蒸汽机发展史

年少时总听到这样的故事：有一天瓦特看到烧开的水壶的盖子被不断的顶起来，于是发明了蒸汽机。而事实上正真的发明者是英国工程师纽科门。

纽科门幼年仅受过初等教育，少年时代做过锻工。17世纪80年代同卡利合伙经营铁器，后来共同研制蒸汽机，并于1705年取得“冷凝进入活塞下部的蒸汽和把活塞与连杆联接以产生运动”的专利权。此后，纽科门继续改进蒸汽机，于1712年首次制成可供实用的大气式蒸汽机，被称为纽科门蒸汽机。这台蒸汽机的汽缸活塞直径为30.48厘米,每分钟往复12次，功率为5.5马力。但热效率低，燃料消耗量大，仅适用于煤矿等燃料充足的地方。

而瓦特呢？直到1757年，瓦特才得到了格拉斯哥大学的教授提供的一个机会，让他在大学里开设了一间小修理店，瓦特的小店开业4年后，在朋友罗宾逊教授的引导下，瓦特开始了对蒸汽机的实验。直到此时，瓦特也还从未亲眼见过一台可以运转的蒸汽机，但是他开始建造自己的蒸汽机模型。初步的实验失败了，但是他坚持继续实验并且阅读了所有他能找到的有关蒸汽机的材料，独立地发现了潜热的重要性（尽管这在好几年前就被布莱克教授发现了，但瓦特当时并不知情）。1763年，瓦特得知格拉斯哥大学有一台纽科门蒸汽机，但是正在伦敦修理，他请求学校取回了这台蒸汽机并亲自进行了修理。修理后这台蒸汽机勉强可以工作，但是效率很低。经过大量实验，瓦特发现效率低的原因是由于活塞每推动一次，气缸里的蒸汽都要先冷凝，然后再加热进行下一次推动，从而使得蒸汽80%的热量都耗费在

维持气缸的温度上面。1765年，瓦特取得了关键性的进展，他想到将冷凝器与气缸分离开来，使得气缸温度可以持续维持在注入的蒸汽的温度，并在此基础上很快建造了一个可以运转的模型。

但是要想建造一台实际的蒸汽机还有很长的路要走。首先是资金，布莱克教授提供了一些帮助，但更多的资助来自于约翰•罗巴克（John Roebuck）。罗巴克是一位成功的企业家，著名的卡伦钢铁厂的拥有者，在罗巴克的赞助下，瓦特开始了新式蒸汽机的试制，并成为新公司的合伙人。试制中的主要困难还在于活塞与气缸的加工制造工艺上。当时的工艺水平下钢铁工人更像是铁匠而不是机械师，所以制造的结果很不满意。此外由于当时的相关专利申请需要国会的认可，大部分的资金都花费在相关程序上。由于资金的短缺，瓦特不得不另找了一份运河测量员的工作，并一干就是8年。这之后，罗巴克破产，相关专利都由伯明翰一间铸造厂老板马修•博尔顿接手。瓦特与博尔顿从此开始了他们之间长达25年的成功合作。

与博尔顿的合作，使得瓦特得到了更好的设备资金以及技术上的支持，特别是在加工制造工艺方面。新型蒸汽机制造的一个主要困难在于活塞与大型气缸的密合，这个问题最终被约翰•威尔金森（John Wilkinson）解决，他在改进加农炮的制造时提出了一种新的精密镗孔加工技术，可以用于蒸汽机的制造。终于在1776年，第一批新型蒸汽机制造成功并应用于实际生产。这批蒸汽机由于还只能提供往复直线运动而主要应用于抽水泵上。在之后的5年中，瓦特赢得了大量的订单并忙于奔波于各个矿场之间安装由这种新型蒸汽机带动的水

泵。

在博尔顿的要求下，瓦特开始继续研究如何将蒸汽机的直线往复运动转化为圆周运动，以便使得蒸汽机能为绝大多数机器提供动力。一个显而易见的解决办法是通过曲柄传动，但是该项专利所有人，约翰•斯蒂德(John Steed)要求同时分享瓦特此前的分离冷凝器的专利，这一要求被瓦特坚决地拒绝了。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。这一发明绕开了曲柄专利的限制，极大地扩展了蒸汽机的应用。

之后的6年里，瓦特又对蒸汽机作了一系列改进并取得了一系列专利：发明了双向气缸，使得蒸汽能够从两端进出从而可以推动活塞双向运动，而不是以前那样只能单向推动；使用节气阀门与离心节速器来控制气压与蒸汽机的运转；发明了一种气压示工器来指示蒸汽状况；发明了三连杆组保证气缸推杆与气泵的直线运动。由于担心爆炸的危险以及泄露问题，瓦特的早期蒸汽机都是使用低压蒸汽，后来才引进了高压蒸汽。所有这些革新结合到一起，使得瓦特的新型蒸汽机的效率是过去的纽科门蒸汽机的5倍。