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發明歷史

世界上第(di)一臺蒸(zheng)汽機是(shi)由古希(xi)臘數學(xue)家亞歷(li)山大港的(de)希(xi)羅(luo)（Hero of Alexandria）于公元1世紀發明的(de)汽轉球（Aeolipile），這是(shi)蒸(zheng)汽機的(de)雛形。

約1679年法國物理學家(jia)丹尼(ni)斯(si)·巴本(ben)在觀察蒸汽逃離他(ta)的(de)高壓鍋后制造了(le)第一(yi)臺蒸汽機的(de)工作模型(xing)。同時代的(de)薩繆爾·莫蘭(lan)也提出(chu)了(le)蒸汽機的(de)主意。

1698年(nian)托(tuo)馬斯·塞(sai)維利和1712年(nian)托(tuo)馬斯·紐科(ke)門(men)制造了早期(qi)的(de)工業蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)，他(ta)們對蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)發(fa)展都做出(chu)(chu)了自己的(de)貢(gong)獻。1807年(nian)羅伯(bo)特(te)·富爾頓第一(yi)個成功地用(yong)蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)來(lai)驅動(dong)(dong)輪船。瓦特(te)運用(yong)科(ke)學理論，逐(zhu)漸(jian)發(fa)現(xian)了這種蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)毛病所(suo)在。從1765年(nian)到1790年(nian)，他(ta)進(jin)行了一(yi)系列發(fa)明，比如分離(li)式(shi)冷凝器、汽(qi)(qi)(qi)缸外設置絕熱(re)層、用(yong)油潤(run)滑活塞(sai)、行星式(shi)齒輪、平行運動(dong)(dong)連桿機(ji)(ji)構、離(li)心(xin)式(shi)調速器、節氣閥、壓(ya)力計(ji)等等，使蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)效率提高到原來(lai)紐科(ke)門(men)機(ji)(ji)的(de)3倍(bei)多，最終發(fa)明出(chu)(chu)工業用(yong)蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)。

16世(shi)紀末到17世(shi)紀后(hou)期，英國的(de)采礦(kuang)業，特別是煤礦(kuang)，已發展到相當的(de)規(gui)模(mo)，單靠人(ren)力(li)、畜力(li)已難以(yi)滿足排除礦(kuang)井地(di)下水(shui)的(de)要求，而(er)現(xian)場又(you)有豐(feng)富而(er)廉價的(de)煤作(zuo)為燃料。現(xian)實的(de)需要促使許多(duo)人(ren)，如英國的(de)帕潘、薩弗里、紐科門等就致力(li)于“以(yi)火(huo)力(li)提水(shui)”的(de)探索和試驗。

最初的真空(kong)蒸汽機(ji)被(bei)用來(lai)(lai)(lai)將(jiang)礦井(jing)里的水抽(chou)(chou)出來(lai)(lai)(lai)。紐科(ke)門(men)的蒸汽機(ji)將(jiang)蒸汽引入(ru)氣(qi)缸后閥門(men)被(bei)關閉，然(ran)后冷水被(bei)撒入(ru)汽缸，蒸汽凝結時造(zao)成真空(kong)。活塞(sai)另一(yi)面的空(kong)氣(qi)壓(ya)力推(tui)動活塞(sai)。在礦井(jing)中聯結一(yi)根深入(ru)豎井(jing)的桿來(lai)(lai)(lai)驅動一(yi)個泵(beng)(beng)。蒸汽機(ji)活塞(sai)的運動通過這根桿傳到(dao)泵(beng)(beng)的活塞(sai)來(lai)(lai)(lai)將(jiang)水抽(chou)(chou)到(dao)井(jing)外。

第一個(ge)(ge)(ge)巨大的(de)改善是(shi)將(jiang)氣(qi)缸與(yu)凝結缸通過一個(ge)(ge)(ge)閥(fa)門分開。瓦特在伯明翰發(fa)明了這個(ge)(ge)(ge)改進。這個(ge)(ge)(ge)改進提高了蒸(zheng)汽機(ji)的(de)效率。下(xia)一個(ge)(ge)(ge)改進是(shi)將(jiang)閥(fa)門的(de)操作自動化(hua)。

這(zhe)些早期的(de)(de)(de)真空(kong)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)有限(xian)，但(dan)它(ta)們(men)比較(jiao)安(an)全(quan)(quan)，因(yin)為它(ta)們(men)的(de)(de)(de)壓力(li)比較(jiao)低(di)，在物質發生損壞的(de)(de)(de)情況下機(ji)(ji)器(qi)向內收(shou)縮，而不是向外爆炸。它(ta)們(men)的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)受(shou)外部氣(qi)壓、氣(qi)缸變形、燃燒和(he)沸騰的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)和(he)凝結能(neng)力(li)的(de)(de)(de)限(xian)制(zhi)。理論最高(gao)(gao)(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)受(shou)水在普(pu)通大(da)氣(qi)壓下比較(jiao)低(di)的(de)(de)(de)沸騰溫度(du)限(xian)制(zhi)。使用高(gao)(gao)(gao)溫高(gao)(gao)(gao)壓的(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)為蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)帶來(lai)了(le)巨(ju)大(da)的(de)(de)(de)提高(gao)(gao)(gao)。但(dan)這(zhe)種蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)比真空(kong)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)危(wei)險得多。鍋(guo)爐和(he)機(ji)(ji)器(qi)的(de)(de)(de)爆炸造(zao)成了(le)許多大(da)事故。安(an)全(quan)(quan)閥在這(zhe)里帶來(lai)了(le)很大(da)的(de)(de)(de)改進(jin)，在壓力(li)過高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)情況下安(an)全(quan)(quan)閥放(fang)氣(qi)減壓。但(dan)真正保證(zheng)安(an)全(quan)(quan)只有依靠建造(zao)、運行和(he)維護(hu)的(de)(de)(de)經(jing)驗和(he)安(an)全(quan)(quan)規則。

薩(sa)弗里制成的(de)世(shi)界(jie)上第一臺實(shi)用的(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)提水(shui)(shui)機，在(zai)1698年取得標名為“礦工之(zhi)友”的(de)英國專利。他將一個蛋形容(rong)(rong)(rong)器(qi)先充滿(man)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)，然后關(guan)(guan)閉(bi)進(jin)汽(qi)(qi)閥(fa)，在(zai)容(rong)(rong)(rong)器(qi)外噴(pen)淋冷水(shui)(shui)使(shi)容(rong)(rong)(rong)器(qi)內蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)冷凝(ning)(ning)而形成真空。打開進(jin)水(shui)(shui)閥(fa)，礦井底的(de)水(shui)(shui)受大氣壓力作用經(jing)進(jin)水(shui)(shui)管吸入容(rong)(rong)(rong)器(qi)中(zhong)；關(guan)(guan)閉(bi)進(jin)水(shui)(shui)閥(fa)，重開進(jin)汽(qi)(qi)閥(fa)，靠蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)壓力將容(rong)(rong)(rong)器(qi)中(zhong)的(de)水(shui)(shui)經(jing)排水(shui)(shui)閥(fa)壓出。待容(rong)(rong)(rong)器(qi)中(zhong)的(de)水(shui)(shui)被排空而充滿(man)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)時，關(guan)(guan)閉(bi)進(jin)汽(qi)(qi)閥(fa)和排水(shui)(shui)閥(fa)，重新噴(pen)水(shui)(shui)使(shi)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)冷凝(ning)(ning)。如此反復循環(huan)，用兩個蛋形容(rong)(rong)(rong)器(qi)交替工作，可(ke)連(lian)續排水(shui)(shui)。

薩弗里的(de)(de)(de)提(ti)水(shui)(shui)機(ji)依靠真空的(de)(de)(de)吸力汲水(shui)(shui)，汲水(shui)(shui)深(shen)度不能(neng)超過六(liu)米。為了從幾(ji)十米深(shen)的(de)(de)(de)礦井汲水(shui)(shui)，須(xu)將提(ti)水(shui)(shui)機(ji)裝(zhuang)在礦井深(shen)處，用較高(gao)的(de)(de)(de)蒸汽壓力才(cai)能(neng)將水(shui)(shui)壓到地面上，這在當時無(wu)疑是困難而又危險的(de)(de)(de)。

紐(niu)科(ke)門及其助手卡利在1705年發明(ming)了大(da)氣式蒸汽(qi)(qi)機(ji)，用以驅(qu)動獨立的提水泵，被稱為紐(niu)科(ke)門大(da)氣式蒸汽(qi)(qi)機(ji)。這(zhe)(zhe)種蒸汽(qi)(qi)機(ji)先在英國，后來在歐(ou)洲(zhou)大(da)陸得到(dao)迅速推(tui)廣，它(ta)的改型產(chan)品直到(dao)19世(shi)紀初還在制造。紐(niu)科(ke)門大(da)氣式蒸汽(qi)(qi)機(ji)的熱(re)效率(lv)很(hen)低(di)，這(zhe)(zhe)主要是由(you)于蒸汽(qi)(qi)進入汽(qi)(qi)缸時，在剛被水冷卻(que)過的汽(qi)(qi)缸壁上冷凝而損失掉大(da)量熱(re)量，只(zhi)在煤(mei)價低(di)廉的產(chan)煤(mei)區才得到(dao)推(tui)廣。

1764年(nian)(nian)，英(ying)國的(de)儀器修(xiu)理工(gong)詹姆斯·瓦特(te)為(wei)格拉斯哥大學(xue)修(xiu)理紐可門蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)模型時，注意到了這一缺點，并于1765年(nian)(nian)發明了設有與汽(qi)(qi)(qi)(qi)缸壁(bi)(bi)分開的(de)凝汽(qi)(qi)(qi)(qi)器的(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)，并于1769年(nian)(nian)取得(de)了英(ying)國的(de)專利。初期(qi)的(de)瓦特(te)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)仍用平衡杠桿和(he)拉桿機(ji)構來驅動提水泵，為(wei)了從凝汽(qi)(qi)(qi)(qi)器中(zhong)抽除凝結水和(he)空氣(qi)(qi)，瓦特(te)裝(zhuang)設了抽氣(qi)(qi)泵。他還在汽(qi)(qi)(qi)(qi)缸外壁(bi)(bi)加裝(zhuang)夾層，用蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)加熱汽(qi)(qi)(qi)(qi)缸壁(bi)(bi)，以(yi)減少冷凝損(sun)失。

瓦特(te)的(de)創造性工(gong)作使蒸汽(qi)機(ji)迅速地發(fa)展，他(ta)使原來只(zhi)能提(ti)水的(de)機(ji)械，成(cheng)(cheng)為(wei)了(le)可以(yi)普(pu)遍應(ying)用的(de)蒸汽(qi)機(ji)，并使蒸汽(qi)機(ji)的(de)熱效率(lv)成(cheng)(cheng)倍(bei)提(ti)高，煤耗大大下降。因(yin)此(ci)瓦特(te)是蒸汽(qi)機(ji)的(de)改良者。

自18世紀晚期起，蒸汽(qi)機(ji)不僅在(zai)(zai)采(cai)礦業(ye)(ye)中得到廣(guang)泛(fan)應用，在(zai)(zai)冶(ye)煉、紡織、機(ji)器制造等(deng)行業(ye)(ye)中也都獲(huo)得迅速推廣(guang)。它使英國的(de)紡織品產量(liang)在(zai)(zai)20多(duo)年(nian)內(從(cong)1766年(nian)到1789年(nian))增長了(le)(le)(le)5倍(bei)，為(wei)市場提供了(le)(le)(le)大(da)量(liang)消費商(shang)品，加速了(le)(le)(le)資金的(de)積累，并(bing)對(dui)運輸(shu)業(ye)(ye)提出(chu)了(le)(le)(le)迫切要求。

在(zai)船(chuan)舶上(shang)采用(yong)蒸(zheng)汽機(ji)作為(wei)推(tui)進(jin)(jin)動力的(de)實驗始于1776年(nian),經(jing)過(guo)不(bu)斷改進(jin)(jin)，至1807年(nian)，美國(guo)的(de)富(fu)爾頓制(zhi)成了(le)第一艘實用(yong)的(de)明輪推(tui)進(jin)(jin)的(de)蒸(zheng)汽機(ji)船(chuan)“克萊蒙”號(hao)。此后，蒸(zheng)汽機(ji)在(zai)船(chuan)舶上(shang)作為(wei)推(tui)進(jin)(jin)動力歷百余年(nian)之久。

1800年，英國(guo)的(de)(de)特里維西克設(she)計了可安裝在較(jiao)大車(che)(che)體上的(de)(de)高(gao)壓蒸汽機(ji)(ji)。1803年，他(ta)把(ba)它用來推動在一條環形(xing)軌道上開動的(de)(de)機(ji)(ji)車(che)(che)，找來喜歡新奇玩意兒(er)的(de)(de)人乘(cheng)坐(zuo)，向他(ta)們收費，這就是機(ji)(ji)車(che)(che)的(de)(de)雛型。英國(guo)的(de)(de)史蒂芬孫將機(ji)(ji)車(che)(che)不斷改進，于1829年創(chuang)造(zao)了“火箭(jian)”號蒸汽機(ji)(ji)車(che)(che)，該機(ji)(ji)車(che)(che)拖帶(dai)一節載有30位乘(cheng)客的(de)(de)車(che)(che)廂，時速達(da)46公里/時，引起了各國(guo)的(de)(de)重視，開創(chuang)了鐵路時代。

19世(shi)紀(ji)末(mo)，隨著(zhu)電力(li)(li)應用的(de)興起(qi)，蒸汽(qi)機(ji)曾一度作(zuo)為電站中的(de)主要(yao)動力(li)(li)機(ji)械。1900年，美國(guo)紐約曾有(you)單機(ji)功(gong)率達(da)五兆瓦的(de)蒸汽(qi)機(ji)電站。

蒸汽機的(de)發展在(zai)20世紀(ji)初(chu)達到了頂峰。它(ta)具有恒扭矩、可變速(su)、可逆轉、運行可靠(kao)、制造和維(wei)修方便(bian)等(deng)(deng)優點，因(yin)此曾(ceng)被廣泛用于電站、工廠(chang)、機車和船舶等(deng)(deng)各個(ge)領域(yu)中，特別(bie)在(zai)軍艦上(shang)成了當時唯一的(de)原動機。

需要特別(bie)注意的是(shi)，許多(duo)教科(ke)書(shu)(shu)上（歷史書(shu)(shu)、物理書(shu)(shu)）說瓦特是(shi)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的發明者。這是(shi)誤(wu)傳。蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)是(shi)英國人薩(sa)維(wei)利（Savery）于1698年、紐可門(men)（Newcomen）于1705年各自獨(du)立發明的，用于礦井(jing)抽水。當時效率很低。

1765年，瓦特(te)在修(xiu)理(li)紐(niu)可門機(ji)(ji)的(de)基礎上(shang)，對(dui)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)做(zuo)了重大改進，使(shi)冷凝器(qi)與汽缸分離(li)，發明曲軸和齒輪傳動以(yi)及(ji)離(li)心調速器(qi)等，使(shi)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)實現(xian)了現(xian)代化，大大提高了蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)效率。瓦特(te)的(de)這些(xie)發明，仍使(shi)用(yong)在現(xian)代蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)中，為紀念(nian)瓦特(te)的(de)貢獻(xian)，功率的(de)單(dan)位名稱(cheng)以(yi)其姓(xing)氏命名。

構造

蒸汽(qi)機(ji)(ji)主要由汽(qi)缸(gang)、底座、活塞、曲柄連桿機(ji)(ji)構、滑閥配汽(qi)機(ji)(ji)構、調(diao)速機(ji)(ji)構和飛輪等(deng)部分(fen)組(zu)成。汽(qi)缸(gang)和底座是靜止部分(fen)。

在蒸(zheng)汽(qi)(qi)鍋爐中，通過(guo)(guo)燃(ran)燒(shao)過(guo)(guo)程(cheng)水沸騰為蒸(zheng)汽(qi)(qi)。通過(guo)(guo)管道(dao)蒸(zheng)汽(qi)(qi)被(bei)送到汽(qi)(qi)缸(gang)。閥門控制蒸(zheng)汽(qi)(qi)到達汽(qi)(qi)缸(gang)的(de)時(shi)間，經(jing)主(zhu)汽(qi)(qi)閥和節流閥進入(ru)滑閥室，受(shou)滑閥控制交替(ti)地進入(ru)汽(qi)(qi)缸(gang)的(de)左側(ce)或(huo)右側(ce)，推(tui)動(dong)活(huo)塞(sai)運動(dong)。蒸(zheng)汽(qi)(qi)在汽(qi)(qi)缸(gang)內推(tui)動(dong)活(huo)塞(sai)做(zuo)功，冷(leng)(leng)卻的(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)通過(guo)(guo)管道(dao)被(bei)引入(ru)冷(leng)(leng)凝(ning)器重新凝(ning)結(jie)為水。這個過(guo)(guo)程(cheng)在蒸(zheng)汽(qi)(qi)機運動(dong)時(shi)不斷重復。

一(yi)般的(de)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)(ji)有三個(ge)汽(qi)缸組(zu)成一(yi)個(ge)組(zu)。蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)(ji)直接將活塞的(de)上下運(yun)動(dong)轉化為船(chuan)軸的(de)旋轉運(yun)動(dong)。新造的(de)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)(ji)中還包含了一(yi)個(ge)小的(de)渦輪機(ji)(ji)(ji)，從汽(qi)缸中出來(lai)的(de)蒸(zheng)汽(qi)還可以利用它(ta)的(de)余熱在推動(dong)這個(ge)渦輪機(ji)(ji)(ji)來(lai)提高整(zheng)個(ge)驅動(dong)裝置(zhi)的(de)效率。這個(ge)渦輪機(ji)(ji)(ji)也與船(chuan)的(de)螺旋漿(jiang)軸相連。

分類

鍋爐分類

火管造(zao)型被用在早期的船只(zhi)和蒸汽機車的鍋爐中(zhong)。在火管式鍋爐中(zhong)，從燃燒室出(chu)(chu)來的熱煙(yan)通過(guo)煙(yan)道由(you)煙(yan)囪排出(chu)(chu)。這種鍋爐需(xu)要一個比(bi)較高的煙(yan)囪。

水(shui)管造型的(de)(de)(de)水(shui)由熱(re)氣通(tong)過多(duo)個(ge)管道(dao)(dao)加(jia)熱(re)。這些管道(dao)(dao)在交換(huan)(huan)器的(de)(de)(de)頂部流入一(yi)個(ge)蒸汽集合腔(qiang)。水(shui)管鍋(guo)爐(lu)(lu)的(de)(de)(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要優(you)點是(shi)它(ta)在破壞時造成的(de)(de)(de)危險比(bi)較小，原因是(shi)因為鍋(guo)爐(lu)(lu)里的(de)(de)(de)水(shui)的(de)(de)(de)量比(bi)較小，此外鍋(guo)爐(lu)(lu)里沒有多(duo)少會被(bei)磨損的(de)(de)(de)運動的(de)(de)(de)機械組(zu)成部分，一(yi)些水(shui)管鍋(guo)爐(lu)(lu)在排煙(yan)道(dao)(dao)上還(huan)有一(yi)個(ge)熱(re)交換(huan)(huan)器來提(ti)高(gao)整(zheng)個(ge)鍋(guo)爐(lu)(lu)的(de)(de)(de)熱(re)效率(lv)。

蒸汽機分類

按(an)蒸汽(qi)(qi)在活塞一側或兩側工作(zuo)(zuo)，蒸汽(qi)(qi)機可分為單作(zuo)(zuo)用(yong)和雙(shuang)作(zuo)(zuo)用(yong)式兩種；

按汽(qi)缸(gang)布置方式(shi)，可分(fen)為(wei)(wei)立式(shi)和臥式(shi)；按蒸汽(qi)是在(zai)(zai)一個(ge)汽(qi)缸(gang)中(zhong)膨脹(zhang)或依次連續在(zai)(zai)多(duo)個(ge)汽(qi)缸(gang)中(zhong)膨脹(zhang)，可分(fen)為(wei)(wei)單脹(zhang)式(shi)和多(duo)脹(zhang)式(shi)；按蒸汽(qi)在(zai)(zai)汽(qi)缸(gang)中(zhong)的流(liu)向，可分(fen)為(wei)(wei)回流(liu)式(shi)和單流(liu)式(shi)；

按(an)排汽方式(shi)和排汽壓(ya)力可分為(wei)凝(ning)汽式(shi)、大(da)氣式(shi)和背壓(ya)式(shi)。

發展提高

功效

蒸汽(qi)(qi)機的發(fa)展首(shou)先(xian)體(ti)現在(zai)(zai)功率和效率的提高(gao)，而這又主要取(qu)決于(yu)蒸汽(qi)(qi)參數的提高(gao)。初期(qi)蒸汽(qi)(qi)機的蒸汽(qi)(qi)壓力僅(jin)為(wei)0.11～0.13兆(zhao)帕，19世(shi)紀初才(cai)達到(dao)0.35～0.7兆(zhao)帕，20世(shi)紀20年代曾用到(dao)6～10兆(zhao)帕。在(zai)(zai)蒸汽(qi)(qi)溫度上，19世(shi)紀末(mo)還不超過(guo)250℃，而到(dao)20世(shi)紀30年代曾用到(dao)450～480℃。

效率

至于效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)，瓦特初期連續運轉的蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)，按(an)燃料熱(re)值(zhi)計總效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)不超過(guo)3%；到(dao)1840年，最好(hao)的凝汽(qi)(qi)(qi)式蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)總效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)可達(da)8%；到(dao)20世紀(ji)，蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)最高(gao)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)可達(da)到(dao)20%以(yi)上。

轉速

在(zai)轉(zhuan)(zhuan)速方(fang)(fang)面(mian)，18世紀末(mo)瓦特(te)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機僅40～50轉(zhuan)(zhuan)/分(fen)；20世紀初轉(zhuan)(zhuan)速達(da)到100～300轉(zhuan)(zhuan)/分(fen)，個別蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機曾達(da)到2500轉(zhuan)(zhuan)/分(fen)。在(zai)功(gong)率方(fang)(fang)面(mian)，最初單機功(gong)率僅幾馬力，20世紀初的一(yi)臺船用蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機的功(gong)率可達(da)25000馬力。

隨(sui)著(zhu)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)參(can)(can)數(shu)和(he)功(gong)率的(de)(de)(de)(de)提(ti)高，蒸(zheng)(zheng)汽(qi)已不(bu)可(ke)能在(zai)一(yi)個汽(qi)缸中繼續(xu)膨(peng)(peng)脹(zhang)，還必須在(zai)相(xiang)連接的(de)(de)(de)(de)汽(qi)缸中繼續(xu)膨(peng)(peng)脹(zhang)，于是出現了多級(ji)膨(peng)(peng)脹(zhang)的(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機。蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機因受(shou)到(dao)潤滑油閃點的(de)(de)(de)(de)限(xian)(xian)制，所用蒸(zheng)(zheng)汽(qi)的(de)(de)(de)(de)最高溫度一(yi)般都不(bu)超過(guo)400℃，機車，船用等移動式蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機還略低(di)一(yi)些，多數(shu)不(bu)高于350℃。考慮到(dao)膨(peng)(peng)脹(zhang)的(de)(de)(de)(de)可(ke)能性和(he)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)經濟(ji)性，常用壓力在(zai)2.5兆帕以(yi)下。蒸(zheng)(zheng)汽(qi)參(can)(can)數(shu)受(shou)到(dao)限(xian)(xian)制，從而也限(xian)(xian)制了蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機功(gong)率的(de)(de)(de)(de)進一(yi)步提(ti)高。

意義

蒸(zheng)汽(qi)機(ji)的(de)(de)出現和(he)(he)改進(jin)促進(jin)了社會經濟的(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)，但同時經濟的(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)反過來又向蒸(zheng)汽(qi)機(ji)提出了更高(gao)的(de)(de)要求，如(ru)要求蒸(zheng)汽(qi)機(ji)功率(lv)大、效率(lv)高(gao)、重量(liang)輕(qing)、尺寸(cun)小等。盡管人們對蒸(zheng)汽(qi)機(ji)作過許多改進(jin)，不斷擴大它的(de)(de)使用范圍和(he)(he)改善它的(de)(de)性(xing)能，但是(shi)隨著汽(qi)輪機(ji)和(he)(he)內(nei)燃機(ji)的(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)，蒸(zheng)汽(qi)機(ji)因存在不可克(ke)服(fu)的(de)(de)弱點而逐(zhu)漸衰落(luo)。

改良過程

1764年，學校請瓦特修理一(yi)臺紐可門(men)式蒸汽(qi)機(ji)，在修理的過程中(zhong)，瓦特熟悉了蒸汽(qi)機(ji)的構造和原(yuan)理，并且發現了這種(zhong)蒸汽(qi)機(ji)的兩大缺點：活塞動作(zuo)不連續而且慢；蒸汽(qi)利用(yong)(yong)率低(di)，浪費原(yuan)料(liao)。以后(hou)，瓦特開始(shi)思考改進的辦法。直到1765年的春天，在一(yi)次(ci)散步時(shi)，瓦特想到，既然(ran)紐可門(men)蒸汽(qi)機(ji)的熱效率低(di)是蒸汽(qi)在缸內冷凝造成的，那么(me)為什么(me)不能讓蒸汽(qi)在缸外(wai)冷凝呢？瓦特產生了采用(yong)(yong)分離冷凝器的最(zui)初設(she)想。

在產生(sheng)這種設想(xiang)以后，瓦(wa)特在同(tong)年設計了一(yi)(yi)種帶有分離冷(leng)凝器的(de)(de)蒸(zheng)汽機(ji)(ji)。按照設計，冷(leng)凝器與汽缸(gang)之間(jian)有一(yi)(yi)個調節閥門相(xiang)連(lian)，使他們(men)既(ji)能(neng)連(lian)通又能(neng)分開。這樣，既(ji)能(neng)把(ba)做功(gong)后的(de)(de)蒸(zheng)汽引入汽缸(gang)外的(de)(de)冷(leng)凝器，又可以使汽缸(gang)內產生(sheng)同(tong)樣的(de)(de)真空，避免(mian)了汽缸(gang)在一(yi)(yi)冷(leng)一(yi)(yi)熱過(guo)程中熱量的(de)(de)消(xiao)耗，據瓦(wa)特理(li)論計算(suan)，這種新的(de)(de)蒸(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)(de)熱效率將(jiang)是紐可門蒸(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)(de)三倍。

從(cong)理(li)論(lun)上說，瓦(wa)特的(de)(de)這種帶(dai)有(you)分離器(qi)(qi)冷凝器(qi)(qi)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)顯然優于(yu)紐可門(men)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)，但是，要(yao)把(ba)理(li)論(lun)上的(de)(de)東西變為實(shi)際上的(de)(de)東西，把(ba)圖(tu)紙上的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)變為實(shi)在的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)，還要(yao)走很(hen)長的(de)(de)路(lu)。瓦(wa)特辛(xin)辛(xin)苦苦造出了幾臺(tai)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)，但效果(guo)反(fan)而(er)不如紐可門(men)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)，甚至四處漏氣，無法(fa)開動(dong)。盡管(guan)耗資巨大的(de)(de)試驗使(shi)他(ta)債臺(tai)高筑，但他(ta)沒有(you)在困難面前怯步(bu)，繼續進行(xing)試驗。當(dang)布萊(lai)克(ke)知道瓦(wa)特的(de)(de)奮斗(dou)目標和困難處境(jing)時(shi)，他(ta)把(ba)瓦(wa)特介紹給了自(zi)己一個十分富有(you)的(de)(de)朋友--化工技(ji)師羅(luo)巴克(ke)。當(dang)時(shi)羅(luo)巴克(ke)是一個十分富有(you)的(de)(de)企業家，他(ta)在蘇格蘭的(de)(de)卡隆(long)開辦了第(di)一座規模較(jiao)大的(de)(de)煉鐵廠。雖(sui)然當(dang)時(shi)羅(luo)巴克(ke)已近50歲，但對(dui)科學技(ji)術的(de)(de)新(xin)發(fa)明仍然傾注著極大的(de)(de)熱(re)情。他(ta)對(dui)當(dang)時(shi)只有(you)三十來(lai)歲的(de)(de)瓦(wa)特的(de)(de)新(xin)裝(zhuang)置很(hen)是贊(zan)許，當(dang)即與(yu)瓦(wa)特簽訂合同，贊(zan)助瓦(wa)特進行(xing)新(xin)式蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)的(de)(de)試制。

從1766年開始(shi)，在(zai)三年多(duo)的(de)時間里，瓦(wa)特克服(fu)了(le)(le)在(zai)材(cai)料和工(gong)藝等各方面的(de)困難，終于在(zai)1769年制出了(le)(le)第一臺樣(yang)機(ji)。同(tong)年，瓦(wa)特因(yin)發明冷凝器而獲得他在(zai)革新(xin)紐(niu)可門(men)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)的(de)過(guo)程中的(de)第一項專利。第一臺帶(dai)有(you)冷凝器的(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)雖然試制成功了(le)(le)，但它同(tong)紐(niu)可門(men)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)相比，除了(le)(le)熱(re)效率有(you)顯(xian)著提(ti)高外，在(zai)作為動力機(ji)來(lai)帶(dai)動其他工(gong)作機(ji)的(de)性(xing)能方面仍未(wei)取得實質性(xing)進(jin)展。就是(shi)說，瓦(wa)特的(de)這種蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)還(huan)是(shi)無法作為真(zhen)正的(de)動力機(ji)。

優點

現(xian)代蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)最大的(de)(de)(de)優點(dian)是(shi)它幾乎可(ke)以(yi)利(li)用所有(you)的(de)(de)(de)燃(ran)料(liao)(liao)將熱(re)能(neng)(neng)轉化為機(ji)(ji)械能(neng)(neng)。不(bu)像內燃(ran)機(ji)(ji)那樣，它對(dui)其(qi)燃(ran)料(liao)(liao)不(bu)挑剔。此(ci)外沒有(you)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)話原子(zi)能(neng)(neng)無法(fa)被(bei)使(shi)用。原子(zi)反應(ying)堆(dui)即不(bu)直接(jie)產生機(ji)(ji)械能(neng)(neng)，又不(bu)直接(jie)產生電能(neng)(neng)，原子(zi)反應(ying)堆(dui)實際上只是(shi)加熱(re)水，這(zhe)個水被(bei)沸(fei)騰后(hou)的(de)(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)通(tong)過(guo)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)來轉化為有(you)用的(de)(de)(de)功。蒸(zheng)汽(qi)不(bu)一定需要通(tong)過(guo)燃(ran)燒來產生，比如使(shi)用太陽能(neng)(neng)聚熱(re)器也可(ke)以(yi)產生蒸(zheng)汽(qi)推動蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)。

另一種(zhong)有類似優點的小巧的外(wai)燃(ran)機是斯(si)特林發(fa)動機。其缺點是它(ta)在許多情況(kuang)下(xia)難(nan)以(yi)運行(xing)。

尤其(qi)在(zai)高(gao)山(shan)上蒸(zheng)汽機(ji)機(ji)車(che)(che)(che)的(de)優(you)點顯著，因(yin)為(wei)它(ta)們也可以(yi)在(zai)比(bi)較(jiao)低的(de)氣(qi)壓下運行。當南美洲(zhou)將用柴(chai)(chai)油(you)-電力機(ji)車(che)(che)(che)取代它(ta)們的(de)蒸(zheng)汽機(ji)車(che)(che)(che)后(hou)這一(yi)點就被發現了(le)。在(zai)高(gao)山(shan)上他們不得不放棄使(shi)用功率(lv)比(bi)較(jiao)高(gao)的(de)柴(chai)(chai)油(you)機(ji)車(che)(che)(che)，取而代之的(de)還是功率(lv)雖然不如柴(chai)(chai)油(you)機(ji)車(che)(che)(che)但(dan)不受海拔限制的(de)蒸(zheng)汽機(ji)車(che)(che)(che)。

在瑞士和奧地利新的齒(chi)軌(gui)鐵路使(shi)用現代的蒸汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)，這些(xie)蒸汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)只需要一個人來運行，比(bi)起過去的蒸汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)它(ta)(ta)節省60%的燃(ran)料，比(bi)起電(dian)力機(ji)(ji)(ji)和柴油機(ji)(ji)(ji)它(ta)(ta)輕(qing)50%，因此對齒(chi)軌(gui)的磨損小得多。在日(ri)內(nei)瓦湖上也(ye)有一艘新的蒸汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)船，它(ta)(ta)是世界(jie)上第(di)一艘遙控的蒸汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)船。

缺點

蒸(zheng)汽機(ji)的(de)弱點是(shi)(shi)：離(li)不開鍋(guo)爐，整個裝置既(ji)笨重又龐大(da)；新蒸(zheng)汽的(de)壓力(li)和溫(wen)度不能(neng)過高(gao)，排氣壓力(li)不能(neng)過低，熱效率難(nan)以提(ti)高(gao)；它是(shi)(shi)一(yi)種往復式(shi)機(ji)器，慣性(xing)限(xian)制(zhi)(zhi)了轉速的(de)提(ti)高(gao)；工作過程是(shi)(shi)不連(lian)續(xu)的(de)，蒸(zheng)汽的(de)流(liu)量(liang)受(shou)到限(xian)制(zhi)(zhi)，也就限(xian)制(zhi)(zhi)了功率的(de)提(ti)高(gao)。

因此(ci)，拋棄了(le)(le)笨(ben)重鍋爐的內(nei)燃(ran)機(ji)，最終(zhong)以其(qi)重量(liang)輕，體(ti)積(ji)小、熱效(xiao)率(lv)(lv)高和(he)操(cao)作(zuo)靈活等優點，在船舶和(he)機(ji)車上逐漸取代了(le)(le)蒸汽(qi)機(ji)。汽(qi)輪(lun)機(ji)則以其(qi)熱效(xiao)率(lv)(lv)高、單機(ji)功(gong)率(lv)(lv)大、轉速高、單位功(gong)率(lv)(lv)重量(liang)輕和(he)運行平穩等優點，將蒸汽(qi)機(ji)排擠出了(le)(le)電站(zhan)。

接著電動機又(you)以(yi)其(qi)使(shi)用(yong)方便，代替了蒸(zheng)汽(qi)機在(zai)工業設備中的應用(yong)。然而小功率(lv)蒸(zheng)汽(qi)機熱效率(lv)比汽(qi)輪機高，所以(yi)在(zai)產煤(mei)區或(huo)只有劣質燃料的地區或(huo)某些(xie)特殊場合，蒸(zheng)汽(qi)機仍有發揮作用(yong)的余地。

歷史作用

蒸汽(qi)(qi)機(ji)有很大(da)的(de)(de)歷史(shi)作用(yong)，它(ta)曾推(tui)動(dong)(dong)了機(ji)械工(gong)業(ye)甚(shen)至社會的(de)(de)發展(zhan)，解決了大(da)機(ji)器(qi)生產中(zhong)最關鍵的(de)(de)問題，推(tui)動(dong)(dong)了交(jiao)通運輸空前的(de)(de)進步。隨著它(ta)的(de)(de)發展(zhan)而建立的(de)(de)熱(re)力(li)學(xue)和(he)(he)機(ji)構(gou)學(xue)為(wei)汽(qi)(qi)輪機(ji)和(he)(he)內燃(ran)機(ji)的(de)(de)發展(zhan)奠定了基(ji)礎；汽(qi)(qi)輪機(ji)繼承了蒸汽(qi)(qi)機(ji)以蒸汽(qi)(qi)為(wei)工(gong)質的(de)(de)特點，和(he)(he)采用(yong)凝汽(qi)(qi)器(qi)以降低排(pai)汽(qi)(qi)壓力(li)的(de)(de)優點，摒棄(qi)了往(wang)復(fu)運動(dong)(dong)和(he)(he)間斷進汽(qi)(qi)的(de)(de)缺點；內燃(ran)機(ji)繼承了蒸汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)基(ji)本(ben)結構(gou)和(he)(he)傳動(dong)(dong)形(xing)式，采用(yong)了將燃(ran)油直接輸入(ru)汽(qi)(qi)缸內燃(ran)燒的(de)(de)方式，形(xing)成了熱(re)效(xiao)率高得(de)多(duo)的(de)(de)熱(re)力(li)循環(huan)；同(tong)時，蒸汽(qi)(qi)機(ji)所采用(yong)的(de)(de)汽(qi)(qi)缸、活(huo)塞、飛輪、飛錘調(diao)速器(qi)，閥(fa)門和(he)(he)密封件等，均是構(gou)成多(duo)種(zhong)現代機(ji)械的(de)(de)基(ji)本(ben)元件。

工業革(ge)命(ming)(ming)的(de)(de)(de)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)一部分原(yuan)因是因為(wei)蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)(de)改(gai)(gai)良(liang)(liang)(瓦特(te)沒有(you)(you)發(fa)明蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)，他只(zhi)是改(gai)(gai)良(liang)(liang))，而(er)(er)蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)車的(de)(de)(de)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)也是因為(wei)蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)(de)改(gai)(gai)良(liang)(liang)以及后人(ren)的(de)(de)(de)應(ying)用而(er)(er)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)，當時(shi)(shi)英國鼓勵發(fa)明，并(bing)且在人(ren)口增(zeng)加(jia)需要增(zeng)加(jia)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)(chan)速度之時(shi)(shi)，便(bian)(bian)開始有(you)(you)人(ren)努(nu)力(li)(li)的(de)(de)(de)改(gai)(gai)進當時(shi)(shi)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)(chan)設(she)備，瓦特(te)便(bian)(bian)是其(qi)中之一，而(er)(er)瓦特(te)改(gai)(gai)良(liang)(liang)蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)導致一系列技術革(ge)命(ming)(ming)引(yin)(yin)起了從手工勞(lao)動(dong)(dong)向動(dong)(dong)力(li)(li)機(ji)器生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)(chan)轉變。因此蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)(de)改(gai)(gai)良(liang)(liang)絕對是促成工業革(ge)命(ming)(ming)的(de)(de)(de)原(yuan)因之一。而(er)(er)蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)車是一種(zhong)以蒸汽(qi)(qi)(qi)引(yin)(yin)擎作為(wei)動(dong)(dong)力(li)(li)來源的(de)(de)(de)鐵路機(ji)車，因此若沒有(you)(you)蒸汽(qi)(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)(de)改(gai)(gai)良(liang)(liang)便(bian)(bian)不(bu)可能有(you)(you)這項交(jiao)通工具的(de)(de)(de)誕生(sheng)(sheng)。