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發明歷史

世(shi)界(jie)上第一臺蒸汽(qi)(qi)機(ji)是(shi)由古希臘(la)數學家亞(ya)歷山大港的(de)希羅(luo)（Hero of Alexandria）于(yu)公元(yuan)1世(shi)紀(ji)發(fa)明(ming)的(de)汽(qi)(qi)轉球（Aeolipile），這是(shi)蒸汽(qi)(qi)機(ji)的(de)雛形。

約1679年法國物理學家(jia)丹尼斯·巴本在觀察蒸汽逃離他(ta)的高(gao)壓鍋后制造了(le)第一臺蒸汽機的工作(zuo)模(mo)型。同時(shi)代的薩繆爾·莫蘭也提出了(le)蒸汽機的主意。

1698年托馬(ma)斯(si)·塞(sai)維(wei)利(li)和1712年托馬(ma)斯(si)·紐(niu)科門制造了(le)(le)早期的(de)(de)工業蒸(zheng)汽機(ji)，他們對蒸(zheng)汽機(ji)的(de)(de)發(fa)展都做出(chu)了(le)(le)自己(ji)的(de)(de)貢獻。1807年羅伯特·富爾頓第(di)一(yi)個(ge)成(cheng)功地(di)用(yong)蒸(zheng)汽機(ji)來驅動輪船。瓦(wa)特運(yun)用(yong)科學(xue)理論(lun)，逐漸發(fa)現了(le)(le)這種蒸(zheng)汽機(ji)的(de)(de)毛病所在。從1765年到1790年，他進行了(le)(le)一(yi)系列發(fa)明，比(bi)如(ru)分離式冷凝器(qi)、汽缸(gang)外(wai)設置絕熱(re)層、用(yong)油潤滑(hua)活塞(sai)、行星(xing)式齒輪、平行運(yun)動連桿機(ji)構、離心式調速器(qi)、節氣閥、壓力計(ji)等等，使蒸(zheng)汽機(ji)的(de)(de)效率(lv)提高到原來紐(niu)科門機(ji)的(de)(de)3倍多，最終發(fa)明出(chu)工業用(yong)蒸(zheng)汽機(ji)。

16世(shi)紀(ji)末到17世(shi)紀(ji)后期，英(ying)(ying)國的(de)(de)(de)采礦業，特別(bie)是(shi)煤礦，已發展到相當的(de)(de)(de)規模，單(dan)靠人力(li)、畜力(li)已難以滿足排(pai)除礦井地下水(shui)的(de)(de)(de)要求，而現場又有豐富而廉價的(de)(de)(de)煤作為燃料。現實的(de)(de)(de)需要促使許多人，如英(ying)(ying)國的(de)(de)(de)帕(pa)潘、薩(sa)弗里、紐科門等就(jiu)致力(li)于(yu)“以火力(li)提(ti)水(shui)”的(de)(de)(de)探索和試驗。

最初的真(zhen)空(kong)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機被用來(lai)(lai)將礦(kuang)井(jing)里(li)的水(shui)抽出來(lai)(lai)。紐(niu)科門的蒸(zheng)汽(qi)(qi)機將蒸(zheng)汽(qi)(qi)引(yin)入(ru)(ru)氣(qi)缸(gang)后閥門被關閉，然后冷水(shui)被撒入(ru)(ru)汽(qi)(qi)缸(gang)，蒸(zheng)汽(qi)(qi)凝結(jie)(jie)時造成真(zhen)空(kong)。活(huo)(huo)塞(sai)另(ling)一面的空(kong)氣(qi)壓力推動(dong)活(huo)(huo)塞(sai)。在礦(kuang)井(jing)中聯(lian)結(jie)(jie)一根深入(ru)(ru)豎井(jing)的桿來(lai)(lai)驅動(dong)一個泵(beng)。蒸(zheng)汽(qi)(qi)機活(huo)(huo)塞(sai)的運動(dong)通過這根桿傳到(dao)(dao)泵(beng)的活(huo)(huo)塞(sai)來(lai)(lai)將水(shui)抽到(dao)(dao)井(jing)外。

第(di)一(yi)個巨(ju)大的改(gai)善(shan)是將氣缸與凝結缸通過一(yi)個閥(fa)門(men)分開(kai)。瓦特在伯明翰發(fa)明了這個改(gai)進(jin)。這個改(gai)進(jin)提高了蒸汽機的效率(lv)。下一(yi)個改(gai)進(jin)是將閥(fa)門(men)的操作(zuo)自動化。

這些早期的(de)(de)(de)真(zhen)空蒸(zheng)汽(qi)機(ji)的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)有(you)限(xian)，但它們比較(jiao)(jiao)安(an)全(quan)，因為它們的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力比較(jiao)(jiao)低(di)，在(zai)物質(zhi)發(fa)生損壞的(de)(de)(de)情況下(xia)機(ji)器向內收縮(suo)，而不是向外(wai)(wai)爆(bao)炸。它們的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)受外(wai)(wai)部(bu)氣壓(ya)(ya)、氣缸變形(xing)、燃燒和(he)沸騰(teng)的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)和(he)凝結能(neng)力的(de)(de)(de)限(xian)制(zhi)。理論最(zui)高(gao)(gao)效(xiao)率(lv)受水在(zai)普通大氣壓(ya)(ya)下(xia)比較(jiao)(jiao)低(di)的(de)(de)(de)沸騰(teng)溫(wen)度限(xian)制(zhi)。使(shi)用(yong)高(gao)(gao)溫(wen)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)為蒸(zheng)汽(qi)機(ji)的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)帶來(lai)了(le)(le)巨大的(de)(de)(de)提高(gao)(gao)。但這種蒸(zheng)汽(qi)機(ji)比真(zhen)空蒸(zheng)汽(qi)機(ji)危險得多。鍋爐和(he)機(ji)器的(de)(de)(de)爆(bao)炸造成了(le)(le)許多大事(shi)故(gu)。安(an)全(quan)閥在(zai)這里帶來(lai)了(le)(le)很大的(de)(de)(de)改進，在(zai)壓(ya)(ya)力過高(gao)(gao)的(de)(de)(de)情況下(xia)安(an)全(quan)閥放氣減(jian)壓(ya)(ya)。但真(zhen)正保證安(an)全(quan)只有(you)依(yi)靠建造、運行(xing)和(he)維護的(de)(de)(de)經驗和(he)安(an)全(quan)規則。

薩(sa)弗里制成的(de)世(shi)界上第一(yi)臺實(shi)用(yong)的(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)提水(shui)(shui)(shui)機(ji)，在1698年取得標名為“礦工(gong)之友”的(de)英國專(zhuan)利。他(ta)將一(yi)個(ge)(ge)蛋形(xing)(xing)容(rong)器先(xian)充(chong)滿蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)，然后關(guan)(guan)閉(bi)進汽(qi)(qi)閥，在容(rong)器外(wai)噴(pen)淋冷水(shui)(shui)(shui)使容(rong)器內蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)冷凝(ning)而形(xing)(xing)成真空。打開(kai)(kai)進水(shui)(shui)(shui)閥，礦井底的(de)水(shui)(shui)(shui)受大氣壓(ya)力(li)作用(yong)經(jing)進水(shui)(shui)(shui)管吸入容(rong)器中；關(guan)(guan)閉(bi)進水(shui)(shui)(shui)閥，重開(kai)(kai)進汽(qi)(qi)閥，靠蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)壓(ya)力(li)將容(rong)器中的(de)水(shui)(shui)(shui)經(jing)排水(shui)(shui)(shui)閥壓(ya)出。待容(rong)器中的(de)水(shui)(shui)(shui)被排空而充(chong)滿蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)時，關(guan)(guan)閉(bi)進汽(qi)(qi)閥和排水(shui)(shui)(shui)閥，重新(xin)噴(pen)水(shui)(shui)(shui)使蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)冷凝(ning)。如此反復循環，用(yong)兩個(ge)(ge)蛋形(xing)(xing)容(rong)器交替工(gong)作，可連(lian)續排水(shui)(shui)(shui)。

薩弗里的(de)(de)提(ti)水(shui)(shui)機(ji)依(yi)靠真(zhen)空(kong)的(de)(de)吸(xi)力汲水(shui)(shui)，汲水(shui)(shui)深(shen)度(du)不能超過六米。為了(le)從幾(ji)十米深(shen)的(de)(de)礦井汲水(shui)(shui)，須將提(ti)水(shui)(shui)機(ji)裝在(zai)(zai)礦井深(shen)處，用較(jiao)高的(de)(de)蒸汽壓力才(cai)能將水(shui)(shui)壓到地面上，這在(zai)(zai)當時無疑是困難而又危險的(de)(de)。

紐科(ke)門及其(qi)助(zhu)手卡利在(zai)(zai)1705年(nian)發明(ming)了大(da)氣式蒸汽(qi)機(ji)，用以驅動獨立(li)的(de)提水(shui)泵，被稱為紐科(ke)門大(da)氣式蒸汽(qi)機(ji)。這種蒸汽(qi)機(ji)先在(zai)(zai)英國，后來在(zai)(zai)歐洲大(da)陸得(de)到(dao)迅(xun)速推廣(guang)，它的(de)改(gai)型產(chan)品(pin)直到(dao)19世(shi)紀初(chu)還在(zai)(zai)制造。紐科(ke)門大(da)氣式蒸汽(qi)機(ji)的(de)熱(re)效率很低(di)，這主(zhu)要是由于蒸汽(qi)進(jin)入汽(qi)缸時，在(zai)(zai)剛被水(shui)冷(leng)卻過的(de)汽(qi)缸壁上冷(leng)凝而損失掉大(da)量(liang)熱(re)量(liang)，只在(zai)(zai)煤價低(di)廉的(de)產(chan)煤區才得(de)到(dao)推廣(guang)。

1764年，英(ying)國(guo)的(de)儀器修理工詹姆(mu)斯·瓦特(te)為(wei)格拉斯哥大學修理紐可(ke)門(men)蒸汽(qi)機(ji)(ji)模型(xing)時，注意到(dao)了(le)這一缺點，并于1765年發明(ming)了(le)設(she)(she)有與汽(qi)缸壁分(fen)開的(de)凝汽(qi)器的(de)蒸汽(qi)機(ji)(ji)，并于1769年取得了(le)英(ying)國(guo)的(de)專利。初期的(de)瓦特(te)蒸汽(qi)機(ji)(ji)仍用平衡(heng)杠桿和拉桿機(ji)(ji)構來驅動提水(shui)泵，為(wei)了(le)從(cong)凝汽(qi)器中(zhong)抽除凝結水(shui)和空氣，瓦特(te)裝(zhuang)設(she)(she)了(le)抽氣泵。他還在汽(qi)缸外壁加(jia)裝(zhuang)夾層，用蒸汽(qi)加(jia)熱(re)汽(qi)缸壁，以(yi)減少冷凝損失。

瓦(wa)特的創造(zao)性工作使蒸汽機迅速地發展(zhan)，他使原來只能提(ti)水的機械，成為了可(ke)以(yi)普遍應用的蒸汽機，并使蒸汽機的熱效率成倍提(ti)高(gao)，煤耗大大下(xia)降。因此瓦(wa)特是(shi)蒸汽機的改良者。

自18世紀晚(wan)期起，蒸汽機(ji)不僅在(zai)采礦業中得到廣泛應用，在(zai)冶(ye)煉、紡織(zhi)、機(ji)器制造(zao)等行(xing)業中也都獲得迅速推(tui)廣。它使英國的紡織(zhi)品產量(liang)在(zai)20多年(nian)內(從1766年(nian)到1789年(nian))增長了5倍，為市場提供了大(da)量(liang)消費商品，加速了資(zi)金(jin)的積累，并對(dui)運輸業提出了迫切要(yao)求。

在船舶(bo)上采(cai)用(yong)蒸汽(qi)(qi)機作(zuo)為(wei)推進動力(li)的(de)實(shi)驗始(shi)于(yu)1776年(nian),經過不斷改進，至1807年(nian)，美國的(de)富爾頓制成了第(di)一艘實(shi)用(yong)的(de)明輪推進的(de)蒸汽(qi)(qi)機船“克萊(lai)蒙”號。此后(hou)，蒸汽(qi)(qi)機在船舶(bo)上作(zuo)為(wei)推進動力(li)歷百(bai)余年(nian)之久。

1800年，英(ying)國的(de)特(te)里維西克設計了(le)可安裝在較大車體上的(de)高壓蒸汽機(ji)(ji)。1803年，他把它用來(lai)推動在一條環形軌道上開(kai)動的(de)機(ji)(ji)車，找來(lai)喜歡新奇玩意兒的(de)人乘(cheng)坐，向(xiang)他們收(shou)費，這就是機(ji)(ji)車的(de)雛型。英(ying)國的(de)史蒂芬孫將機(ji)(ji)車不斷改進，于(yu)1829年創(chuang)造(zao)了(le)“火箭”號蒸汽機(ji)(ji)車，該機(ji)(ji)車拖帶(dai)一節載有30位乘(cheng)客的(de)車廂(xiang)，時速達46公里/時，引起了(le)各國的(de)重視，開(kai)創(chuang)了(le)鐵路時代。

19世紀末，隨著電(dian)力應用的(de)興起，蒸汽(qi)機曾一度作(zuo)為電(dian)站中的(de)主要動力機械(xie)。1900年，美(mei)國紐約曾有單(dan)機功(gong)率達(da)五(wu)兆瓦(wa)的(de)蒸汽(qi)機電(dian)站。

蒸(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)發(fa)展在20世紀(ji)初達到了頂峰。它具有恒扭矩、可(ke)變(bian)速、可(ke)逆轉(zhuan)、運行可(ke)靠(kao)、制造和維修方便等優點，因此曾被廣泛(fan)用于電站、工廠、機(ji)(ji)車和船舶等各個領域中，特別在軍艦(jian)上成了當時(shi)唯(wei)一的(de)原動(dong)機(ji)(ji)。

需要特別注意的是，許多(duo)教科書(shu)(shu)上（歷史書(shu)(shu)、物理書(shu)(shu)）說瓦特是蒸(zheng)汽機(ji)的發明者。這是誤傳。蒸(zheng)汽機(ji)是英國人薩維(wei)利（Savery）于1698年、紐可門（Newcomen）于1705年各(ge)自獨立發明的，用于礦井抽水。當(dang)時(shi)效率很低。

1765年，瓦特在修理紐可(ke)門機(ji)的基礎上，對(dui)蒸汽(qi)機(ji)做了(le)(le)重(zhong)大改進，使(shi)冷(leng)凝(ning)器與汽(qi)缸(gang)分(fen)離(li)(li)，發明(ming)(ming)曲(qu)軸和(he)齒(chi)輪(lun)傳動以(yi)(yi)及離(li)(li)心(xin)調速器等，使(shi)蒸汽(qi)機(ji)實現了(le)(le)現代化，大大提高(gao)了(le)(le)蒸汽(qi)機(ji)的效(xiao)率(lv)。瓦特的這些發明(ming)(ming)，仍使(shi)用在現代蒸汽(qi)機(ji)中，為紀念瓦特的貢獻，功率(lv)的單位(wei)名稱以(yi)(yi)其姓氏命(ming)名。

構造

蒸汽機(ji)主要由(you)汽缸、底(di)座(zuo)、活塞(sai)、曲柄(bing)連桿機(ji)構(gou)、滑閥配汽機(ji)構(gou)、調速機(ji)構(gou)和(he)飛(fei)輪等部分(fen)組成(cheng)。汽缸和(he)底(di)座(zuo)是靜止部分(fen)。

在(zai)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)鍋爐中(zhong)，通(tong)過(guo)(guo)燃燒過(guo)(guo)程水(shui)沸(fei)騰為蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)。通(tong)過(guo)(guo)管(guan)道蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)被送到(dao)汽(qi)(qi)(qi)(qi)缸。閥(fa)門(men)控制蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)到(dao)達汽(qi)(qi)(qi)(qi)缸的時間，經主汽(qi)(qi)(qi)(qi)閥(fa)和節流閥(fa)進(jin)入滑(hua)閥(fa)室，受滑(hua)閥(fa)控制交替地進(jin)入汽(qi)(qi)(qi)(qi)缸的左(zuo)側(ce)或右側(ce)，推動活(huo)塞運動。蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)在(zai)汽(qi)(qi)(qi)(qi)缸內推動活(huo)塞做功(gong)，冷(leng)卻(que)的蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)通(tong)過(guo)(guo)管(guan)道被引入冷(leng)凝器重新凝結為水(shui)。這個過(guo)(guo)程在(zai)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機運動時不斷(duan)重復。

一般的(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)有三個(ge)(ge)汽(qi)(qi)(qi)缸組成一個(ge)(ge)組。蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)直(zhi)接將活塞(sai)的(de)上下運(yun)動轉化為船軸的(de)旋(xuan)轉運(yun)動。新造的(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)中還包含了一個(ge)(ge)小(xiao)的(de)渦(wo)輪機(ji)，從(cong)汽(qi)(qi)(qi)缸中出來(lai)的(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)還可以利用它的(de)余熱在推(tui)動這個(ge)(ge)渦(wo)輪機(ji)來(lai)提高整個(ge)(ge)驅動裝(zhuang)置(zhi)的(de)效(xiao)率。這個(ge)(ge)渦(wo)輪機(ji)也與(yu)船的(de)螺旋(xuan)漿(jiang)軸相連。

分類

鍋爐分類

火管造型(xing)被用在(zai)早期(qi)的(de)(de)船只和蒸汽機車的(de)(de)鍋爐(lu)中。在(zai)火管式(shi)鍋爐(lu)中，從燃燒室出(chu)來的(de)(de)熱煙(yan)通過(guo)煙(yan)道由煙(yan)囪排(pai)出(chu)。這種(zhong)鍋爐(lu)需(xu)要一個比較高的(de)(de)煙(yan)囪。

水管(guan)造型的(de)(de)(de)水由(you)熱(re)氣通(tong)過多(duo)個(ge)(ge)管(guan)道(dao)加熱(re)。這些(xie)管(guan)道(dao)在(zai)交(jiao)換器(qi)的(de)(de)(de)頂部(bu)流入一(yi)個(ge)(ge)蒸汽集合腔。水管(guan)鍋(guo)爐(lu)的(de)(de)(de)一(yi)個(ge)(ge)重要優點(dian)是(shi)它在(zai)破(po)壞時造成的(de)(de)(de)危險比(bi)較小(xiao)，原(yuan)因(yin)是(shi)因(yin)為鍋(guo)爐(lu)里的(de)(de)(de)水的(de)(de)(de)量比(bi)較小(xiao)，此外(wai)鍋(guo)爐(lu)里沒有(you)(you)多(duo)少會被磨損的(de)(de)(de)運動的(de)(de)(de)機械組(zu)成部(bu)分，一(yi)些(xie)水管(guan)鍋(guo)爐(lu)在(zai)排煙道(dao)上還有(you)(you)一(yi)個(ge)(ge)熱(re)交(jiao)換器(qi)來提(ti)高整個(ge)(ge)鍋(guo)爐(lu)的(de)(de)(de)熱(re)效率。

蒸汽機分類

按蒸(zheng)汽在活塞一側(ce)或兩(liang)側(ce)工作，蒸(zheng)汽機(ji)可分為單作用(yong)和雙(shuang)作用(yong)式兩(liang)種；

按(an)汽(qi)(qi)缸布置方式(shi)，可(ke)分為(wei)立式(shi)和臥式(shi)；按(an)蒸汽(qi)(qi)是在(zai)一(yi)個(ge)汽(qi)(qi)缸中膨脹或依次連(lian)續在(zai)多個(ge)汽(qi)(qi)缸中膨脹，可(ke)分為(wei)單(dan)脹式(shi)和多脹式(shi)；按(an)蒸汽(qi)(qi)在(zai)汽(qi)(qi)缸中的流向，可(ke)分為(wei)回流式(shi)和單(dan)流式(shi)；

按排汽(qi)方式和排汽(qi)壓(ya)力可分(fen)為凝汽(qi)式、大氣式和背壓(ya)式。

發展提高

功效

蒸(zheng)汽(qi)機的發(fa)展(zhan)首先體現在功率和(he)效(xiao)率的提(ti)高，而(er)這又主要取決(jue)于蒸(zheng)汽(qi)參數(shu)的提(ti)高。初(chu)期蒸(zheng)汽(qi)機的蒸(zheng)汽(qi)壓力僅為0.11～0.13兆帕(pa)，19世紀初(chu)才達到(dao)0.35～0.7兆帕(pa)，20世紀20年(nian)代曾(ceng)用到(dao)6～10兆帕(pa)。在蒸(zheng)汽(qi)溫(wen)度上，19世紀末還不超過250℃，而(er)到(dao)20世紀30年(nian)代曾(ceng)用到(dao)450～480℃。

效率

至(zhi)于效(xiao)率(lv)，瓦特(te)初期連續(xu)運轉的(de)蒸汽機(ji)，按燃料熱值計總效(xiao)率(lv)不超過3%；到1840年(nian)，最好的(de)凝汽式蒸汽機(ji)總效(xiao)率(lv)可達8%；到20世紀(ji)，蒸汽機(ji)最高效(xiao)率(lv)可達到20%以上。

轉速

在轉速方面(mian)，18世紀(ji)末瓦特蒸(zheng)汽(qi)機(ji)僅(jin)40～50轉/分；20世紀(ji)初轉速達到100～300轉/分，個(ge)別蒸(zheng)汽(qi)機(ji)曾(ceng)達到2500轉/分。在功(gong)率方面(mian)，最初單機(ji)功(gong)率僅(jin)幾馬力，20世紀(ji)初的一臺船用蒸(zheng)汽(qi)機(ji)的功(gong)率可達25000馬力。

隨著蒸(zheng)(zheng)汽(qi)參數(shu)和功率(lv)的(de)提高，蒸(zheng)(zheng)汽(qi)已不可能在一(yi)個汽(qi)缸中(zhong)繼續膨(peng)脹(zhang)，還(huan)必(bi)須在相連接的(de)汽(qi)缸中(zhong)繼續膨(peng)脹(zhang)，于是出現了多級膨(peng)脹(zhang)的(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)。蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)因受(shou)到(dao)潤(run)滑油閃(shan)點的(de)限制(zhi)，所用蒸(zheng)(zheng)汽(qi)的(de)最高溫(wen)度一(yi)般都(dou)不超過400℃，機(ji)(ji)車(che)，船用等移動式蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)還(huan)略低一(yi)些，多數(shu)不高于350℃。考慮到(dao)膨(peng)脹(zhang)的(de)可能性和結構的(de)經濟性，常用壓力在2.5兆(zhao)帕(pa)以下。蒸(zheng)(zheng)汽(qi)參數(shu)受(shou)到(dao)限制(zhi)，從(cong)而(er)也限制(zhi)了蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)功率(lv)的(de)進一(yi)步(bu)提高。

意義

蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)出現和改進促進了(le)社會經濟(ji)的(de)(de)發(fa)展，但同時經濟(ji)的(de)(de)發(fa)展反過(guo)來又(you)向蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)提出了(le)更(geng)高(gao)的(de)(de)要求，如(ru)要求蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)功率(lv)大、效率(lv)高(gao)、重(zhong)量(liang)輕、尺寸小等。盡(jin)管人們對蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)作過(guo)許(xu)多改進，不(bu)斷擴(kuo)大它(ta)的(de)(de)使用范圍(wei)和改善(shan)它(ta)的(de)(de)性能，但是(shi)隨(sui)著汽(qi)輪機(ji)(ji)和內燃機(ji)(ji)的(de)(de)發(fa)展，蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)因存在不(bu)可克(ke)服(fu)的(de)(de)弱點而逐漸衰落(luo)。

改良過程

1764年(nian)，學校(xiao)請瓦(wa)特(te)(te)(te)修理(li)一(yi)臺紐(niu)可(ke)門(men)式蒸(zheng)汽(qi)(qi)機，在(zai)修理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)程中，瓦(wa)特(te)(te)(te)熟悉了(le)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機的(de)(de)(de)(de)(de)構(gou)造和(he)原理(li)，并且(qie)發現了(le)這種蒸(zheng)汽(qi)(qi)機的(de)(de)(de)(de)(de)兩大缺點：活塞(sai)動作不(bu)連續而且(qie)慢；蒸(zheng)汽(qi)(qi)利用(yong)率低，浪費原料。以后，瓦(wa)特(te)(te)(te)開始思(si)考(kao)改進(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)辦法。直到(dao)1765年(nian)的(de)(de)(de)(de)(de)春天，在(zai)一(yi)次散步時，瓦(wa)特(te)(te)(te)想到(dao)，既然紐(niu)可(ke)門(men)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機的(de)(de)(de)(de)(de)熱效率低是蒸(zheng)汽(qi)(qi)在(zai)缸內(nei)冷凝造成的(de)(de)(de)(de)(de)，那么(me)為什么(me)不(bu)能(neng)讓蒸(zheng)汽(qi)(qi)在(zai)缸外(wai)冷凝呢？瓦(wa)特(te)(te)(te)產生了(le)采(cai)用(yong)分離冷凝器的(de)(de)(de)(de)(de)最初(chu)設想。

在產生這(zhe)種(zhong)(zhong)設(she)想以后，瓦特(te)在同年設(she)計了一種(zhong)(zhong)帶有(you)分離冷凝(ning)器(qi)的蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機。按照設(she)計，冷凝(ning)器(qi)與汽(qi)(qi)(qi)缸之(zhi)間(jian)有(you)一個調節(jie)閥門相(xiang)連，使他們既能連通又(you)能分開(kai)。這(zhe)樣，既能把做功后的蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)引入汽(qi)(qi)(qi)缸外的冷凝(ning)器(qi)，又(you)可(ke)以使汽(qi)(qi)(qi)缸內(nei)產生同樣的真空(kong)，避免了汽(qi)(qi)(qi)缸在一冷一熱過程中(zhong)熱量的消耗，據瓦特(te)理論計算，這(zhe)種(zhong)(zhong)新的蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機的熱效率(lv)將是紐(niu)可(ke)門蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機的三(san)倍。

從理論上(shang)(shang)說，瓦特(te)的(de)(de)這種(zhong)帶(dai)有(you)(you)分(fen)(fen)離器冷凝(ning)器的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)顯(xian)然優于紐(niu)可門(men)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)，但是，要(yao)把理論上(shang)(shang)的(de)(de)東西變為(wei)實(shi)際上(shang)(shang)的(de)(de)東西，把圖紙(zhi)上(shang)(shang)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)變為(wei)實(shi)在(zai)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)，還(huan)要(yao)走(zou)很長的(de)(de)路(lu)。瓦特(te)辛辛苦苦造出了幾臺蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)，但效果反而不如紐(niu)可門(men)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)，甚至四(si)處(chu)漏氣，無法開動。盡(jin)管耗資巨(ju)大的(de)(de)試驗(yan)(yan)使(shi)他債臺高筑，但他沒(mei)有(you)(you)在(zai)困難面(mian)前怯(qie)步，繼續進行(xing)(xing)試驗(yan)(yan)。當(dang)(dang)布萊克(ke)知道瓦特(te)的(de)(de)奮斗目標和(he)困難處(chu)境(jing)時，他把瓦特(te)介紹(shao)給(gei)了自己一個十分(fen)(fen)富有(you)(you)的(de)(de)朋友(you)--化工(gong)技師羅(luo)巴克(ke)。當(dang)(dang)時羅(luo)巴克(ke)是一個十分(fen)(fen)富有(you)(you)的(de)(de)企業家(jia)，他在(zai)蘇(su)格蘭的(de)(de)卡(ka)隆(long)開辦了第(di)一座規模較大的(de)(de)煉(lian)鐵廠。雖然當(dang)(dang)時羅(luo)巴克(ke)已(yi)近50歲，但對科學技術的(de)(de)新發明(ming)仍(reng)然傾注著(zhu)極大的(de)(de)熱情(qing)。他對當(dang)(dang)時只有(you)(you)三十來(lai)歲的(de)(de)瓦特(te)的(de)(de)新裝置很是贊許，當(dang)(dang)即與瓦特(te)簽訂合(he)同，贊助瓦特(te)進行(xing)(xing)新式(shi)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)(de)試制。

從(cong)1766年開始，在(zai)(zai)三年多的(de)(de)時(shi)間里，瓦(wa)特(te)克服了(le)在(zai)(zai)材料和(he)工藝(yi)等各(ge)方面(mian)的(de)(de)困難，終于(yu)在(zai)(zai)1769年制出(chu)了(le)第一(yi)臺樣(yang)機(ji)。同年，瓦(wa)特(te)因發明冷(leng)凝器而獲得他在(zai)(zai)革新紐(niu)可門蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)的(de)(de)過程中的(de)(de)第一(yi)項專(zhuan)利(li)。第一(yi)臺帶(dai)有冷(leng)凝器的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)雖然試制成功(gong)了(le)，但它(ta)同紐(niu)可門蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)相比，除(chu)了(le)熱效率有顯著提高外，在(zai)(zai)作為動(dong)力(li)機(ji)來帶(dai)動(dong)其他工作機(ji)的(de)(de)性能(neng)方面(mian)仍未取得實質性進展(zhan)。就是說(shuo)，瓦(wa)特(te)的(de)(de)這(zhe)種蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)還是無法作為真正的(de)(de)動(dong)力(li)機(ji)。

優點

現代蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)最(zui)大的(de)(de)優點是它(ta)幾乎可以利用(yong)(yong)所有(you)的(de)(de)燃料將熱(re)(re)能(neng)(neng)轉(zhuan)化(hua)為機(ji)(ji)械能(neng)(neng)。不(bu)(bu)像內燃機(ji)(ji)那(nei)樣，它(ta)對其燃料不(bu)(bu)挑剔。此外沒有(you)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)話原(yuan)子能(neng)(neng)無法(fa)被使(shi)用(yong)(yong)。原(yuan)子反應堆(dui)即不(bu)(bu)直接產(chan)生(sheng)機(ji)(ji)械能(neng)(neng)，又不(bu)(bu)直接產(chan)生(sheng)電能(neng)(neng)，原(yuan)子反應堆(dui)實際(ji)上只(zhi)是加熱(re)(re)水(shui)，這個水(shui)被沸騰(teng)后的(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)通(tong)(tong)過蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)來轉(zhuan)化(hua)為有(you)用(yong)(yong)的(de)(de)功(gong)。蒸(zheng)汽(qi)不(bu)(bu)一定需要通(tong)(tong)過燃燒來產(chan)生(sheng)，比如使(shi)用(yong)(yong)太陽能(neng)(neng)聚熱(re)(re)器也可以產(chan)生(sheng)蒸(zheng)汽(qi)推動蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)。

另一種有類(lei)似優點(dian)的(de)小巧的(de)外燃機是斯特林(lin)發(fa)動(dong)機。其缺(que)點(dian)是它(ta)在許多情況下(xia)難以運行。

尤其在高(gao)山(shan)上蒸汽機(ji)機(ji)車的(de)(de)(de)(de)優(you)點顯著，因為(wei)它(ta)們也可以在比較低的(de)(de)(de)(de)氣壓下(xia)運行。當南美(mei)洲將用(yong)柴(chai)油(you)-電力機(ji)車取代(dai)它(ta)們的(de)(de)(de)(de)蒸汽機(ji)車后這(zhe)一點就被發(fa)現了。在高(gao)山(shan)上他們不(bu)(bu)得(de)不(bu)(bu)放(fang)棄使用(yong)功(gong)率(lv)比較高(gao)的(de)(de)(de)(de)柴(chai)油(you)機(ji)車，取而代(dai)之的(de)(de)(de)(de)還是功(gong)率(lv)雖然(ran)不(bu)(bu)如柴(chai)油(you)機(ji)車但不(bu)(bu)受海拔限制的(de)(de)(de)(de)蒸汽機(ji)車。

在(zai)瑞士和(he)奧地(di)利新的(de)齒軌鐵路(lu)使用現代的(de)蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)，這些蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)只需要一(yi)個人來運(yun)行，比起過(guo)去的(de)蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)它(ta)節省(sheng)60%的(de)燃料，比起電力機(ji)(ji)(ji)和(he)柴油機(ji)(ji)(ji)它(ta)輕50%，因此對齒軌的(de)磨損(sun)小得多(duo)。在(zai)日內瓦湖(hu)上也有(you)一(yi)艘新的(de)蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)船(chuan)，它(ta)是(shi)世(shi)界(jie)上第一(yi)艘遙控的(de)蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)船(chuan)。

缺點

蒸(zheng)汽機的(de)弱點是：離(li)不(bu)(bu)開(kai)鍋爐，整個裝置既笨重(zhong)又龐(pang)大；新蒸(zheng)汽的(de)壓力和(he)溫度(du)不(bu)(bu)能過高(gao)，排氣(qi)壓力不(bu)(bu)能過低(di)，熱效率難以提高(gao)；它是一種往(wang)復式機器，慣性限(xian)(xian)制(zhi)了轉(zhuan)速的(de)提高(gao)；工作過程是不(bu)(bu)連(lian)續的(de)，蒸(zheng)汽的(de)流量受到限(xian)(xian)制(zhi)，也就限(xian)(xian)制(zhi)了功率的(de)提高(gao)。

因此，拋(pao)棄了笨重鍋爐的內燃機(ji)(ji)(ji)，最終以其(qi)(qi)重量輕，體(ti)積小、熱(re)(re)效(xiao)率(lv)高和操作靈(ling)活等優(you)點(dian)，在船舶和機(ji)(ji)(ji)車(che)上逐漸取代(dai)了蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)。汽(qi)輪機(ji)(ji)(ji)則(ze)以其(qi)(qi)熱(re)(re)效(xiao)率(lv)高、單機(ji)(ji)(ji)功(gong)率(lv)大、轉速(su)高、單位功(gong)率(lv)重量輕和運行平穩等優(you)點(dian)，將蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)排擠出(chu)了電站。

接(jie)著(zhu)電動機(ji)又以(yi)其使用(yong)方(fang)便，代替了蒸汽(qi)機(ji)在工業(ye)設備中(zhong)的應(ying)用(yong)。然而小功率蒸汽(qi)機(ji)熱(re)效(xiao)率比(bi)汽(qi)輪機(ji)高，所以(yi)在產煤區或只有劣質燃料(liao)的地(di)區或某(mou)些特殊(shu)場(chang)合，蒸汽(qi)機(ji)仍有發揮作用(yong)的余地(di)。

歷史作用

蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機有很大的(de)(de)歷史作用，它(ta)曾推動(dong)了(le)(le)機械工業甚至社會的(de)(de)發(fa)展(zhan)，解決(jue)了(le)(le)大機器生產中最關鍵的(de)(de)問題，推動(dong)了(le)(le)交(jiao)通(tong)運輸空前的(de)(de)進(jin)(jin)步。隨著它(ta)的(de)(de)發(fa)展(zhan)而建(jian)立(li)的(de)(de)熱(re)力(li)學和機構(gou)學為(wei)汽(qi)(qi)輪機和內(nei)燃機的(de)(de)發(fa)展(zhan)奠定了(le)(le)基(ji)礎；汽(qi)(qi)輪機繼承(cheng)了(le)(le)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機以蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)為(wei)工質的(de)(de)特點，和采(cai)用凝汽(qi)(qi)器以降低排(pai)汽(qi)(qi)壓力(li)的(de)(de)優點，摒(bing)棄了(le)(le)往(wang)復運動(dong)和間斷進(jin)(jin)汽(qi)(qi)的(de)(de)缺點；內(nei)燃機繼承(cheng)了(le)(le)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機的(de)(de)基(ji)本結(jie)構(gou)和傳(chuan)動(dong)形式，采(cai)用了(le)(le)將燃油直(zhi)接輸入汽(qi)(qi)缸(gang)內(nei)燃燒的(de)(de)方(fang)式，形成(cheng)了(le)(le)熱(re)效率高得(de)多的(de)(de)熱(re)力(li)循(xun)環；同時，蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機所采(cai)用的(de)(de)汽(qi)(qi)缸(gang)、活塞、飛(fei)輪、飛(fei)錘調速器，閥門(men)和密封件等，均是構(gou)成(cheng)多種(zhong)現代機械的(de)(de)基(ji)本元件。

工業(ye)革命(ming)的(de)(de)產(chan)生(sheng)(sheng)一(yi)(yi)部分原因(yin)(yin)(yin)(yin)是因(yin)(yin)(yin)(yin)為蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)(de)改(gai)(gai)良(liang)(瓦(wa)特沒有發(fa)明(ming)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)，他(ta)只是改(gai)(gai)良(liang))，而(er)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)車的(de)(de)產(chan)生(sheng)(sheng)也是因(yin)(yin)(yin)(yin)為蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)(de)改(gai)(gai)良(liang)以(yi)及后人的(de)(de)應用(yong)而(er)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)，當(dang)時英國(guo)鼓勵發(fa)明(ming)，并且在(zai)人口增(zeng)加需要增(zeng)加生(sheng)(sheng)產(chan)速度之(zhi)時，便開始有人努力的(de)(de)改(gai)(gai)進當(dang)時的(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)設備，瓦(wa)特便是其中(zhong)之(zhi)一(yi)(yi)，而(er)瓦(wa)特改(gai)(gai)良(liang)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)導致一(yi)(yi)系列技術革命(ming)引起了從手工勞動向動力機(ji)(ji)器生(sheng)(sheng)產(chan)轉變。因(yin)(yin)(yin)(yin)此蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)(de)改(gai)(gai)良(liang)絕對(dui)是促成工業(ye)革命(ming)的(de)(de)原因(yin)(yin)(yin)(yin)之(zhi)一(yi)(yi)。而(er)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)車是一(yi)(yi)種以(yi)蒸(zheng)(zheng)汽引擎作為動力來源的(de)(de)鐵路機(ji)(ji)車，因(yin)(yin)(yin)(yin)此若(ruo)沒有蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)(de)改(gai)(gai)良(liang)便不可能(neng)有這(zhe)項交(jiao)通工具的(de)(de)誕生(sheng)(sheng)。