蒸汽机

蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机，后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。

大约公元一、二世纪之间，埃及人希罗(Heron)在他作的“原始小涡轮”的玩具中就是用蒸汽作为动力的，即使过了很久，人们也没把希龙的玩具发展成真正的机器。

1690年，法国人巴本(Denis PaPin，公元1647-1712)发明了第一台活塞式蒸汽机，他先使汽缸中产生蒸汽，推动活塞上升到顶端，然后使汽缸冷却，活塞在大气压力作用下下降，于是带动抽水机运转，用于排除矿井积水，推进船只等，尽管巴本的活塞式蒸汽机只是一种实验性。

詹姆斯·瓦特（James Watt)

1698年，英国皇家工程队的军事工程师塞维利(Tho-mas Savery，公元1650-1715)制造了个蒸汽抽水机，它是由一个汽缸和三根管子组成的，一根管子伸进矿井水里，还有一根管子通向排水口。它的工作原理是：先让蒸汽通入汽缸，然后使之冷却，致使汽缸内形成部分真空，把水吸上来，然后再排走。塞维利机虽然存在着不可克服的困难，但它是人类历史上可以实际应用的第一部蒸汽机。

1705年，英国钳工和铁匠纽可门( Thomas Newe-comen，公元1663-1729)综合了塞维利和巴本机的优点，发明了空气蒸汽机，它的工作原理是：把低压的蒸汽先引进汽缸，然后喷洒少量水使其冷却，使汽缸内形成局部真空，使大气压力作用于活塞，活塞就带动抽水泵排水。这是一个广义上的把热变为机械功的原动机。但它耗煤量大、效率低，而且只能作往复直线运动。英国工程师斯米顿 (John Smeaton，公元1724 -1792)对纽可门机进行了全面研究和改进，他改进了锅炉和点火燃烧的方法，使纽可门机的效率几乎提高了一倍。然而由于把汽缸又用作凝汽器造成热的大量浪费，它的效率仍很低，只有1%左右。

英国格拉斯哥大学的仪器修理工瓦特(James Watt,公元1736-1819)，对纽可门机进行了根本性变革。瓦特在修理一部纽可门机模型时，他发现纽可门机为了产生真空，每一冲程都要将汽缸冷却一次造成热量的巨大损失，这正是机器效率很低的原因。为了减少热量损耗，瓦特想出把主汽缸始终保持在同一高温上，而用另一个冷却器来冷却蒸汽，这样就不会因为冷却汽缸而损失能量。

当时瓦特和化学教授布莱克（JosephBlack，公元1728-1799）同在一所大学工作，在布莱克的帮助下，瓦特终于在1765年研制成了分离冷凝器，制成了一台“单动式蒸汽机”。这对于蒸汽发动机的发展起了关键性的作用，此时蒸汽机的效率已达到3%。1782年瓦特又将发动机从单动变为双动，可将汽缸的功率提高一倍。瓦特利用蒸汽的膨胀作用，使活塞在运动到一半时就停止送入蒸汽，又大大节省了蒸汽消耗。1787年，瓦特又安装了离心式调速器，以保证发动机速度相对稳定。这样瓦特的双动旋转式蒸汽机已达到了近代水平。

蒸汽机很快被应用到许多工业部门，1769年尼古拉·约瑟夫·居纽首次用他的“蒸汽车”展示了自动的蒸汽车的可行性。这辆车可以说是现代意义上的第一辆汽车。这辆车作为运输工具不太有用，但用来拖农具却很不错。1785年被用于纺织工业，1807年被用于轮船，1825年被应用于火车和铁路。

蒸汽机火车头

世界上第一列蒸汽机火车是1804年2月21日理查德·特拉维斯克在威尔士展示的。

至1807年，美国的富尔顿制成了第一艘实用的明轮推进的蒸汽机船“克莱蒙”号。此后，蒸汽机在船舶上作为推进动力历百余年之久。

1800年，英国的特里维西克设计了可安装在较大车体上的高压蒸汽机。1803年，他把它用来推动在一条环形轨道上开动的机车，找来喜欢新奇玩意儿的人乘坐，这就是机车的雏型。英国的史蒂芬孙将机车不断改进，于1829年创造了“火箭”号蒸汽机车，时速达58公里/时，引起了各国的重视，开创了铁路时代。

18世纪末瓦特蒸汽机仅40～50转／分；20世纪初转速达到100～300转/分，个别蒸汽机曾达到2500转/分。

十九世纪初，法国工程师萨迪·卡诺（Carnot，1796—1832）研究了蒸汽机的热力学原理，提出著名的卡诺循环，考察了热一功转化关系。

瓦特初期连续运转的蒸汽机，按燃料热值计总效率不超过3%；到1840年，最好的凝汽式蒸汽机总效率可达8%；到20世纪，蒸汽机最高效率可达到20%以上。

初期蒸汽机的蒸汽压力仅为0.11～0.13兆帕，19世纪初才达到0.35~0.7兆帕，20世纪20年代曾达到6～10兆帕。在蒸汽温度上，19世纪末还不超过250℃，而到20世纪30年代曾达到450～480℃。20世纪初，最初单机功率仅几马力，20世纪初的一台船用蒸汽机的功率可达18387.47千瓦。

1900年，美国纽约曾有单机功率达五兆瓦的蒸汽机电站。19世纪末，随着电力应用的兴起，蒸汽机曾一度作为电站中的主要动力机械。

蒸汽机的发展在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点，因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域中，特别在军舰上成了当时唯一的原动机。

蒸汽机主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成。汽缸和底座是静止部分。

在蒸汽锅炉中，通过燃烧过程水沸腾为蒸汽。通过管道蒸汽被送到汽缸。阀门控制蒸汽到达汽缸的时间，经注汽阀和节流阀进入滑阀室，受滑阀控制交替地进人汽缸的左侧或右侧，推动活塞运动。蒸汽在汽缸内推动活塞做功，冷却的蒸汽通过管道被引人冷凝器重新凝结为水。这个过程在蒸汽机运动时不断重复。一般的蒸汽机有三个汽缸组成一个组。蒸汽机直接将活塞的上下运动转化为轴的旋转运动。现在新造的蒸汽机中还包含了一个小的涡轮机，从汽缸中出来的蒸汽还可以利用它的余热在推动这个涡轮机来提高整个驱动装置的效率。这个涡轮机也与船的螺旋桨轴相连。

(1）單动式蒸汽机——如果蒸汽只从汽缸的一侧进入，我只从一随推动活塞（通常是从汽缸盖侧），另一侧则保持满大气相通，这样的蒸汽机称为單动式蒸汽机。

(2）双动式蒸汽机—如圖1所示，汽缸左侧进汽时，右侧郎擀汽，而当右侧进汽时，左侧剧排汽，因此不管活塞往右或往左移动时，都有蒸汽推动活塞工作，所以称为双对式蒸汽机，这种燕汽机是最常见的型式。

（1）用饱和蒸汽的蒸汽机—进入蒸汽机的蒸汽是直接从锅燃中引出的湿蒸汽，或是由另外的蒸汽原动机中排出的已作过一部分功的乏汽。现在这一种蒸汽机巳少见了。

(2)用过热蒸汽的蒸汽机——进入汽机的蒸汽是经过锅炉过热器后再引进来的。这一种蒸汽机在多汽缸式蒸汽帆中是常见的。现代蒸汽机可采用的过热蒸汽的温度甚至达500℃。因为新蒸汽温度越高，它所舍的热量也越多，蒸汽在汽缸中作的功也越多。所以使用过热蒸汽的蒸汽机比工作容量相同而使用饱和蒸汽的蒸汽机的尺寸要小的多。

(1)排汽式蒸汽机——工作后的乏汽直接排到大气中，这种蒸汽机的效率较低。

(2)凝汽式蒸汽巩——工作后的乏汽引入凝汽器中，使蒸汽和冶却水相遇赶结为水，然后再排出凝汽器。这样，蒸汽帆的效率就可以提高很多。

(1)单汽缸式蒸汽机——容量较小的蒸汽机常属这种型式。单缸式蒸汽机按汽缸排列的方向又可分为卧式和立式两种。

(2)多汽缸式蒸汽机——两个以上的汽缸排列在一起，．所有的汽缸共用一根主轴。最简单的多汽缸蒸汽机是由几个忾缸组成的，每个汽缸都进入新蒸汽，这些汽缸通常是排成一列的。这种蒸汽机又称为单膨胀式多汽缸蒸汽机。多汽缸蒸汽机也可以作成多级膨胀的型式，如复膨胀、三膨胀和四膨胀式蒸汽机。

（1）滑间式蒸汽机—-由滑阀控制蒸汽的流入或排出。

（2）提开式蒸汽机———进汽和排汽各用一个上下移动的开门来控制。此外，每分钟转速在150转以下的蒸汽机称为低速蒸汽机；转数较高的称为高速蒸汽机（通常的转数为每分钟300-1400转，最快的可达1500—3000转）。

大多数蒸汽机的蒸汽压力为10～20个大气压，通常称为中压蒸汽机；蒸汽压力高于25个大气压的称为高压蒸汽机。

设备简单，工作可靠，反转方便，转速、功率变动范围大，能烧劣等燃料。

效率低，功率低，振动冲击大，速度不能太高。

蒸汽机的应用从矿山排水发展到交通运输、冶金、机械、化工、纺织等一系列工业领域，使社会生产力以前所未有的速度和规模发展，并形成了以蒸汽机的广泛使用为主要标志的技术革命。

蒸汽机的历史意义在于它提供了治理和利用热能、为机械供给推动力的手段，并适宜于大批量生产和制造，使人类摆脱了畜力、风力和水力等自然动力的制约，人们可以根据自己的意愿选择地点组织大规模的工业生产。蒸汽机在纺织工业、采矿工业、冶金工业、运输工具、通信联络等方面的广泛应用以及行业之间的相互促进，使生产力出现了令人惊叹的进展。

瓦特在改良蒸汽机

蒸汽机有很大的历史作用，它曾推动了机械工业甚至社会的发展，解决了大机器生产中最关键的问题，推动了交通运输空前的进步。随着它的发展而建立的热力学和机构学为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础；汽轮机继承了蒸汽机以蒸汽为工质的特点，和采用凝汽器以降低排汽压力的优点，摒弃了往复运动和间断进汽的缺点；内燃机继承了蒸汽机的基本结构和传动形式，采用了将燃油直接输入汽缸内燃烧的方式，形成了热效率高得多的热力循环；同时，蒸汽机所采用的汽缸、活塞、飞轮、飞锤调速器，阀门和密封件等，均是构成多种现代机械的基本元件。

展开[1]热物理学导论 翻译版. 机械工业出版社, 2022.01

[2]物理学史. 辽宁大学出版社, 1990.11

[3]城市规划与城市发展. 东南大学出版社, 2005.01

[4]发明创造. 企业管理出版社, 2013.10

[5]创业该有的逻辑. 上海世界图书出版公司, 2020.05

[6]知识学原理丛书 工具简史. 北京航空航天大学出版社, 2015.12

[7]汽车文化. 合肥工业大学出版社, 2012.08

[8]交通工具发明趣史. 世界图书上海出版公司, 2014.04

[9]化学原理基础. 山西科学技术出版社, 2000

[10]蒸汽机. 电力工业出版社, 1957.06

[11]机械产品创新设计与3D打印. 机械工业出版社, 2021.01

[12]机械装备导论. 西安电子科技大学出版社, 2008.09