蒸汽机发展演变的三个阶段

蒸汽机发展演变的三个阶段精选

已有 798 次阅读2016-7-30 09:18|个人分类:科技发展史|系统分类:科普集锦

《全球通史》作者L.S.斯塔夫里阿诺斯说，“蒸汽机的历史意义，无论怎样夸大也不为过。”蒸汽机的出现使人类从依靠人力、畜力等原始动力中解脱了出来，实现了机器大生产，带领人类进入蒸汽时代。本文将蒸汽机的演变划分了三个重要阶段，并以图例方式展示了自蒸汽机逐步改进和演变的过程。

第一阶段蒸汽机主结构形成

利用蒸汽实现机械做功可追溯到公元1世纪古希腊力学家希罗发明的汽转球，它由一个空心球（连有两个出汽口）和一个密闭锅（加热水变成蒸汽）组成，在空心球和密闭锅之间用两根管子相连，同时也是空心球的支撑（见下图）。当水沸腾后变成水蒸气经连接管进入到空心球中，此时蒸汽将从两个喷汽口喷出，在水蒸汽的反作用力下空心球就转了起来，便成为汽转球。但汽转球只是一种玩具，

并没有什么实用价值。

汽转球

引领17-19世纪工业革命的蒸汽机，起源于1679年法国物理学家帕平（Denis Papin，1647-1713）发明的高压锅时采用了杠杆式安全阀，利用杠杆原理，在远端施加重物，而汽压推动汽阀的力点为短力臂，利用杠杆原理，当高压锅压力超过设计值时，可推动汽阀向上运动，以排出部分压力，平衡后又落回远处。1690年帕平根据安全阀的工作原理发明了活塞式蒸汽机，不过帕平只是对设计原理进行了思考，并没有真正制造出可使用的蒸汽机，但他的工作却开创蒸汽机的研究。

帕平设计的高压锅，杠杆式安全阀是其主要构件

杠杆式安全阀，在B端安装重物，汽阀C处受压力，利用杠杆平衡通过即可获得高压锅中的

压力

通过观察蒸汽阀的运动，设计了活塞式蒸汽机

后来，英国发明家和工程师塞维利（Thomas Savery， c.1650–1715）仔细对帕平设计方案进行了研究，由于当时缺乏制造良好密闭性活塞的制造工艺，塞维利舍去了帕平的活塞结构。塞维利机主要由两个部分组成：一是锅炉，二是密闭的工作容器。先通过锅炉把水加热，使蒸汽充满工作容器，然后关闭入汽孔，使工作容器中水蒸气冷凝，形成局部真空，当该容器与矿井下水相连时，通过外部大气压，就可以把水“吸”到高处，其实是靠大气压力把水压上来的，所以水的提升高度和大气压力有关，在9m左右。为了把水送到更高的地方，塞维利又专门设计了一个蒸汽压力装置把水送到更高的地方，这就是塞维利机，被命名为“矿山之友”。并申请了世界上第一个蒸汽机专利。

塞维利机

塞维利蒸汽机问题很多：效率很低，为了维持机器的运转需要烧很多的煤，好在它本身就是用于煤矿抽水的，煤有的是。但它靠压力输送水，又当时材料制造和焊接工艺的不足使得时有管道发生断裂和爆炸，同时依靠大气压提水，最高提升

高度约为9.1m限制了塞维利机的使用。不过，塞维利总是人类的第一台实用蒸汽机并申请了专利。当塞维利请帕平（此时，帕平是英国皇家学会的会员）对他的蒸汽机予以鉴定时，帕平意识到了塞维利机的不足提出了重大的改进意见，但塞维利也不认为帕平的建议可行而不同意改进。后来，帕平根据自己的理解更新了设计，但由于他已因研制蒸汽机而破产，因此他向皇家学会申请15英镑的研究经费来改进锅炉，以证明新设计比塞维利机要优越时，但塞维利从中百般阻挠，致使帕平的合理要求遭到拒绝。

帕平蒸汽机的第二版，将蒸汽机引入汽缸中（从有往左第2个容器），靠活塞推动水升高，大概帕平和塞维利的矛盾主要在于使用还是不使用活塞结构

帕平和塞维利的不和谐最后由纽可门（纽可门的资料很少，职业虽说是锻工，实际上在当时也就是我们熟知的铁匠，有说法说纽可门曾受雇于塞维利）进行了协调统一。大约在1712年，纽可门综合了帕平的气缸活塞和塞维利靠冷凝蒸汽形成真空抽水的优点，将抽水的工作机构和提供动力的蒸汽机完全分开，这一分离标志着纽可门蒸汽机的完成，纽可门机在当时非常成功，连续使用了有60多年，在瓦特蒸汽机出现以后，还使用了很长一段时间。但可惜的是，由于当时申请专利需要昂贵的费用，纽可门机并没有申请专利，这或许也为纽可门机的广泛使用提供了条件，纽可门机成为煤矿抽水的必备设备，以至于大学里都在教授纽可门机的工作原理（这为瓦特的出厂准备了条件）。纽可门机的出现标志着蒸汽机革新中第一阶段工作的完成，纽可门机一直使用到18世纪60年，瓦特对纽可门机的改进标志着蒸汽机的演变进入第二阶段。

纽可门机

第二阶段瓦特对蒸汽机的不断改进

瓦特于蒸汽机结缘，得益于格拉斯哥大学（University of Glasgow）的三位教授，Joseph Black和Adam Smith，以及后来的John Robison，他们为瓦特提供了一份维修和制作天文仪器的工作，并提供了一个小的工作车间。1763年瓦特被要求去修理一台学校的纽可门模型机，用于教学使用，此前在伦敦维修没有修好，瓦特很快就修了。瓦特的可贵之处在于他修好之后，还对其工作原理、热机效率、制造工艺等一系列问题进行了深入思考，在经过很多实验后，瓦特验证了大约在气缸每次循环中有大约四分之三的蒸汽热量被白白地浪费，而且由于每次循环都向气缸喷入冷水不能连续工作。

1769年瓦特考虑如果单独设计一个冷凝装置，就不需要使汽缸的温度降到常温再重新加热，这样就可以提高热机效率，按照他的设计可将蒸汽机的效率提高3倍。依照这一思路，瓦特设计了带有分离式冷凝器的蒸汽机，瓦特为分离式冷凝器申请了专利保护，成为他的第1项专利。

瓦特蒸汽机冷凝器与汽缸分离

1775年，瓦特与合伙人马修.博尔顿（Matthew Boulton,1728–1809），Soho 铸造厂的老板开始合作成立了“博尔顿-瓦特公司”，并将分离式冷凝蒸汽机投入生产，其煤耗不到纽可门机的 1/3。1781年，瓦特公司的雇员威廉•默多克（William Murdoch）发明了一种称为“太阳与行星”的曲柄齿轮传动系统，并以瓦特的名义成功申请了专利。此时，瓦特蒸汽机输出的不再是活塞的往复运动而是旋转运动，为其成为动力机奠定了基础。