蒸汽機(jī)的制作

【專(zhuān)家解說(shuō)】：">化學(xué)能-內(nèi)能-機(jī)械能
主要是一個(gè)汽缸，汽缸運(yùn)動(dòng)到右側(cè)末端時(shí)，打開(kāi)右側(cè)進(jìn)氣閥向汽缸右側(cè)沖高壓水蒸汽，打開(kāi)左側(cè)排氣閥，高壓水蒸汽推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)最左端時(shí)，打開(kāi)左側(cè)進(jìn)氣閥關(guān)閉右側(cè)排氣閥，向汽缸左側(cè)沖高壓水蒸汽，使汽缸活塞向右運(yùn)動(dòng)。將汽缸活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)聯(lián)桿滑塊曲軸轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。各閥門(mén)的開(kāi)關(guān)也是通過(guò)聯(lián)桿滑塊帶動(dòng)滑閥進(jìn)行的。常見(jiàn)在老式蒸氣機(jī)車(chē)（火車(chē)）上，因效率低、燒煤灰大、污染大被淘汰。
蒸汽機(jī)是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械。蒸汽機(jī)的出現(xiàn)曾引起了18世紀(jì)的工業(yè)革命。直到20世紀(jì)初，它仍然是世界上最重要的原動(dòng)機(jī)，后來(lái)才逐漸讓位于內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)等。

16世紀(jì)末到17世紀(jì)后期，英國(guó)的采礦業(yè)，特別是煤礦，已發(fā)展到相當(dāng)?shù)囊?guī)模，單靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求，而現(xiàn)場(chǎng)又有豐富而廉價(jià)的煤作為燃料?，F(xiàn)實(shí)的需要促使許多人，如英國(guó)的帕潘、薩弗里、紐科門(mén)等就致力于“以火力提水”的探索和試驗(yàn)。

薩弗里制成的世界上第一臺(tái)實(shí)用的蒸汽提水機(jī)，在1698年取得標(biāo)名為“礦工之友”的英國(guó)專(zhuān)利。他將一個(gè)蛋形容器先充滿蒸汽，然后關(guān)閉進(jìn)汽閥，在容器外噴淋冷水使容器內(nèi)蒸汽冷凝而形成真空。打開(kāi)進(jìn)水閥，礦井底的水受大氣壓力作用經(jīng)進(jìn)水管吸入容器中；關(guān)閉進(jìn)水閥，重開(kāi)進(jìn)汽閥，靠蒸汽壓力將容器中的水經(jīng)排水閥壓出。待容器中的水被排空而充滿蒸汽時(shí)，關(guān)閉進(jìn)汽閥和排水閥，重新噴水使蒸汽冷凝。如此反復(fù)循環(huán)，用兩個(gè)蛋形容器交替工作，可連續(xù)排水。

薩弗里的提水機(jī)依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超過(guò)六米。為了從幾十米深的礦井汲水，須將提水機(jī)裝在礦井深處，用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地面上，這在當(dāng)時(shí)無(wú)疑是困難而又危險(xiǎn)的。

紐科門(mén)及其助手卡利在1705年發(fā)明了大氣式蒸汽機(jī)，用以驅(qū)動(dòng)獨(dú)立的提水泵，被稱為紐科門(mén)大氣式蒸汽機(jī)。這種蒸汽機(jī)先在英國(guó)，后來(lái)在歐洲大陸得到迅速推廣，它的改型產(chǎn)品直到19世紀(jì)初還在制造。紐科門(mén)大氣式蒸汽機(jī)的熱效率很低，這主要是由于蒸汽進(jìn)入汽缸時(shí)，在剛被水冷卻過(guò)的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量，只在煤價(jià)低廉的產(chǎn)煤區(qū)才得到推廣。

1764年，英國(guó)的儀器修理工瓦特為格拉斯哥大學(xué)修理紐科門(mén)蒸汽機(jī)模型時(shí)，注意到了這一缺點(diǎn)，并于1765年發(fā)明了設(shè)有與汽缸壁分開(kāi)的凝汽器的蒸汽機(jī)，并于1769年取得了英國(guó)的專(zhuān)利。初期的瓦特蒸汽機(jī)仍用平衡杠桿和拉桿機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)提水泵，為了從凝汽器中抽除凝結(jié)水和空氣，瓦特裝設(shè)了抽氣泵。他還在汽缸外壁加裝夾層，用蒸汽加熱汽缸壁，以減少冷凝損失。

1782年前后，瓦特將機(jī)器進(jìn)一步改進(jìn)，完成了兩項(xiàng)重要發(fā)明：在活寒工作行程的中途，關(guān)閉進(jìn)汽閥，使蒸汽膨脹作功以提高熱效率；使蒸汽在活塞兩面都作功(雙作用式)，以提高輸出功率。這時(shí)的活塞既要向下拉動(dòng)杠桿又要向上推動(dòng)杠桿，扇形平衡杠桿和拉鏈已不再適用，瓦特使發(fā)明了平行四邊形機(jī)構(gòu)。瓦特還于18世紀(jì)末將曲柄連桿機(jī)構(gòu)用在蒸汽機(jī)上。

瓦特的創(chuàng)造性工作使蒸汽機(jī)迅速地發(fā)展，他使原來(lái)只能提水的機(jī)械，成為了可以普遍應(yīng)用的蒸汽機(jī)，并使蒸汽機(jī)的熱效率成倍提高，煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽機(jī)最主要的發(fā)明人。

自18世紀(jì)晚期起，蒸汽機(jī)不僅在采礦業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在冶煉、紡織、機(jī)器制造等行業(yè)中也都獲得迅速推廣。它使英國(guó)的紡織品產(chǎn)量在20多年內(nèi)(從1766年到1789年)增長(zhǎng)了5倍，為市場(chǎng)提供了大量消費(fèi)商品，加速了資金的積累，并對(duì)運(yùn)輸業(yè)提出了迫切要求。

在船舶上采用蒸汽機(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力的實(shí)驗(yàn)始于1776年,經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，至1807年，美國(guó)的富爾頓制成了第一艘實(shí)用的明輪推進(jìn)的蒸汽機(jī)船“克萊蒙脫”號(hào)。此后，蒸汽機(jī)在船舶上作為推進(jìn)動(dòng)力歷百余年之久。

1801年，英國(guó)的特里維西克提出了可移動(dòng)的蒸汽機(jī)的概念，1803年，這種利用軌道的可移動(dòng)蒸汽機(jī)首先在煤礦區(qū)出現(xiàn)，這就是機(jī)車(chē)的雛型。英國(guó)的斯蒂芬森將機(jī)車(chē)不斷改進(jìn)，于1829年創(chuàng)造了“火箭”號(hào)蒸汽機(jī)車(chē)，該機(jī)車(chē)拖帶一節(jié)載有30位乘客的車(chē)廂，時(shí)速達(dá)46公里/時(shí)，引起了各國(guó)的重視，開(kāi)創(chuàng)了鐵路時(shí)代。

19世紀(jì)末，隨著電力應(yīng)用的興起，蒸汽機(jī)曾一度作為電站中的主要?jiǎng)恿C(jī)械。1900年，美國(guó)紐約曾有單機(jī)功率達(dá)五兆瓦的蒸汽機(jī)電站。

蒸汽機(jī)的發(fā)展在20世紀(jì)初達(dá)到了頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆轉(zhuǎn)、運(yùn)行可靠、制造和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，因此曾被廣泛用于電站、工廠、機(jī)車(chē)和船舶等各個(gè)領(lǐng)域中，特別在軍艦上成了當(dāng)時(shí)唯一的原動(dòng)機(jī)。

蒸汽機(jī)按蒸汽在活塞一側(cè)或兩側(cè)工作，可分為單作用和雙作用式；按汽缸布置方式，可分為立和臥式；按蒸汽是在一個(gè)汽缸中膨脹或依次連續(xù)在多個(gè)汽缸中膨脹，可分為單脹式和多脹式；按蒸汽在汽缸中的流向，可分為回流式和單流式；按排汽方式和排汽壓力可分為凝汽式、大氣式和背壓式。

簡(jiǎn)單蒸汽機(jī)主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、滑閥配汽機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)和飛輪等部分組成，汽缸和底座是靜止部分。從鍋爐來(lái)的新蒸汽，經(jīng)主汽閥和節(jié)流閥進(jìn)入滑閥室，受滑閥控制交替地進(jìn)入汽缸的左側(cè)或右側(cè)，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。

蒸汽機(jī)的發(fā)展首先體現(xiàn)在功率和效率的提高，而這又主要取決于蒸汽參數(shù)的提高。初期蒸汽機(jī)的蒸汽壓力僅為0.11～0.13兆帕，19世紀(jì)初才達(dá)到0.35～0.7兆帕，20世紀(jì)20年代曾用到6～10兆帕。在蒸汽溫度上，19世紀(jì)末還不超過(guò)250℃，而到20世紀(jì)30年代曾用到450～480℃。

至于效率，瓦特初期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的蒸汽機(jī)，按燃料熱值計(jì)總效率不超過(guò)3％；到1840年，最好的凝汽式蒸汽機(jī)總效率可達(dá)8％；到20世紀(jì)，蒸汽機(jī)最高效率可達(dá)到20％以上。

在轉(zhuǎn)速方面，18世紀(jì)末瓦特蒸汽機(jī)僅40～50轉(zhuǎn)/分；20世紀(jì)初轉(zhuǎn)速達(dá)到100～300轉(zhuǎn)/分，個(gè)別蒸汽機(jī)曾達(dá)到2500轉(zhuǎn)/分。在功率方面，最初單機(jī)功率僅幾馬力，20世紀(jì)初的一臺(tái)船用蒸汽機(jī)的功率可達(dá)25000馬力。

隨著蒸汽參數(shù)和功率的提高，蒸汽已不可能在一個(gè)汽缸中繼續(xù)膨脹，還必須在相連接的汽缸中繼續(xù)膨脹，于是出現(xiàn)了多級(jí)膨脹的蒸汽機(jī)。蒸汽機(jī)因受到潤(rùn)滑油閃點(diǎn)的限制，所用蒸汽的最高溫度一般都不超過(guò)400℃，機(jī)車(chē)，船用等移動(dòng)式蒸汽機(jī)還略低一些，多數(shù)不高于350℃?？紤]到膨脹的可能性和結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，常用壓力在2.5兆帕以下。蒸汽參數(shù)受到限制，從而也限制了蒸汽機(jī)功率的進(jìn)一步提高。

蒸汽機(jī)的出現(xiàn)和改進(jìn)促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但同時(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展反過(guò)來(lái)又向蒸汽機(jī)提出了更高的要求，如要求蒸汽機(jī)功率大、效率高、重量輕、尺寸小等。盡管人們對(duì)蒸汽機(jī)作過(guò)許多改進(jìn)，不斷擴(kuò)大它的使用范圍和改善它的性能，但是隨著汽輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展，蒸汽機(jī)因存在不可克服的弱點(diǎn)而逐漸衰落。

蒸汽機(jī)的弱點(diǎn)是：離不開(kāi)鍋爐，整個(gè)裝置既笨重又龐大；新蒸汽的壓力和溫度不能過(guò)高，排氣壓力不能過(guò)低，熱效率難以提高；它是一種往復(fù)式機(jī)器，慣性力限制了轉(zhuǎn)速的提高；工作過(guò)程是不連續(xù)的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。

因此，拋棄了笨重鍋爐的內(nèi)燃機(jī)，最終以其重量輕，體積小、熱效率高和操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，在船舶和機(jī)車(chē)上逐漸取代了蒸汽機(jī)。汽輪機(jī)則以其熱效率高、單機(jī)功率大、轉(zhuǎn)速高、單位功率重量輕和運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，將蒸汽機(jī)排擠出了電站。

接著電動(dòng)機(jī)又以其使用方便，代替了蒸汽機(jī)在工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用。然而小功率蒸汽機(jī)熱效率比汽輪機(jī)高，所以在產(chǎn)煤區(qū)或只有劣質(zhì)燃料的地區(qū)或某些特殊場(chǎng)合，蒸汽機(jī)仍有發(fā)揮作用的余地。

蒸汽機(jī)有很大的歷史作用，它曾推動(dòng)了機(jī)械工業(yè)甚至社會(huì)的發(fā)展。隨著它的發(fā)展而建立的熱力學(xué)和機(jī)構(gòu)學(xué)為汽輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；汽輪機(jī)繼承了蒸汽機(jī)以蒸汽為工質(zhì)的特點(diǎn)，和采用凝汽器以降低排汽壓力的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了往復(fù)運(yùn)動(dòng)和間斷進(jìn)汽的缺點(diǎn)；內(nèi)燃機(jī)繼承了蒸汽機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)形式，采用了將燃油直接輸入汽缸內(nèi)燃燒的方式，形成了熱效率高得多的熱力循環(huán)；同時(shí)，蒸汽機(jī)所采用的汽缸、活塞、飛輪、飛錘調(diào)速器，閥門(mén)和密封件等，均是構(gòu)成多種現(xiàn)代機(jī)械的基本元件。