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發明歷史

世界上第一(yi)臺蒸(zheng)汽機是由古希臘數(shu)學家亞歷山(shan)大港(gang)的希羅(luo)（Hero of Alexandria）于公(gong)元1世紀發明的汽轉球（Aeolipile），這是蒸(zheng)汽機的雛形。

約1679年法國物理學家丹尼斯·巴本在觀察蒸汽(qi)逃離(li)他的(de)高(gao)壓鍋后制(zhi)造了(le)第一臺蒸汽(qi)機(ji)的(de)工作模型。同時代的(de)薩(sa)繆爾·莫蘭也提出了(le)蒸汽(qi)機(ji)的(de)主意。

1698年托馬(ma)(ma)斯·塞(sai)維利和(he)1712年托馬(ma)(ma)斯·紐科(ke)(ke)門制(zhi)造(zao)了(le)早期的工業(ye)蒸汽(qi)機(ji)，他們對蒸汽(qi)機(ji)的發(fa)展都做出(chu)了(le)自己的貢獻。1807年羅伯特·富爾頓第一(yi)個(ge)成功地用(yong)蒸汽(qi)機(ji)來驅動輪(lun)船。瓦特運(yun)用(yong)科(ke)(ke)學理論，逐漸發(fa)現了(le)這種蒸汽(qi)機(ji)的毛病所在。從1765年到1790年，他進行(xing)了(le)一(yi)系列發(fa)明(ming)，比如分離式(shi)冷凝器(qi)、汽(qi)缸外(wai)設置絕熱層、用(yong)油潤(run)滑活塞(sai)、行(xing)星式(shi)齒輪(lun)、平(ping)行(xing)運(yun)動連桿機(ji)構(gou)、離心(xin)式(shi)調(diao)速器(qi)、節氣閥、壓力(li)計等(deng)等(deng)，使蒸汽(qi)機(ji)的效率提高到原來紐科(ke)(ke)門機(ji)的3倍(bei)多，最終發(fa)明(ming)出(chu)工業(ye)用(yong)蒸汽(qi)機(ji)。

16世(shi)紀末(mo)到17世(shi)紀后(hou)期，英國的采礦業，特別是煤(mei)礦，已發(fa)展(zhan)到相當的規模，單(dan)靠人力(li)(li)、畜(chu)力(li)(li)已難以滿足排除礦井地(di)下水的要求(qiu)，而(er)現場又有豐(feng)富而(er)廉價的煤(mei)作為(wei)燃料。現實的需要促使許多人，如英國的帕潘(pan)、薩弗里、紐科門等就(jiu)致(zhi)力(li)(li)于“以火力(li)(li)提水”的探索和試驗。

最初的(de)(de)真空(kong)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)被(bei)用來將礦井里的(de)(de)水抽(chou)出來。紐科(ke)門的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)將蒸(zheng)(zheng)汽引入(ru)氣(qi)(qi)缸后閥門被(bei)關(guan)閉，然后冷(leng)水被(bei)撒(sa)入(ru)汽缸，蒸(zheng)(zheng)汽凝結時造成真空(kong)。活塞另一面的(de)(de)空(kong)氣(qi)(qi)壓力推動活塞。在礦井中聯結一根(gen)深入(ru)豎井的(de)(de)桿(gan)來驅動一個泵。蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)活塞的(de)(de)運(yun)動通過這根(gen)桿(gan)傳到泵的(de)(de)活塞來將水抽(chou)到井外(wai)。

第一(yi)個(ge)巨大的改(gai)善是將(jiang)氣缸與(yu)凝結缸通(tong)過一(yi)個(ge)閥門(men)分開。瓦特在伯(bo)明翰(han)發明了這個(ge)改(gai)進(jin)。這個(ge)改(gai)進(jin)提高(gao)了蒸汽機的效率。下一(yi)個(ge)改(gai)進(jin)是將(jiang)閥門(men)的操作自動化。

這些(xie)早期的(de)(de)(de)真(zhen)空蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)有限(xian)，但(dan)(dan)它們比較(jiao)安全，因為它們的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)比較(jiao)低(di)，在(zai)(zai)物質(zhi)發生損壞(huai)的(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)下機(ji)(ji)(ji)器(qi)向內(nei)收縮，而不是(shi)向外爆炸。它們的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)受外部氣(qi)壓(ya)、氣(qi)缸變(bian)形、燃燒和(he)沸騰的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)和(he)凝結能力(li)的(de)(de)(de)限(xian)制。理(li)論最高效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)受水在(zai)(zai)普通(tong)大(da)氣(qi)壓(ya)下比較(jiao)低(di)的(de)(de)(de)沸騰溫度限(xian)制。使用高溫高壓(ya)的(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)為蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)帶(dai)來了巨大(da)的(de)(de)(de)提(ti)高。但(dan)(dan)這種蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)比真(zhen)空蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)危險得(de)多。鍋(guo)爐和(he)機(ji)(ji)(ji)器(qi)的(de)(de)(de)爆炸造(zao)成了許多大(da)事故。安全閥在(zai)(zai)這里帶(dai)來了很大(da)的(de)(de)(de)改進，在(zai)(zai)壓(ya)力(li)過高的(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)下安全閥放(fang)氣(qi)減(jian)壓(ya)。但(dan)(dan)真(zhen)正保證安全只(zhi)有依(yi)靠建造(zao)、運行(xing)和(he)維護的(de)(de)(de)經驗和(he)安全規(gui)則(ze)。

薩(sa)弗里制(zhi)成(cheng)的(de)世界上(shang)第一臺實用(yong)的(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)提(ti)水(shui)(shui)(shui)機，在1698年取得(de)標名(ming)為“礦(kuang)工之友”的(de)英國專利。他將(jiang)一個蛋(dan)形容(rong)器(qi)先充滿蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)，然后關閉進(jin)汽(qi)(qi)(qi)閥(fa)，在容(rong)器(qi)外噴淋冷(leng)水(shui)(shui)(shui)使(shi)容(rong)器(qi)內蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)冷(leng)凝而形成(cheng)真空(kong)。打開(kai)進(jin)水(shui)(shui)(shui)閥(fa)，礦(kuang)井底的(de)水(shui)(shui)(shui)受大氣壓力作用(yong)經進(jin)水(shui)(shui)(shui)管吸入(ru)容(rong)器(qi)中；關閉進(jin)水(shui)(shui)(shui)閥(fa)，重開(kai)進(jin)汽(qi)(qi)(qi)閥(fa)，靠蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)壓力將(jiang)容(rong)器(qi)中的(de)水(shui)(shui)(shui)經排(pai)(pai)水(shui)(shui)(shui)閥(fa)壓出。待容(rong)器(qi)中的(de)水(shui)(shui)(shui)被(bei)排(pai)(pai)空(kong)而充滿蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)時(shi)，關閉進(jin)汽(qi)(qi)(qi)閥(fa)和(he)排(pai)(pai)水(shui)(shui)(shui)閥(fa)，重新噴水(shui)(shui)(shui)使(shi)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)冷(leng)凝。如此反復循環，用(yong)兩(liang)個蛋(dan)形容(rong)器(qi)交替(ti)工作，可連續排(pai)(pai)水(shui)(shui)(shui)。

薩弗(fu)里的(de)提水機依(yi)靠真空的(de)吸力汲水，汲水深度不能超過六米(mi)。為了從幾十米(mi)深的(de)礦(kuang)井(jing)汲水，須將(jiang)提水機裝在礦(kuang)井(jing)深處(chu)，用(yong)較高的(de)蒸汽壓力才(cai)能將(jiang)水壓到地面上(shang)，這(zhe)在當(dang)時無疑是困難而又危險的(de)。

紐科(ke)門及其助手(shou)卡利在(zai)(zai)(zai)1705年發明(ming)了(le)大(da)氣式(shi)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)，用以驅動獨立的(de)提水泵，被稱為紐科(ke)門大(da)氣式(shi)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)。這種蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)先(xian)在(zai)(zai)(zai)英國(guo)，后來在(zai)(zai)(zai)歐洲大(da)陸得到迅(xun)速推廣，它的(de)改型(xing)產(chan)品直到19世紀初(chu)還在(zai)(zai)(zai)制(zhi)造。紐科(ke)門大(da)氣式(shi)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)熱(re)效率很低，這主要是由于蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)進(jin)入汽(qi)(qi)缸時，在(zai)(zai)(zai)剛(gang)被水冷卻(que)過的(de)汽(qi)(qi)缸壁上冷凝而損失(shi)掉大(da)量(liang)(liang)熱(re)量(liang)(liang)，只在(zai)(zai)(zai)煤價低廉的(de)產(chan)煤區才(cai)得到推廣。

1764年(nian)，英國的(de)儀器(qi)修理工詹姆斯(si)·瓦(wa)(wa)特(te)為格拉斯(si)哥(ge)大學修理紐(niu)可門蒸(zheng)汽(qi)機模型(xing)時，注意(yi)到(dao)了這(zhe)一(yi)缺(que)點(dian)，并于1765年(nian)發(fa)明了設有與汽(qi)缸(gang)壁分開(kai)的(de)凝汽(qi)器(qi)的(de)蒸(zheng)汽(qi)機，并于1769年(nian)取得了英國的(de)專利(li)。初期的(de)瓦(wa)(wa)特(te)蒸(zheng)汽(qi)機仍用(yong)平衡杠桿(gan)和拉桿(gan)機構(gou)來驅動提水泵，為了從凝汽(qi)器(qi)中(zhong)抽(chou)除凝結水和空氣，瓦(wa)(wa)特(te)裝設了抽(chou)氣泵。他(ta)還在(zai)汽(qi)缸(gang)外壁加裝夾層，用(yong)蒸(zheng)汽(qi)加熱汽(qi)缸(gang)壁，以減少冷凝損失。

瓦(wa)特的(de)創造性工作使蒸汽機迅速地發展，他使原來只能提水的(de)機械，成為了可以(yi)普遍應用的(de)蒸汽機，并使蒸汽機的(de)熱(re)效率成倍(bei)提高(gao)，煤耗大(da)大(da)下降。因此(ci)瓦(wa)特是蒸汽機的(de)改(gai)良者。

自18世紀晚期起(qi)，蒸汽機不僅在(zai)采礦業中(zhong)(zhong)得(de)到(dao)廣泛(fan)應用，在(zai)冶煉(lian)、紡織、機器(qi)制造等行業中(zhong)(zhong)也都(dou)獲得(de)迅速推廣。它使英國的紡織品產量在(zai)20多(duo)年(nian)內(nei)(從1766年(nian)到(dao)1789年(nian))增長了(le)5倍(bei)，為(wei)市場提供(gong)了(le)大量消費商品，加速了(le)資(zi)金的積累，并對(dui)運輸業提出了(le)迫切要求(qiu)。

在(zai)船(chuan)舶(bo)上(shang)采用蒸(zheng)汽機作為推進(jin)動(dong)力(li)的實驗始于1776年,經過不(bu)斷(duan)改進(jin)，至1807年，美國的富爾頓制成了第一艘(sou)實用的明(ming)輪推進(jin)的蒸(zheng)汽機船(chuan)“克萊蒙”號。此后，蒸(zheng)汽機在(zai)船(chuan)舶(bo)上(shang)作為推進(jin)動(dong)力(li)歷(li)百余年之久。

1800年，英(ying)國的(de)(de)特(te)里維西克(ke)設計(ji)了(le)可安(an)裝在較大車(che)(che)體上的(de)(de)高壓蒸汽(qi)機(ji)。1803年，他把它用來推(tui)動在一條環形軌道(dao)上開(kai)動的(de)(de)機(ji)車(che)(che)，找來喜歡新(xin)奇(qi)玩(wan)意兒的(de)(de)人(ren)乘坐，向他們收費，這就是機(ji)車(che)(che)的(de)(de)雛型(xing)。英(ying)國的(de)(de)史蒂芬孫將機(ji)車(che)(che)不斷改進，于1829年創造了(le)“火箭”號蒸汽(qi)機(ji)車(che)(che)，該機(ji)車(che)(che)拖帶一節(jie)載有30位乘客的(de)(de)車(che)(che)廂，時速達(da)46公里/時，引起了(le)各(ge)國的(de)(de)重視，開(kai)創了(le)鐵路時代(dai)。

19世(shi)紀末，隨著電力(li)應(ying)用的興(xing)起，蒸汽機(ji)曾(ceng)一度作(zuo)為電站中的主要動力(li)機(ji)械。1900年，美國紐約曾(ceng)有單機(ji)功率達五兆瓦的蒸汽機(ji)電站。

蒸汽機(ji)的發(fa)展在(zai)20世紀初達到了頂(ding)峰。它具有恒扭(niu)矩、可(ke)變速、可(ke)逆轉(zhuan)、運行(xing)可(ke)靠、制造和(he)維修(xiu)方便等優點，因此曾被廣泛用于電站、工廠、機(ji)車(che)和(he)船(chuan)舶等各個領(ling)域中(zhong)，特別在(zai)軍(jun)艦上成了當時唯一(yi)的原動(dong)機(ji)。

需要特別注(zhu)意的(de)(de)是，許多教科書上（歷史書、物理書）說瓦特是蒸汽機(ji)的(de)(de)發(fa)明者。這是誤傳。蒸汽機(ji)是英國人薩維(wei)利（Savery）于(yu)1698年、紐可(ke)門（Newcomen）于(yu)1705年各自(zi)獨(du)立(li)發(fa)明的(de)(de)，用于(yu)礦井抽水(shui)。當時(shi)效率很低。

1765年，瓦特在修(xiu)理(li)紐可(ke)門機(ji)的(de)基礎上，對蒸(zheng)汽(qi)機(ji)做了重大改進(jin)，使冷凝器與汽(qi)缸分離，發明曲軸和齒輪(lun)傳動(dong)以及(ji)離心調速器等(deng)，使蒸(zheng)汽(qi)機(ji)實現(xian)了現(xian)代化，大大提高了蒸(zheng)汽(qi)機(ji)的(de)效率。瓦特的(de)這些發明，仍使用在現(xian)代蒸(zheng)汽(qi)機(ji)中(zhong)，為紀念(nian)瓦特的(de)貢獻，功率的(de)單位名稱以其姓(xing)氏命名。

構造

蒸汽(qi)(qi)機主要(yao)由汽(qi)(qi)缸、底座(zuo)、活(huo)塞、曲柄連桿機構(gou)、滑閥配汽(qi)(qi)機構(gou)、調(diao)速機構(gou)和(he)飛輪(lun)等部分組(zu)成。汽(qi)(qi)缸和(he)底座(zuo)是靜止部分。

在蒸(zheng)汽(qi)(qi)鍋爐中，通(tong)(tong)過燃燒過程水(shui)沸騰為(wei)蒸(zheng)汽(qi)(qi)。通(tong)(tong)過管(guan)(guan)道(dao)蒸(zheng)汽(qi)(qi)被(bei)送到汽(qi)(qi)缸(gang)(gang)。閥(fa)(fa)(fa)門控制蒸(zheng)汽(qi)(qi)到達汽(qi)(qi)缸(gang)(gang)的時(shi)間，經主汽(qi)(qi)閥(fa)(fa)(fa)和節流(liu)閥(fa)(fa)(fa)進入(ru)滑閥(fa)(fa)(fa)室，受滑閥(fa)(fa)(fa)控制交替地進入(ru)汽(qi)(qi)缸(gang)(gang)的左側(ce)或右側(ce)，推(tui)動活塞(sai)運動。蒸(zheng)汽(qi)(qi)在汽(qi)(qi)缸(gang)(gang)內推(tui)動活塞(sai)做功，冷卻的蒸(zheng)汽(qi)(qi)通(tong)(tong)過管(guan)(guan)道(dao)被(bei)引入(ru)冷凝器重新凝結為(wei)水(shui)。這個過程在蒸(zheng)汽(qi)(qi)機運動時(shi)不斷重復。

一(yi)般的(de)(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)機有三個(ge)汽(qi)缸組成一(yi)個(ge)組。蒸(zheng)汽(qi)機直接將(jiang)活塞的(de)(de)(de)上下運動(dong)轉(zhuan)化為船軸(zhou)的(de)(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)運動(dong)。新造的(de)(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)機中(zhong)還包含了一(yi)個(ge)小的(de)(de)(de)渦輪機，從汽(qi)缸中(zhong)出來的(de)(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)還可以利(li)用它的(de)(de)(de)余熱在推動(dong)這(zhe)個(ge)渦輪機來提高整個(ge)驅動(dong)裝置的(de)(de)(de)效率。這(zhe)個(ge)渦輪機也與船的(de)(de)(de)螺旋(xuan)漿軸(zhou)相連。

分類

鍋爐分類

火(huo)管造型被用在(zai)早期的船只(zhi)和蒸汽機(ji)車的鍋(guo)爐中。在(zai)火(huo)管式鍋(guo)爐中，從燃燒室出來的熱煙通(tong)過煙道(dao)由(you)煙囪排出。這種鍋(guo)爐需要一個比(bi)較高的煙囪。

水(shui)管(guan)(guan)造(zao)(zao)型(xing)的(de)(de)水(shui)由(you)熱(re)(re)氣通過多個(ge)(ge)管(guan)(guan)道加熱(re)(re)。這些管(guan)(guan)道在(zai)交換(huan)器(qi)的(de)(de)頂(ding)部(bu)流入一(yi)個(ge)(ge)蒸汽(qi)集合腔。水(shui)管(guan)(guan)鍋(guo)爐(lu)的(de)(de)一(yi)個(ge)(ge)重(zhong)要(yao)優點是它在(zai)破(po)壞時(shi)造(zao)(zao)成的(de)(de)危(wei)險比(bi)較小(xiao)，原(yuan)因是因為鍋(guo)爐(lu)里的(de)(de)水(shui)的(de)(de)量比(bi)較小(xiao)，此外鍋(guo)爐(lu)里沒有(you)(you)多少會被磨(mo)損的(de)(de)運動的(de)(de)機(ji)械組成部(bu)分，一(yi)些水(shui)管(guan)(guan)鍋(guo)爐(lu)在(zai)排煙(yan)道上還有(you)(you)一(yi)個(ge)(ge)熱(re)(re)交換(huan)器(qi)來(lai)提高整個(ge)(ge)鍋(guo)爐(lu)的(de)(de)熱(re)(re)效率(lv)。

蒸汽機分類

按蒸汽在活(huo)塞一側或兩側工作，蒸汽機可分為單作用(yong)和(he)雙(shuang)作用(yong)式兩種；

按汽(qi)缸(gang)布置(zhi)方式(shi)，可(ke)分為(wei)立(li)式(shi)和(he)臥(wo)式(shi)；按蒸汽(qi)是在(zai)一個(ge)汽(qi)缸(gang)中(zhong)膨脹(zhang)(zhang)或依次連(lian)續(xu)在(zai)多個(ge)汽(qi)缸(gang)中(zhong)膨脹(zhang)(zhang)，可(ke)分為(wei)單脹(zhang)(zhang)式(shi)和(he)多脹(zhang)(zhang)式(shi)；按蒸汽(qi)在(zai)汽(qi)缸(gang)中(zhong)的流(liu)(liu)向，可(ke)分為(wei)回流(liu)(liu)式(shi)和(he)單流(liu)(liu)式(shi)；

按排(pai)汽方式(shi)和(he)排(pai)汽壓(ya)力可分為凝汽式(shi)、大(da)氣式(shi)和(he)背壓(ya)式(shi)。

發展提高

功效

蒸(zheng)汽(qi)機的發展(zhan)首先(xian)體現在功率和(he)效率的提高(gao)，而(er)(er)這又主要取(qu)決于(yu)蒸(zheng)汽(qi)參數的提高(gao)。初(chu)期蒸(zheng)汽(qi)機的蒸(zheng)汽(qi)壓力僅(jin)為0.11～0.13兆(zhao)帕(pa)，19世(shi)紀(ji)初(chu)才達(da)到(dao)0.35～0.7兆(zhao)帕(pa)，20世(shi)紀(ji)20年代(dai)曾(ceng)用到(dao)6～10兆(zhao)帕(pa)。在蒸(zheng)汽(qi)溫(wen)度上，19世(shi)紀(ji)末還不超(chao)過250℃，而(er)(er)到(dao)20世(shi)紀(ji)30年代(dai)曾(ceng)用到(dao)450～480℃。

效率

至于效率(lv)，瓦特初期連續運轉的(de)蒸汽(qi)機，按燃料熱(re)值計(ji)總效率(lv)不超過3%；到1840年，最好的(de)凝汽(qi)式蒸汽(qi)機總效率(lv)可達8%；到20世(shi)紀，蒸汽(qi)機最高效率(lv)可達到20%以上。

轉速

在轉(zhuan)速方(fang)面(mian)，18世(shi)紀(ji)末瓦特蒸汽(qi)機僅(jin)40～50轉(zhuan)/分(fen)；20世(shi)紀(ji)初(chu)轉(zhuan)速達(da)到100～300轉(zhuan)/分(fen)，個別(bie)蒸汽(qi)機曾(ceng)達(da)到2500轉(zhuan)/分(fen)。在功率(lv)(lv)方(fang)面(mian)，最初(chu)單機功率(lv)(lv)僅(jin)幾馬力，20世(shi)紀(ji)初(chu)的(de)一臺船用(yong)蒸汽(qi)機的(de)功率(lv)(lv)可達(da)25000馬力。

隨著(zhu)蒸(zheng)汽(qi)參數和(he)功率的(de)提高(gao)，蒸(zheng)汽(qi)已不可能在(zai)一個汽(qi)缸(gang)中繼續膨脹，還(huan)(huan)必須在(zai)相連接的(de)汽(qi)缸(gang)中繼續膨脹，于(yu)(yu)是出現了(le)多級膨脹的(de)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)。蒸(zheng)汽(qi)機(ji)因受到潤滑油閃點的(de)限(xian)制，所用蒸(zheng)汽(qi)的(de)最高(gao)溫度一般(ban)都不超(chao)過400℃，機(ji)車，船用等移動式蒸(zheng)汽(qi)機(ji)還(huan)(huan)略低(di)一些，多數不高(gao)于(yu)(yu)350℃。考慮到膨脹的(de)可能性和(he)結構的(de)經濟性，常用壓力(li)在(zai)2.5兆帕以(yi)下。蒸(zheng)汽(qi)參數受到限(xian)制，從(cong)而(er)也限(xian)制了(le)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)功率的(de)進一步提高(gao)。

意義

蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)的(de)(de)出(chu)現(xian)和改(gai)進(jin)促(cu)進(jin)了社會經(jing)濟的(de)(de)發展，但同時經(jing)濟的(de)(de)發展反過來(lai)又向蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)提出(chu)了更(geng)高(gao)的(de)(de)要求(qiu)，如要求(qiu)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)功率(lv)大(da)、效率(lv)高(gao)、重量(liang)輕(qing)、尺寸小(xiao)等。盡(jin)管(guan)人們(men)對蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)作過許多(duo)改(gai)進(jin)，不斷(duan)擴(kuo)大(da)它的(de)(de)使(shi)用范圍和改(gai)善它的(de)(de)性能，但是隨著汽輪機(ji)和內燃機(ji)的(de)(de)發展，蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)因存(cun)在不可克服(fu)的(de)(de)弱點而逐漸衰落。

改良過程

1764年，學校請(qing)瓦(wa)特(te)修理(li)一臺紐可門式(shi)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)，在(zai)修理(li)的(de)(de)(de)過程中，瓦(wa)特(te)熟(shu)悉了蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)(de)構造(zao)和(he)原理(li)，并且發現了這種蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)(de)兩大缺點：活塞(sai)動作不(bu)連(lian)續而且慢；蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)利用率低(di)，浪費原料。以后，瓦(wa)特(te)開始思考改進的(de)(de)(de)辦法。直到(dao)1765年的(de)(de)(de)春天，在(zai)一次散(san)步(bu)時(shi)，瓦(wa)特(te)想(xiang)到(dao)，既然(ran)紐可門蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)(de)熱(re)效率低(di)是蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)在(zai)缸內冷(leng)凝造(zao)成的(de)(de)(de)，那么(me)為什么(me)不(bu)能讓蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)在(zai)缸外冷(leng)凝呢？瓦(wa)特(te)產生了采用分離冷(leng)凝器的(de)(de)(de)最初設想(xiang)。

在產(chan)(chan)生(sheng)這種設(she)想以(yi)后，瓦(wa)特(te)在同(tong)年設(she)計了一(yi)(yi)種帶有分離冷(leng)凝器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)蒸汽(qi)(qi)機(ji)。按照設(she)計，冷(leng)凝器(qi)(qi)與汽(qi)(qi)缸之間(jian)有一(yi)(yi)個調節閥門相(xiang)連(lian)，使他們既(ji)能連(lian)通又能分開。這樣(yang)，既(ji)能把做功后的(de)(de)(de)(de)(de)蒸汽(qi)(qi)引(yin)入汽(qi)(qi)缸外的(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)凝器(qi)(qi)，又可以(yi)使汽(qi)(qi)缸內產(chan)(chan)生(sheng)同(tong)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)真(zhen)空，避免(mian)了汽(qi)(qi)缸在一(yi)(yi)冷(leng)一(yi)(yi)熱過程中熱量的(de)(de)(de)(de)(de)消耗，據瓦(wa)特(te)理論(lun)計算，這種新的(de)(de)(de)(de)(de)蒸汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)熱效率將是紐(niu)可門蒸汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)三倍。

從理論上(shang)(shang)說，瓦(wa)(wa)特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)這(zhe)種帶有(you)分(fen)(fen)離器冷凝器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機顯(xian)然優于紐(niu)可門(men)蒸(zheng)(zheng)汽機，但是(shi)，要把(ba)理論上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)東(dong)西(xi)變為實(shi)際上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)東(dong)西(xi)，把(ba)圖紙上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機變為實(shi)在的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機，還要走很長的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)路。瓦(wa)(wa)特(te)辛辛苦苦造(zao)出了(le)(le)幾臺(tai)蒸(zheng)(zheng)汽機，但效果反(fan)而不(bu)如(ru)紐(niu)可門(men)蒸(zheng)(zheng)汽機，甚(shen)至四處(chu)漏氣，無(wu)法(fa)開(kai)動。盡管耗(hao)資巨(ju)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)試(shi)(shi)驗使他(ta)債臺(tai)高筑，但他(ta)沒有(you)在困(kun)難面(mian)前怯(qie)步，繼續進行(xing)試(shi)(shi)驗。當(dang)布(bu)萊(lai)克(ke)知道瓦(wa)(wa)特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)奮斗(dou)目(mu)標和困(kun)難處(chu)境(jing)時，他(ta)把(ba)瓦(wa)(wa)特(te)介紹給了(le)(le)自己一個十分(fen)(fen)富有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)朋友(you)--化工技師(shi)羅巴克(ke)。當(dang)時羅巴克(ke)是(shi)一個十分(fen)(fen)富有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)企業(ye)家，他(ta)在蘇格蘭的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)卡(ka)隆開(kai)辦(ban)了(le)(le)第(di)一座規模(mo)較大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)煉鐵廠。雖(sui)然當(dang)時羅巴克(ke)已近50歲，但對科學技術的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)新(xin)發明仍然傾注(zhu)著極(ji)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱情。他(ta)對當(dang)時只有(you)三十來(lai)歲的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)瓦(wa)(wa)特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)新(xin)裝置(zhi)很是(shi)贊許，當(dang)即與(yu)瓦(wa)(wa)特(te)簽訂(ding)合同，贊助(zhu)瓦(wa)(wa)特(te)進行(xing)新(xin)式蒸(zheng)(zheng)汽機的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)試(shi)(shi)制。

從1766年(nian)開始，在(zai)(zai)(zai)三年(nian)多(duo)的(de)(de)時間(jian)里，瓦(wa)特(te)克(ke)服了(le)在(zai)(zai)(zai)材料和(he)工藝等各方面的(de)(de)困(kun)難，終于在(zai)(zai)(zai)1769年(nian)制出了(le)第(di)一(yi)臺樣機(ji)(ji)(ji)。同年(nian)，瓦(wa)特(te)因(yin)發明冷凝器而獲得(de)他(ta)在(zai)(zai)(zai)革(ge)新紐可門(men)蒸(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)過程中(zhong)的(de)(de)第(di)一(yi)項專(zhuan)利(li)。第(di)一(yi)臺帶有(you)冷凝器的(de)(de)蒸(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)雖然試制成功了(le)，但(dan)它同紐可門(men)蒸(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)相比，除了(le)熱效率有(you)顯著提高外(wai)，在(zai)(zai)(zai)作為動(dong)力(li)機(ji)(ji)(ji)來帶動(dong)其他(ta)工作機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)性能方面仍(reng)未取得(de)實質性進(jin)展(zhan)。就是(shi)說，瓦(wa)特(te)的(de)(de)這種蒸(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)還是(shi)無(wu)法作為真(zhen)正的(de)(de)動(dong)力(li)機(ji)(ji)(ji)。

優點

現代(dai)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)的最(zui)大(da)的優點是(shi)它(ta)幾乎可以利用(yong)所有的燃(ran)(ran)料將熱能轉化為(wei)機(ji)(ji)(ji)械能。不(bu)像內燃(ran)(ran)機(ji)(ji)(ji)那(nei)樣(yang)，它(ta)對其燃(ran)(ran)料不(bu)挑剔。此外沒有蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)的話原子能無法被使(shi)用(yong)。原子反(fan)應堆即不(bu)直接產(chan)(chan)(chan)生機(ji)(ji)(ji)械能，又不(bu)直接產(chan)(chan)(chan)生電能，原子反(fan)應堆實際上只是(shi)加(jia)熱水(shui)，這個(ge)水(shui)被沸(fei)騰后的蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)通過蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)來(lai)轉化為(wei)有用(yong)的功。蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)不(bu)一定需要通過燃(ran)(ran)燒來(lai)產(chan)(chan)(chan)生，比如(ru)使(shi)用(yong)太(tai)陽(yang)能聚熱器也(ye)可以產(chan)(chan)(chan)生蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)推動蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)。

另一種有(you)類似(si)優點的小巧(qiao)的外燃機是斯特林(lin)發(fa)動機。其缺點是它在許多情況下難以運(yun)行(xing)。

尤其在高(gao)山(shan)上蒸汽機(ji)機(ji)車的(de)(de)優(you)點顯(xian)著，因為(wei)它(ta)(ta)們(men)也可以在比較(jiao)(jiao)低(di)的(de)(de)氣壓下(xia)運行。當南美洲將用柴油(you)-電力機(ji)車取代它(ta)(ta)們(men)的(de)(de)蒸汽機(ji)車后這一點就(jiu)被(bei)發現了。在高(gao)山(shan)上他們(men)不得不放棄使用功率(lv)比較(jiao)(jiao)高(gao)的(de)(de)柴油(you)機(ji)車，取而(er)代之的(de)(de)還是功率(lv)雖(sui)然不如柴油(you)機(ji)車但不受海拔限(xian)制的(de)(de)蒸汽機(ji)車。

在瑞士和奧地利新的齒軌(gui)鐵(tie)路使用現代的蒸(zheng)汽(qi)機(ji)，這(zhe)些蒸(zheng)汽(qi)機(ji)只需要(yao)一個人來運行，比起(qi)過去(qu)的蒸(zheng)汽(qi)機(ji)它(ta)(ta)節省60%的燃料，比起(qi)電(dian)力機(ji)和柴油機(ji)它(ta)(ta)輕50%，因此對齒軌(gui)的磨損小得多(duo)。在日內(nei)瓦湖上也有一艘(sou)新的蒸(zheng)汽(qi)機(ji)船(chuan)，它(ta)(ta)是世界上第一艘(sou)遙控(kong)的蒸(zheng)汽(qi)機(ji)船(chuan)。

缺點

蒸汽(qi)(qi)機(ji)的(de)弱點是(shi)：離(li)不(bu)開鍋爐，整個裝置既(ji)笨重(zhong)又龐大；新蒸汽(qi)(qi)的(de)壓(ya)力和溫度不(bu)能(neng)(neng)過(guo)高(gao)，排氣壓(ya)力不(bu)能(neng)(neng)過(guo)低，熱效率(lv)難以提高(gao)；它是(shi)一種往復式機(ji)器，慣性限(xian)制了(le)轉速的(de)提高(gao)；工作過(guo)程(cheng)是(shi)不(bu)連續的(de)，蒸汽(qi)(qi)的(de)流量受到限(xian)制，也就(jiu)限(xian)制了(le)功(gong)率(lv)的(de)提高(gao)。

因此，拋(pao)棄了(le)(le)笨重(zhong)鍋爐的(de)內燃(ran)機(ji)(ji)(ji)，最(zui)終以其重(zhong)量輕，體(ti)積小(xiao)、熱效(xiao)率高和(he)操(cao)作(zuo)靈活(huo)等優點，在船舶和(he)機(ji)(ji)(ji)車(che)上逐漸取代了(le)(le)蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)。汽(qi)輪機(ji)(ji)(ji)則(ze)以其熱效(xiao)率高、單機(ji)(ji)(ji)功(gong)率大、轉速(su)高、單位功(gong)率重(zhong)量輕和(he)運行平穩等優點，將蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)排擠出了(le)(le)電站。

接(jie)著電動機又以其使用(yong)(yong)方便，代替了蒸(zheng)汽(qi)機在(zai)工業設備中的應用(yong)(yong)。然而小(xiao)功率蒸(zheng)汽(qi)機熱效(xiao)率比汽(qi)輪機高，所以在(zai)產煤區或(huo)只有劣質燃料(liao)的地區或(huo)某些特殊場合，蒸(zheng)汽(qi)機仍有發揮(hui)作(zuo)用(yong)(yong)的余地。

歷史作用

蒸汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)有很(hen)大的(de)(de)(de)歷(li)史作(zuo)用，它(ta)曾(ceng)推(tui)動(dong)了(le)(le)機(ji)械工(gong)業(ye)甚至社會的(de)(de)(de)發展(zhan)(zhan)，解決了(le)(le)大機(ji)器(qi)生(sheng)產中最關鍵的(de)(de)(de)問題，推(tui)動(dong)了(le)(le)交(jiao)通運輸(shu)空前的(de)(de)(de)進步。隨著它(ta)的(de)(de)(de)發展(zhan)(zhan)而建立的(de)(de)(de)熱(re)力學和(he)(he)機(ji)構(gou)學為汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)輪(lun)機(ji)和(he)(he)內燃(ran)機(ji)的(de)(de)(de)發展(zhan)(zhan)奠(dian)定了(le)(le)基礎；汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)輪(lun)機(ji)繼承了(le)(le)蒸汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)以(yi)蒸汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)為工(gong)質的(de)(de)(de)特點(dian)，和(he)(he)采(cai)用凝汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)器(qi)以(yi)降低排汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)壓力的(de)(de)(de)優(you)點(dian)，摒棄了(le)(le)往(wang)復運動(dong)和(he)(he)間斷進汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)缺點(dian)；內燃(ran)機(ji)繼承了(le)(le)蒸汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)(de)基本結構(gou)和(he)(he)傳動(dong)形(xing)式，采(cai)用了(le)(le)將燃(ran)油直接輸(shu)入(ru)汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)缸內燃(ran)燒(shao)的(de)(de)(de)方式，形(xing)成了(le)(le)熱(re)效率高得多的(de)(de)(de)熱(re)力循(xun)環；同時，蒸汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)所采(cai)用的(de)(de)(de)汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)缸、活塞、飛(fei)輪(lun)、飛(fei)錘調速器(qi)，閥門和(he)(he)密(mi)封件等，均是構(gou)成多種(zhong)現代機(ji)械的(de)(de)(de)基本元件。

工業(ye)革(ge)命(ming)的(de)(de)產(chan)生(sheng)一(yi)部(bu)分原因是因為(wei)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)改(gai)良(liang)(liang)(瓦特(te)沒有發(fa)明蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)，他只是改(gai)良(liang)(liang))，而蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)車的(de)(de)產(chan)生(sheng)也是因為(wei)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)改(gai)良(liang)(liang)以及后人(ren)(ren)的(de)(de)應用而產(chan)生(sheng)的(de)(de)，當時(shi)英(ying)國(guo)鼓(gu)勵(li)發(fa)明，并且在(zai)人(ren)(ren)口增加需要增加生(sheng)產(chan)速度(du)之(zhi)時(shi)，便開始有人(ren)(ren)努(nu)力(li)(li)的(de)(de)改(gai)進當時(shi)的(de)(de)生(sheng)產(chan)設備，瓦特(te)便是其中之(zhi)一(yi)，而瓦特(te)改(gai)良(liang)(liang)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)導致一(yi)系列技術革(ge)命(ming)引起了(le)從手工勞動向動力(li)(li)機(ji)器生(sheng)產(chan)轉變。因此(ci)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)改(gai)良(liang)(liang)絕對是促成工業(ye)革(ge)命(ming)的(de)(de)原因之(zhi)一(yi)。而蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)車是一(yi)種(zhong)以蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)引擎作為(wei)動力(li)(li)來源的(de)(de)鐵路機(ji)車，因此(ci)若沒有蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)改(gai)良(liang)(liang)便不可(ke)能有這項交(jiao)通工具的(de)(de)誕生(sheng)。