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發明歷史

世(shi)界(jie)上第一臺(tai)蒸汽機是由古希(xi)臘數學家亞歷山(shan)大港的(de)希(xi)羅（Hero of Alexandria）于(yu)公元1世(shi)紀發明的(de)汽轉球（Aeolipile），這是蒸汽機的(de)雛形。

約1679年法國(guo)物理學家丹尼斯·巴本(ben)在觀察蒸(zheng)汽逃離他的(de)(de)(de)高壓鍋后制造了第一(yi)臺蒸(zheng)汽機(ji)的(de)(de)(de)工作模型。同時代的(de)(de)(de)薩繆爾·莫蘭也(ye)提(ti)出了蒸(zheng)汽機(ji)的(de)(de)(de)主意。

1698年(nian)托馬斯·塞維利和1712年(nian)托馬斯·紐(niu)科(ke)門(men)制(zhi)造了(le)早期的(de)(de)(de)工(gong)業(ye)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)，他們(men)對蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)都做出(chu)了(le)自己的(de)(de)(de)貢獻。1807年(nian)羅(luo)伯特·富(fu)爾頓第(di)一(yi)個(ge)成功地用(yong)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)來(lai)驅(qu)動(dong)輪(lun)船。瓦特運(yun)用(yong)科(ke)學理(li)論，逐漸發(fa)現(xian)了(le)這(zhe)種蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)的(de)(de)(de)毛病所在(zai)。從1765年(nian)到1790年(nian)，他進(jin)行了(le)一(yi)系列發(fa)明(ming)，比如分(fen)離(li)式(shi)(shi)冷凝器、汽缸(gang)外設(she)置絕熱層、用(yong)油潤(run)滑活塞、行星式(shi)(shi)齒輪(lun)、平(ping)行運(yun)動(dong)連桿機(ji)構、離(li)心式(shi)(shi)調速器、節(jie)氣閥、壓力計等等，使蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)的(de)(de)(de)效率提(ti)高到原來(lai)紐(niu)科(ke)門(men)機(ji)的(de)(de)(de)3倍多，最終發(fa)明(ming)出(chu)工(gong)業(ye)用(yong)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)。

16世紀末到(dao)17世紀后(hou)期，英國(guo)的(de)采礦(kuang)業，特(te)別是煤礦(kuang)，已發展到(dao)相(xiang)當的(de)規模，單靠人力(li)(li)、畜力(li)(li)已難以(yi)滿足(zu)排(pai)除礦(kuang)井(jing)地下水(shui)的(de)要求，而(er)現(xian)場又有豐(feng)富而(er)廉價的(de)煤作(zuo)為燃(ran)料。現(xian)實的(de)需要促使(shi)許多人，如英國(guo)的(de)帕潘、薩弗(fu)里、紐科門等(deng)就致力(li)(li)于(yu)“以(yi)火(huo)力(li)(li)提水(shui)”的(de)探(tan)索和試(shi)驗。

最(zui)初的(de)真空蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)被(bei)(bei)用來(lai)將(jiang)礦井(jing)里(li)的(de)水(shui)抽(chou)出來(lai)。紐科(ke)門(men)(men)的(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)將(jiang)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)引入氣缸(gang)后閥(fa)門(men)(men)被(bei)(bei)關閉，然后冷水(shui)被(bei)(bei)撒(sa)入汽(qi)缸(gang)，蒸(zheng)(zheng)汽(qi)凝(ning)結時造成(cheng)真空。活(huo)塞另一(yi)面的(de)空氣壓力推動(dong)活(huo)塞。在礦井(jing)中聯結一(yi)根深(shen)入豎井(jing)的(de)桿來(lai)驅(qu)動(dong)一(yi)個泵(beng)。蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)活(huo)塞的(de)運動(dong)通過這根桿傳到(dao)泵(beng)的(de)活(huo)塞來(lai)將(jiang)水(shui)抽(chou)到(dao)井(jing)外。

第一(yi)個巨大的(de)改(gai)善是將氣(qi)缸(gang)與凝(ning)結缸(gang)通(tong)過一(yi)個閥門分開。瓦特(te)在伯(bo)明(ming)翰發明(ming)了這個改(gai)進(jin)(jin)。這個改(gai)進(jin)(jin)提高了蒸(zheng)汽(qi)機的(de)效率。下一(yi)個改(gai)進(jin)(jin)是將閥門的(de)操作自動(dong)化(hua)。

這(zhe)些早期的(de)(de)(de)(de)(de)真(zhen)空蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)有限(xian)，但(dan)它們比(bi)(bi)較安(an)全(quan)，因為它們的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力比(bi)(bi)較低，在物質(zhi)發生損(sun)壞(huai)的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)機器向(xiang)內收(shou)縮，而不(bu)是(shi)向(xiang)外(wai)爆炸。它們的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)受外(wai)部氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)、氣(qi)缸變(bian)形(xing)、燃燒和(he)沸騰的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)和(he)凝結能力的(de)(de)(de)(de)(de)限(xian)制。理(li)論最高效(xiao)率(lv)受水在普通大氣(qi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)比(bi)(bi)較低的(de)(de)(de)(de)(de)沸騰溫(wen)度限(xian)制。使(shi)用高溫(wen)高壓(ya)(ya)(ya)(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)為蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)帶來了(le)巨大的(de)(de)(de)(de)(de)提高。但(dan)這(zhe)種蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機比(bi)(bi)真(zhen)空蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機危險(xian)得(de)多。鍋爐和(he)機器的(de)(de)(de)(de)(de)爆炸造成(cheng)了(le)許(xu)多大事故(gu)。安(an)全(quan)閥(fa)在這(zhe)里帶來了(le)很大的(de)(de)(de)(de)(de)改進，在壓(ya)(ya)(ya)(ya)力過高的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)安(an)全(quan)閥(fa)放氣(qi)減壓(ya)(ya)(ya)(ya)。但(dan)真(zhen)正(zheng)保證安(an)全(quan)只有依靠建造、運行和(he)維(wei)護的(de)(de)(de)(de)(de)經驗和(he)安(an)全(quan)規則。

薩弗(fu)里制成的(de)世界上(shang)第一臺實(shi)用的(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)提(ti)水(shui)(shui)機，在1698年取(qu)得標(biao)名(ming)為“礦工之友”的(de)英國專利。他將(jiang)一個蛋(dan)(dan)形容器(qi)(qi)(qi)先充滿(man)蒸(zheng)汽(qi)(qi)，然后(hou)關閉進(jin)汽(qi)(qi)閥(fa)(fa)，在容器(qi)(qi)(qi)外噴淋冷水(shui)(shui)使容器(qi)(qi)(qi)內(nei)蒸(zheng)汽(qi)(qi)冷凝(ning)而(er)形成真空。打(da)開(kai)(kai)進(jin)水(shui)(shui)閥(fa)(fa)，礦井底的(de)水(shui)(shui)受大(da)氣壓(ya)力(li)作(zuo)用經進(jin)水(shui)(shui)管吸入容器(qi)(qi)(qi)中；關閉進(jin)水(shui)(shui)閥(fa)(fa)，重開(kai)(kai)進(jin)汽(qi)(qi)閥(fa)(fa)，靠蒸(zheng)汽(qi)(qi)壓(ya)力(li)將(jiang)容器(qi)(qi)(qi)中的(de)水(shui)(shui)經排(pai)水(shui)(shui)閥(fa)(fa)壓(ya)出。待(dai)容器(qi)(qi)(qi)中的(de)水(shui)(shui)被排(pai)空而(er)充滿(man)蒸(zheng)汽(qi)(qi)時，關閉進(jin)汽(qi)(qi)閥(fa)(fa)和排(pai)水(shui)(shui)閥(fa)(fa)，重新噴水(shui)(shui)使蒸(zheng)汽(qi)(qi)冷凝(ning)。如此反復(fu)循環，用兩(liang)個蛋(dan)(dan)形容器(qi)(qi)(qi)交替工作(zuo)，可(ke)連續排(pai)水(shui)(shui)。

薩(sa)弗里的(de)提水機依(yi)靠真空的(de)吸力(li)汲水，汲水深(shen)度不能超過六米(mi)。為了(le)從(cong)幾(ji)十米(mi)深(shen)的(de)礦井汲水，須將提水機裝在礦井深(shen)處(chu)，用較高的(de)蒸(zheng)汽壓力(li)才能將水壓到(dao)地(di)面(mian)上，這在當時(shi)無疑是困難而(er)又危(wei)險(xian)的(de)。

紐(niu)科(ke)門(men)及其助手卡利在(zai)1705年發明了大(da)(da)氣式蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)，用以(yi)驅動(dong)獨立的(de)提水(shui)泵，被稱為紐(niu)科(ke)門(men)大(da)(da)氣式蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)。這種蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)先(xian)在(zai)英國，后(hou)來在(zai)歐洲大(da)(da)陸得(de)到(dao)迅速推(tui)廣，它的(de)改型產品直到(dao)19世紀初還(huan)在(zai)制造。紐(niu)科(ke)門(men)大(da)(da)氣式蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)的(de)熱效率很低，這主要是(shi)由于(yu)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)進入汽(qi)缸時(shi)，在(zai)剛被水(shui)冷(leng)卻過的(de)汽(qi)缸壁上冷(leng)凝而損失掉(diao)大(da)(da)量熱量，只在(zai)煤價低廉的(de)產煤區才得(de)到(dao)推(tui)廣。

1764年，英(ying)國的儀器(qi)修理工詹姆斯·瓦(wa)特為格(ge)拉(la)斯哥大(da)學(xue)修理紐可門蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)模(mo)型(xing)時，注意到了(le)這一缺點，并(bing)于1765年發明了(le)設(she)有與汽(qi)(qi)缸(gang)壁分開的凝(ning)汽(qi)(qi)器(qi)的蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)，并(bing)于1769年取得了(le)英(ying)國的專利。初期的瓦(wa)特蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)仍(reng)用(yong)平衡杠桿(gan)和拉(la)桿(gan)機(ji)構來(lai)驅動提水(shui)泵(beng)，為了(le)從凝(ning)汽(qi)(qi)器(qi)中抽除凝(ning)結水(shui)和空氣，瓦(wa)特裝(zhuang)設(she)了(le)抽氣泵(beng)。他還在(zai)汽(qi)(qi)缸(gang)外壁加(jia)裝(zhuang)夾層，用(yong)蒸(zheng)汽(qi)(qi)加(jia)熱汽(qi)(qi)缸(gang)壁，以減少冷凝(ning)損失。

瓦特(te)的(de)(de)創造性(xing)工作使蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)迅速地(di)發展，他使原來(lai)只能提水的(de)(de)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械，成為了可(ke)以普遍(bian)應用的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，并使蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)熱效率成倍(bei)提高，煤耗大大下降。因此(ci)瓦特(te)是蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)改良(liang)者(zhe)。

自18世紀晚期(qi)起，蒸汽機不僅(jin)在采(cai)礦(kuang)業中(zhong)得(de)到(dao)廣泛應用(yong)，在冶煉、紡織(zhi)、機器制(zhi)造等行業中(zhong)也(ye)都獲(huo)得(de)迅速推廣。它使(shi)英國的紡織(zhi)品產量(liang)在20多年(nian)(nian)內(nei)(從1766年(nian)(nian)到(dao)1789年(nian)(nian))增長了(le)5倍，為(wei)市(shi)場提(ti)供了(le)大(da)量(liang)消(xiao)費商品，加速了(le)資金的積累(lei)，并對運輸業提(ti)出了(le)迫切(qie)要求。

在船(chuan)舶上采用蒸汽(qi)機(ji)作為(wei)推(tui)進動力(li)的(de)實(shi)驗始于1776年(nian),經過不斷改進，至1807年(nian)，美(mei)國的(de)富爾頓制成(cheng)了第一艘實(shi)用的(de)明(ming)輪推(tui)進的(de)蒸汽(qi)機(ji)船(chuan)“克萊蒙”號。此(ci)后，蒸汽(qi)機(ji)在船(chuan)舶上作為(wei)推(tui)進動力(li)歷百余年(nian)之(zhi)久(jiu)。

1800年(nian)，英(ying)國(guo)(guo)的(de)(de)特里維西克設計了(le)(le)(le)可安(an)裝在較大車(che)(che)(che)(che)體上的(de)(de)高壓蒸(zheng)汽機(ji)。1803年(nian)，他把(ba)它用(yong)來推動在一條環形軌道上開動的(de)(de)機(ji)車(che)(che)(che)(che)，找來喜歡新奇玩意兒的(de)(de)人乘坐，向(xiang)他們收費，這就是機(ji)車(che)(che)(che)(che)的(de)(de)雛型(xing)。英(ying)國(guo)(guo)的(de)(de)史(shi)蒂芬孫將機(ji)車(che)(che)(che)(che)不斷改進(jin)，于1829年(nian)創(chuang)(chuang)造(zao)了(le)(le)(le)“火箭”號蒸(zheng)汽機(ji)車(che)(che)(che)(che)，該機(ji)車(che)(che)(che)(che)拖帶一節載(zai)有30位乘客的(de)(de)車(che)(che)(che)(che)廂，時速達46公里/時，引(yin)起(qi)了(le)(le)(le)各國(guo)(guo)的(de)(de)重視，開創(chuang)(chuang)了(le)(le)(le)鐵路時代。

19世(shi)紀末，隨著(zhu)電力(li)應用的(de)興起，蒸汽機(ji)曾(ceng)一度作為電站中的(de)主(zhu)要(yao)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(de)蒸汽機(ji)電站。

蒸汽機(ji)的發展在(zai)20世紀初(chu)達(da)到(dao)了頂峰。它具有(you)恒(heng)扭矩、可(ke)變速、可(ke)逆轉、運(yun)行(xing)可(ke)靠(kao)、制造(zao)和維修(xiu)方便等優(you)點，因此曾被廣泛(fan)用于電站、工廠、機(ji)車(che)和船舶等各個(ge)領(ling)域中，特別在(zai)軍艦上成(cheng)了當時唯一的原動機(ji)。

需要特別注意的是(shi)，許多教科書(shu)(shu)上（歷(li)史書(shu)(shu)、物理書(shu)(shu)）說瓦特是(shi)蒸汽(qi)機的發明者。這是(shi)誤傳。蒸汽(qi)機是(shi)英國人薩維(wei)利（Savery）于(yu)1698年(nian)(nian)、紐可門（Newcomen）于(yu)1705年(nian)(nian)各自獨立發明的，用于(yu)礦井抽水。當(dang)時效率很低。

1765年，瓦(wa)特(te)在(zai)修理紐(niu)可(ke)門機的(de)基(ji)礎上，對蒸(zheng)汽機做(zuo)了(le)重大(da)改進，使(shi)冷凝(ning)器(qi)與汽缸分離，發(fa)明曲(qu)軸(zhou)和齒輪傳動以(yi)及離心調(diao)速器(qi)等，使(shi)蒸(zheng)汽機實(shi)現了(le)現代(dai)化，大(da)大(da)提高了(le)蒸(zheng)汽機的(de)效率(lv)。瓦(wa)特(te)的(de)這些(xie)發(fa)明，仍(reng)使(shi)用在(zai)現代(dai)蒸(zheng)汽機中，為紀念瓦(wa)特(te)的(de)貢獻，功率(lv)的(de)單位名稱以(yi)其(qi)姓氏命(ming)名。

構造

蒸汽(qi)機主要由(you)汽(qi)缸、底座(zuo)、活塞、曲柄連(lian)桿機構、滑閥(fa)配汽(qi)機構、調速機構和飛(fei)輪等部分組成(cheng)。汽(qi)缸和底座(zuo)是靜止部分。

在(zai)(zai)蒸汽(qi)鍋爐(lu)中，通過(guo)(guo)(guo)燃燒過(guo)(guo)(guo)程水沸(fei)騰為蒸汽(qi)。通過(guo)(guo)(guo)管道蒸汽(qi)被送到(dao)汽(qi)缸(gang)(gang)。閥門(men)控(kong)制(zhi)蒸汽(qi)到(dao)達(da)汽(qi)缸(gang)(gang)的(de)時(shi)(shi)間，經主汽(qi)閥和(he)節流閥進(jin)入(ru)(ru)滑閥室，受(shou)滑閥控(kong)制(zhi)交替地進(jin)入(ru)(ru)汽(qi)缸(gang)(gang)的(de)左側或右側，推動(dong)活塞運(yun)動(dong)。蒸汽(qi)在(zai)(zai)汽(qi)缸(gang)(gang)內推動(dong)活塞做功，冷(leng)卻的(de)蒸汽(qi)通過(guo)(guo)(guo)管道被引入(ru)(ru)冷(leng)凝器重新凝結(jie)為水。這(zhe)個過(guo)(guo)(guo)程在(zai)(zai)蒸汽(qi)機運(yun)動(dong)時(shi)(shi)不斷(duan)重復。

一(yi)般的(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)有三個汽(qi)缸組(zu)(zu)成一(yi)個組(zu)(zu)。蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)直接將活(huo)塞的(de)(de)(de)上下運(yun)動轉(zhuan)化為船(chuan)軸的(de)(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)運(yun)動。新造的(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)中還包含了一(yi)個小(xiao)的(de)(de)(de)渦(wo)(wo)輪(lun)機(ji)(ji)，從汽(qi)缸中出(chu)來(lai)的(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)還可以利用(yong)它的(de)(de)(de)余熱在(zai)推動這個渦(wo)(wo)輪(lun)機(ji)(ji)來(lai)提高整個驅(qu)動裝置(zhi)的(de)(de)(de)效率。這個渦(wo)(wo)輪(lun)機(ji)(ji)也(ye)與船(chuan)的(de)(de)(de)螺旋(xuan)漿軸相連。

分類

鍋爐分類

火管(guan)造型被用在早期(qi)的船只和蒸汽機(ji)車的鍋(guo)爐中。在火管(guan)式鍋(guo)爐中，從燃燒室出(chu)來的熱煙通過煙道由煙囪(cong)排出(chu)。這種(zhong)鍋(guo)爐需(xu)要一(yi)個比(bi)較(jiao)高的煙囪(cong)。

水(shui)(shui)管(guan)造(zao)型的(de)(de)水(shui)(shui)由(you)熱氣通(tong)過多個(ge)(ge)管(guan)道(dao)加(jia)熱。這些管(guan)道(dao)在(zai)交換(huan)器的(de)(de)頂部流(liu)入一(yi)(yi)個(ge)(ge)蒸汽集(ji)合腔。水(shui)(shui)管(guan)鍋(guo)爐(lu)的(de)(de)一(yi)(yi)個(ge)(ge)重(zhong)要優點是它(ta)在(zai)破壞時造(zao)成(cheng)的(de)(de)危險(xian)比(bi)較小(xiao)，原(yuan)因(yin)是因(yin)為鍋(guo)爐(lu)里的(de)(de)水(shui)(shui)的(de)(de)量(liang)比(bi)較小(xiao)，此外(wai)鍋(guo)爐(lu)里沒有(you)多少會被磨(mo)損的(de)(de)運動的(de)(de)機械組成(cheng)部分，一(yi)(yi)些水(shui)(shui)管(guan)鍋(guo)爐(lu)在(zai)排(pai)煙道(dao)上(shang)還有(you)一(yi)(yi)個(ge)(ge)熱交換(huan)器來提高整個(ge)(ge)鍋(guo)爐(lu)的(de)(de)熱效率。

蒸汽機分類

按(an)蒸汽在活塞一側(ce)或兩側(ce)工作(zuo)，蒸汽機可分(fen)為(wei)單(dan)作(zuo)用和雙作(zuo)用式兩種(zhong)；

按(an)汽(qi)缸布置方式(shi)，可分為立(li)式(shi)和(he)臥式(shi)；按(an)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)是在一(yi)個汽(qi)缸中膨(peng)脹(zhang)(zhang)或依次連(lian)續在多(duo)個汽(qi)缸中膨(peng)脹(zhang)(zhang)，可分為單脹(zhang)(zhang)式(shi)和(he)多(duo)脹(zhang)(zhang)式(shi)；按(an)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)在汽(qi)缸中的流(liu)(liu)(liu)向，可分為回(hui)流(liu)(liu)(liu)式(shi)和(he)單流(liu)(liu)(liu)式(shi)；

按排汽方式(shi)和(he)排汽壓力(li)可(ke)分為凝汽式(shi)、大氣式(shi)和(he)背壓式(shi)。

發展提高

功效

蒸(zheng)汽機的(de)發展首先體現在(zai)功率和效率的(de)提高，而(er)這(zhe)又主要取決于(yu)蒸(zheng)汽參數的(de)提高。初(chu)期蒸(zheng)汽機的(de)蒸(zheng)汽壓(ya)力僅為0.11～0.13兆帕，19世紀初(chu)才(cai)達到0.35～0.7兆帕，20世紀20年代曾(ceng)用到6～10兆帕。在(zai)蒸(zheng)汽溫度上，19世紀末還不(bu)超過250℃，而(er)到20世紀30年代曾(ceng)用到450～480℃。

效率

至(zhi)于效(xiao)率，瓦(wa)特初(chu)期連續運轉(zhuan)的蒸(zheng)汽(qi)機(ji)，按燃料熱值計總效(xiao)率不超過3%；到1840年，最(zui)好的凝汽(qi)式蒸(zheng)汽(qi)機(ji)總效(xiao)率可達8%；到20世(shi)紀，蒸(zheng)汽(qi)機(ji)最(zui)高效(xiao)率可達到20%以上(shang)。

轉速

在(zai)轉(zhuan)速方面(mian)(mian)，18世(shi)紀(ji)末瓦特蒸汽機僅40～50轉(zhuan)/分(fen)；20世(shi)紀(ji)初(chu)轉(zhuan)速達(da)(da)到(dao)100～300轉(zhuan)/分(fen)，個別蒸汽機曾達(da)(da)到(dao)2500轉(zhuan)/分(fen)。在(zai)功率(lv)方面(mian)(mian)，最初(chu)單(dan)機功率(lv)僅幾馬(ma)力，20世(shi)紀(ji)初(chu)的(de)一臺船用蒸汽機的(de)功率(lv)可達(da)(da)25000馬(ma)力。

隨著蒸(zheng)(zheng)汽(qi)參數(shu)和(he)功率的(de)提高，蒸(zheng)(zheng)汽(qi)已不(bu)可(ke)(ke)能(neng)在一(yi)個汽(qi)缸中(zhong)繼(ji)續(xu)膨脹(zhang)，還必須在相連接的(de)汽(qi)缸中(zhong)繼(ji)續(xu)膨脹(zhang)，于是(shi)出(chu)現了(le)多級膨脹(zhang)的(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)。蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)因受(shou)到潤滑油(you)閃(shan)點(dian)的(de)限制(zhi)(zhi)(zhi)，所用(yong)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)的(de)最高溫度一(yi)般都不(bu)超過400℃，機(ji)(ji)車，船(chuan)用(yong)等移動式蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)還略低一(yi)些(xie)，多數(shu)不(bu)高于350℃。考(kao)慮(lv)到膨脹(zhang)的(de)可(ke)(ke)能(neng)性(xing)和(he)結構(gou)的(de)經濟(ji)性(xing)，常用(yong)壓力在2.5兆帕以下。蒸(zheng)(zheng)汽(qi)參數(shu)受(shou)到限制(zhi)(zhi)(zhi)，從(cong)而也限制(zhi)(zhi)(zhi)了(le)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)功率的(de)進(jin)一(yi)步提高。

意義

蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)的(de)(de)(de)出(chu)現和(he)改進(jin)促進(jin)了(le)社會經(jing)濟(ji)的(de)(de)(de)發(fa)展，但(dan)同時經(jing)濟(ji)的(de)(de)(de)發(fa)展反(fan)過(guo)來又(you)向蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)提出(chu)了(le)更高(gao)的(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)，如(ru)要(yao)求(qiu)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)功率(lv)大、效率(lv)高(gao)、重量輕(qing)、尺(chi)寸小等。盡(jin)管人們對(dui)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)作過(guo)許多改進(jin)，不(bu)斷(duan)擴大它的(de)(de)(de)使用范(fan)圍和(he)改善它的(de)(de)(de)性能，但(dan)是隨著汽(qi)輪機(ji)和(he)內燃機(ji)的(de)(de)(de)發(fa)展，蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)因存在不(bu)可克(ke)服的(de)(de)(de)弱點而逐漸衰(shuai)落。

改良過程

1764年，學校請瓦特修理一臺紐可門式(shi)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)，在(zai)修理的(de)(de)過程中，瓦特熟(shu)悉了(le)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)構造(zao)和(he)原理，并且發(fa)現了(le)這種蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)兩大缺點：活塞(sai)動作不連(lian)續(xu)而且慢；蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)利用率低，浪費原料(liao)。以(yi)后，瓦特開始思考改進的(de)(de)辦法。直到1765年的(de)(de)春天，在(zai)一次散步時，瓦特想(xiang)到，既然(ran)紐可門蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)熱效(xiao)率低是(shi)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)在(zai)缸內冷(leng)凝(ning)造(zao)成的(de)(de)，那么為什么不能(neng)讓蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)在(zai)缸外冷(leng)凝(ning)呢？瓦特產生了(le)采用分離冷(leng)凝(ning)器的(de)(de)最初設想(xiang)。

在(zai)產生(sheng)這種(zhong)設(she)(she)想以后(hou)，瓦(wa)特在(zai)同年(nian)設(she)(she)計了一種(zhong)帶有分(fen)離冷(leng)(leng)(leng)凝器(qi)的(de)(de)(de)蒸汽(qi)機(ji)。按照(zhao)設(she)(she)計，冷(leng)(leng)(leng)凝器(qi)與汽(qi)缸之間有一個調節(jie)閥門相連(lian)，使他們既(ji)能(neng)連(lian)通(tong)又能(neng)分(fen)開(kai)。這樣，既(ji)能(neng)把做功后(hou)的(de)(de)(de)蒸汽(qi)引入汽(qi)缸外(wai)的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)(leng)凝器(qi)，又可以使汽(qi)缸內(nei)產生(sheng)同樣的(de)(de)(de)真空，避免了汽(qi)缸在(zai)一冷(leng)(leng)(leng)一熱(re)(re)過程中熱(re)(re)量的(de)(de)(de)消耗(hao)，據瓦(wa)特理論計算，這種(zhong)新(xin)的(de)(de)(de)蒸汽(qi)機(ji)的(de)(de)(de)熱(re)(re)效率將是紐可門蒸汽(qi)機(ji)的(de)(de)(de)三倍。

從(cong)理論(lun)上(shang)(shang)說(shuo)，瓦特(te)(te)(te)(te)的(de)(de)這(zhe)種帶(dai)有(you)(you)分(fen)離器冷凝(ning)器的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)顯然優于紐可(ke)門蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)，但(dan)是，要把理論(lun)上(shang)(shang)的(de)(de)東西變(bian)為實際(ji)上(shang)(shang)的(de)(de)東西，把圖紙(zhi)上(shang)(shang)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)變(bian)為實在的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)，還要走很長的(de)(de)路(lu)。瓦特(te)(te)(te)(te)辛辛苦苦造出了(le)幾臺蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)，但(dan)效果反而(er)不如紐可(ke)門蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)，甚至四處(chu)漏氣(qi)，無法開動。盡管耗資巨大(da)的(de)(de)試(shi)驗(yan)使他(ta)債臺高筑，但(dan)他(ta)沒有(you)(you)在困難(nan)面前(qian)怯步，繼續(xu)進行試(shi)驗(yan)。當布萊克(ke)(ke)知道(dao)瓦特(te)(te)(te)(te)的(de)(de)奮斗(dou)目標(biao)和困難(nan)處(chu)境(jing)時，他(ta)把瓦特(te)(te)(te)(te)介(jie)紹給了(le)自己(ji)一(yi)個十分(fen)富有(you)(you)的(de)(de)朋友--化工技(ji)師羅(luo)巴克(ke)(ke)。當時羅(luo)巴克(ke)(ke)是一(yi)個十分(fen)富有(you)(you)的(de)(de)企業(ye)家，他(ta)在蘇格蘭的(de)(de)卡隆開辦了(le)第一(yi)座規模較大(da)的(de)(de)煉鐵廠。雖然當時羅(luo)巴克(ke)(ke)已近(jin)50歲，但(dan)對科學技(ji)術的(de)(de)新(xin)(xin)發明仍(reng)然傾(qing)注著極大(da)的(de)(de)熱情。他(ta)對當時只有(you)(you)三十來歲的(de)(de)瓦特(te)(te)(te)(te)的(de)(de)新(xin)(xin)裝置很是贊許，當即與瓦特(te)(te)(te)(te)簽訂合同，贊助(zhu)瓦特(te)(te)(te)(te)進行新(xin)(xin)式蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)試(shi)制。

從1766年開始(shi)，在三(san)年多的時間里，瓦特(te)克(ke)服(fu)了(le)在材料和工藝等(deng)各方面的困(kun)難，終于在1769年制出了(le)第一臺樣機。同(tong)年，瓦特(te)因發明冷凝器(qi)(qi)而獲得他(ta)在革(ge)新紐可(ke)門蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機的過(guo)程中的第一項專(zhuan)利。第一臺帶(dai)有冷凝器(qi)(qi)的蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機雖然試制成功了(le)，但它(ta)同(tong)紐可(ke)門蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機相比(bi)，除了(le)熱效(xiao)率有顯著提高外，在作為動力機來帶(dai)動其他(ta)工作機的性能方面仍未取得實質性進展。就(jiu)是說，瓦特(te)的這(zhe)種蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機還是無(wu)法作為真(zhen)正的動力機。

優點

現代蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)最大的(de)優點是它(ta)幾乎可(ke)以(yi)利用(yong)(yong)所有的(de)燃料(liao)將熱(re)能轉(zhuan)化(hua)(hua)為機(ji)械能。不(bu)像內燃機(ji)那樣，它(ta)對其燃料(liao)不(bu)挑剔。此外沒有蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)話原(yuan)子能無法被使用(yong)(yong)。原(yuan)子反(fan)應堆即不(bu)直接產(chan)生(sheng)機(ji)械能，又不(bu)直接產(chan)生(sheng)電能，原(yuan)子反(fan)應堆實際上只是加熱(re)水，這(zhe)個水被沸騰后(hou)的(de)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)通過蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)來轉(zhuan)化(hua)(hua)為有用(yong)(yong)的(de)功。蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)不(bu)一定需要(yao)通過燃燒來產(chan)生(sheng)，比如使用(yong)(yong)太陽能聚熱(re)器也可(ke)以(yi)產(chan)生(sheng)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)推動蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)。

另一種有(you)類(lei)似優點的(de)小(xiao)巧的(de)外燃(ran)機是(shi)斯特林發(fa)動機。其(qi)缺點是(shi)它在許多情(qing)況下難以運行。

尤(you)其在高山(shan)上蒸汽(qi)機(ji)機(ji)車的(de)(de)優(you)點顯著，因為(wei)它(ta)們(men)也可以在比(bi)較低的(de)(de)氣(qi)壓下運行(xing)。當南美(mei)洲(zhou)將用(yong)(yong)柴油(you)-電力(li)機(ji)車取代(dai)它(ta)們(men)的(de)(de)蒸汽(qi)機(ji)車后這一點就被發(fa)現了(le)。在高山(shan)上他們(men)不(bu)得不(bu)放棄使用(yong)(yong)功率比(bi)較高的(de)(de)柴油(you)機(ji)車，取而代(dai)之的(de)(de)還是功率雖然不(bu)如柴油(you)機(ji)車但不(bu)受海拔(ba)限制的(de)(de)蒸汽(qi)機(ji)車。

在瑞士和奧地利新(xin)的齒軌鐵路使用現代的蒸(zheng)汽(qi)機(ji)，這些蒸(zheng)汽(qi)機(ji)只需要一(yi)個人來(lai)運行，比(bi)起(qi)過去的蒸(zheng)汽(qi)機(ji)它節省60%的燃料(liao)，比(bi)起(qi)電力機(ji)和柴油機(ji)它輕50%，因(yin)此對齒軌的磨損小(xiao)得多。在日內瓦湖上也有一(yi)艘新(xin)的蒸(zheng)汽(qi)機(ji)船，它是世界上第(di)一(yi)艘遙控的蒸(zheng)汽(qi)機(ji)船。

缺點

蒸汽(qi)機(ji)的(de)弱點是(shi)：離不(bu)開鍋(guo)爐，整個(ge)裝(zhuang)置既笨重又(you)龐大；新蒸汽(qi)的(de)壓力(li)和溫度(du)不(bu)能(neng)過高，排氣(qi)壓力(li)不(bu)能(neng)過低(di)，熱效率難以提(ti)高；它是(shi)一(yi)種往復式機(ji)器，慣性(xing)限(xian)制了轉速的(de)提(ti)高；工作過程(cheng)是(shi)不(bu)連續的(de)，蒸汽(qi)的(de)流量受到限(xian)制，也(ye)就限(xian)制了功率的(de)提(ti)高。

因此，拋棄(qi)了笨重鍋(guo)爐的內燃機，最終以其(qi)(qi)重量輕(qing)(qing)，體(ti)積小、熱效率(lv)高(gao)和操作靈活等優點，在船舶和機車(che)上逐漸取代了蒸汽機。汽輪機則以其(qi)(qi)熱效率(lv)高(gao)、單機功(gong)率(lv)大(da)、轉速高(gao)、單位功(gong)率(lv)重量輕(qing)(qing)和運(yun)行平穩(wen)等優點，將(jiang)蒸汽機排(pai)擠出了電站。

接著電動機(ji)(ji)(ji)又以其使用(yong)方便，代替了蒸汽機(ji)(ji)(ji)在工業設備中的(de)應用(yong)。然(ran)而小功(gong)率(lv)蒸汽機(ji)(ji)(ji)熱效率(lv)比汽輪機(ji)(ji)(ji)高，所以在產煤(mei)區或只有劣(lie)質(zhi)燃料的(de)地區或某些(xie)特殊場合，蒸汽機(ji)(ji)(ji)仍(reng)有發揮作用(yong)的(de)余(yu)地。

歷史作用

蒸(zheng)汽(qi)(qi)機有很大的(de)(de)(de)歷史(shi)作用(yong)，它曾推(tui)動(dong)(dong)了(le)機械(xie)工業甚至社會的(de)(de)(de)發展(zhan)，解決了(le)大機器(qi)生產中(zhong)最關鍵的(de)(de)(de)問題，推(tui)動(dong)(dong)了(le)交通運輸空前的(de)(de)(de)進步。隨著(zhu)它的(de)(de)(de)發展(zhan)而建立的(de)(de)(de)熱(re)力(li)學和(he)機構(gou)學為汽(qi)(qi)輪機和(he)內(nei)(nei)(nei)燃(ran)(ran)機的(de)(de)(de)發展(zhan)奠(dian)定了(le)基(ji)礎；汽(qi)(qi)輪機繼承了(le)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機以蒸(zheng)汽(qi)(qi)為工質的(de)(de)(de)特點(dian)，和(he)采(cai)用(yong)凝(ning)汽(qi)(qi)器(qi)以降(jiang)低排汽(qi)(qi)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)優點(dian)，摒(bing)棄(qi)了(le)往復運動(dong)(dong)和(he)間斷進汽(qi)(qi)的(de)(de)(de)缺點(dian)；內(nei)(nei)(nei)燃(ran)(ran)機繼承了(le)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機的(de)(de)(de)基(ji)本結(jie)構(gou)和(he)傳(chuan)動(dong)(dong)形(xing)式(shi)，采(cai)用(yong)了(le)將燃(ran)(ran)油直接輸入汽(qi)(qi)缸內(nei)(nei)(nei)燃(ran)(ran)燒的(de)(de)(de)方式(shi)，形(xing)成了(le)熱(re)效率(lv)高得多的(de)(de)(de)熱(re)力(li)循(xun)環；同時，蒸(zheng)汽(qi)(qi)機所(suo)采(cai)用(yong)的(de)(de)(de)汽(qi)(qi)缸、活塞、飛(fei)輪、飛(fei)錘調速器(qi)，閥門(men)和(he)密封(feng)件等(deng)，均是(shi)構(gou)成多種現(xian)代(dai)機械(xie)的(de)(de)(de)基(ji)本元件。

工業革命(ming)的產(chan)生一部分原(yuan)因(yin)(yin)(yin)是因(yin)(yin)(yin)為(wei)蒸汽機的改良(瓦(wa)特沒有發明蒸汽機，他只是改良)，而蒸汽機車的產(chan)生也是因(yin)(yin)(yin)為(wei)蒸汽機的改良以(yi)(yi)及后人的應(ying)用(yong)而產(chan)生的，當(dang)時英國(guo)鼓勵發明，并且在(zai)人口(kou)增加(jia)需要增加(jia)生產(chan)速度之(zhi)(zhi)時，便(bian)開始有人努(nu)力的改進當(dang)時的生產(chan)設備，瓦(wa)特便(bian)是其(qi)中之(zhi)(zhi)一，而瓦(wa)特改良蒸汽機導致一系列(lie)技術革命(ming)引(yin)起了(le)從手工勞動向動力機器生產(chan)轉變(bian)。因(yin)(yin)(yin)此蒸汽機的改良絕對是促成工業革命(ming)的原(yuan)因(yin)(yin)(yin)之(zhi)(zhi)一。而蒸汽機車是一種(zhong)以(yi)(yi)蒸汽引(yin)擎作為(wei)動力來源的鐵路機車，因(yin)(yin)(yin)此若沒有蒸汽機的改良便(bian)不可能有這項(xiang)交(jiao)通工具的誕生。