаловала изобретателя в "механикусы" с чином и званием инженерного капитан-поручика. Это означало, что Ползунову теперь было обеспечено жалование в 240 рублей годовых, с добавлением на двух денщиков и содержание лошадей он получал 314 рублей. Ему было обещана награда в 400 рублей. Все это - немалая милость. Она еще раз свидетельствует о том, что императрица Екатерина любила поддерживать свою славу покровительницы наук и искусств. Но размеры поощрения еще раз подтверждают, что значение изобретения Ползунова не поняли в Петербурге. Для подтверждения можно привести такой факт: когда тезка Ползунова Иван Кулибин преподнес императрице сделанные им оригинальные часы, он получил в подарок 1000 рублей. Когда он сделал модель моста через Неву в один пролет, то был награжден такой же суммой и был осыпан другими поощрениями. После апробации моста Кулибин получил в награду еще 2000 рублей. Иван Кулибин, был конечно высокоодаренный механик, но все-таки его изобретения нельзя поставить рядом с машиной Ползунова. Говоря о роли и значении первого проекта "огненной машины" в мировой истории техники, следует с уверенностью заявить следующее: если бы Ползунов вообще ничего не построил и ничего не спроектировал, а только оставил бы набросок своего первого проекта, то и этого было бы достаточно, чтобы преклоняться перед его гениальным замыслом. Пока Кабинет рассматривал проект двигателя, Ползунов, не теряя времени, работал над проектом второй очереди. Он конструировал мощный тепловой двигатель на 15 плавильных печей. Это была уже настоящая теплосиловая станция. Ползунов не просто увеличивал масштабы двигателя, а вносил в него ряд существенных изменений. Уже после того, как проект мощного двигателя был закончен, Ползунову стало известно, что Кабинет, ознакомившись с его первым проектом, присвоил ему звание механика и постановил выдать 400 рублей в награду, но никакого решения по существу вопроса не принял. Несмотря на такую позицию Кабинета, начальник Колывано-Воскресенских заводов А.И.Порошин разрешил Ползунову приступить к исполнению первой очереди проекта. В марте 1764 года И.И.Ползунов предложил начать строительство большого теплового двигателя. Порошин согласился с этим предложением. Так на Барнаульском заводе началось строительство первой в мире универсальной теплосиловой установки. Это было серьезное решение, хотя бы потому, что обойдется машина ничуть не дешевле, чем постройка нового завода. От Ползунова потребовали заявку на рабочую силу и материалы. Он представил ее в конце марта. Но это была заявка уже на другую машину, более мощную, чем в первом проекте. Почему? Видимо, события последних месяцев заставили изобретателя взглянуть на все иначе. Слишком дорогой ценой добился он разрешения на постройку. Пожалуй, вряд ли еще раз в жизни представится такая возможность . Конечно, Ползунов осознавал, что без достаточного опыта создать большую машину для привода воздуходувных мехов, обеспечивающую 6-9 плавильных печей, дело нелегкое. И все-таки решился на это. Еще не приступив к строительству машины, изобретатель столкнулся с трудностью: отсутствие способных воплотить его замыслы людей и потребных для строительства инструментов, механизмов. Предстояло построить первый в России паровой двигатель, но не было ни специалистов, способных возглавить строительство, ни квалифицированных рабочих, знакомых с устройством подобных двигателей. Сам Ползунов, принявший на себя обязанности общего руководителя работ, в какой-то мере решил проблему технического руководства, но именно, "в какой-то мере", потому что руководить одному человеку столь новым и сложным техническим предприятием было не под силу. Не менее трудной оказалась и проблема подбора рабочих. Требовались опытные модельщики, литейщики, кузнецы, слесари, столяры, обжигальщики, специалисты по медному и паяльному делу. По подсчетам Ползунова в сооружении двигателя должны были принять непосредственное участие 76 человек, в том числе 19 высококвалифицированных мастеров. Заполучить таких специалистов на месте представлялось невозможным. Оставался единственный выход; вызвать специалистов с Урала - настоящей кузницы технических кадров. Трудности в приобретении строительных инструментов и механизмов оказались еще более непреодолимыми. По замыслу изобретателя "вся машина должна быть сделана из металла", что неизбежно требовало наличия специального металлообрабатывающего оборудования, которым Россия почти не располагала. Дело усугублялось тем, что строили двигатель на Алтае, а это был район с развитым меде- и сереброплавильным производством, но отсталой литейной, кузнечной и металлообрабатывающей техникой. Предчувствия не обманули изобретателя. Канцелярия полностью утвердила лишь соображения о потребном количестве материалов. Не желая тратить деньги на вызов опытных мастеров с далекого Урала, заводское начальство выделило Ползунову четверых учеников, которых он знал и просил определить к нему, двух отставных мастеровых да четверых солдат для охраны места строительства. Остальных мастеровых (свыше 60 человек) Канцелярия постановила назначать в распоряжение Ползунова по мере надобности, "сколько, когда у него, Ползунова, работы случиться". Во время строительства машины это "по мере надобности" являлось источником постоянных трудностей. Решение канцелярии выдвинуло перед изобретателем новые трудности. Четверо малолетних учеников - Овчинников, Левзин, Черницын и Вятченин - напоминали ему свою собственную юность, жизнь начинающего "механического ученика". Отставные же мастеровые Медведев и Бобровников с годами одряхлели и настолько лишились сил, что за немощь их отстранили от заводской работы. Таким образом, вместо семидесяти шести человек Ползунову вверили десятерых. Только потом определили еще несколько приписных крестьян. Но и при таких обстоятельствах изобретатель не дрогнул, не отступил. Его дело было делом жизни. Когда пришлось выбирать между спокойным существованием заурядного заводского служащего и полной трудностей, сопряженной с риском жизнью механика-машиностроителя, он выбрал второе. Машина строилась сразу в двух местах. Отливка и обработка цилиндров, поддонов и других крупных частей производилась в одном из цехов Барнаульского завода, где можно было использовать водяное колесо, токарные, плющильные (прокатные) станки, вододействующие молоты для изготовления сферических медных листов для сборки котла; мелкие детали отливались и отковывались в помещении временно закрытого стекольного завода, где специально для этой цели была построена небольшая плавильная печь с кузнечным горном при ней. Завод находился в верховьях пруда, в трех верстах от поселка. Эти версты Ползунову приходилось мерить не по разу в день. Такая нагрузка могла вымотать и здорового человека, а ведь у него развивалась чахотка .