誰發明了蒸汽機？

蒸汽機是壹種往復式動力機器，它將蒸汽的能量轉化為機械功。蒸汽機的出現引起了18世紀的工業革命。直到20世紀初，它仍是世界上最重要的原動機，後來逐漸讓位於內燃機和汽輪機。16年底到17年底，英國采礦業尤其是煤礦已經發展到相當規模，僅靠人力和畜力難以滿足抽幹地下水的要求，而現場有豐富廉價的煤炭作為燃料。現實的需要，促使英國的帕潘、薩弗裏、紐科門等許多人投身於“火力提水”的探索和實驗。薩弗裏制造的世界上第壹臺實用的蒸汽水泵於1698年獲得名為“礦工之友”的英國專利。他先在壹個蛋形容器中充入蒸汽，然後關閉蒸汽進氣閥，向容器外噴射冷水，使容器內的蒸汽凝結形成真空。打開進水閥，礦井底部的水在大氣壓力的作用下通過進水管被吸入容器內；關閉進水閥，重新打開進汽閥，利用蒸汽壓力將容器內的水通過排水閥壓出。當容器內的水排幹並充滿蒸汽時，關閉蒸汽進口閥和排水閥，再次噴水使蒸汽凝結。如此反復循環，兩個蛋形容器交替工作，可以不斷排水。薩弗裏的水泵依靠真空吸力抽水，抽水深度不能超過六米。為了從幾十米深的礦井中抽水，需要在礦井深處安裝水泵，利用高蒸汽壓力將水抽到地面，這在當時無疑是困難和危險的。紐科門和他的助手卡利在1705年發明了大氣蒸汽機來驅動獨立水泵，被稱為紐科門大氣蒸汽機。這種蒸汽機首先在英國普及，然後在歐洲大陸推廣，直到19世紀初仍在制造其改型產品。紐科門大氣蒸汽機的熱效率很低，這主要是由於蒸汽進入氣缸後，凝結在剛被水冷卻的氣缸壁上，損失了大量的熱量。只在煤價低的產煤區推廣。1764年，英國儀器修理工瓦特在為格拉斯哥大學修理紐科門蒸汽機模型時註意到了這壹缺點，並於1765年發明了冷凝器與缸壁分離的蒸汽機，並於1769年獲得了英國專利。在早期，瓦特的蒸汽機仍然使用平衡桿和拉桿機構來驅動水泵。為了清除冷凝器中的冷凝物和空氣，瓦特安裝了壹個空氣泵。他還在汽缸外壁安裝了夾層，並用蒸汽加熱汽缸壁，以減少冷凝損失。1782左右，瓦特進壹步改進了機器，完成了兩項重要發明:在主動冷加工行程中間，關閉進汽閥，使蒸汽膨脹做功，提高熱效率；使蒸汽在活塞兩側做功(雙動式)，提高輸出功率。這時候活塞要拉下杠桿，推上杠桿，扇形平衡桿和拉鏈都不再適用，於是瓦特發明了平行四邊形機構。瓦特還在18年底將曲柄連桿機構應用於蒸汽機。瓦特的創造性工作使蒸汽機迅速發展。他把只能提水的機械變成了可以廣泛使用的蒸汽機，蒸汽機的熱效率提高了壹倍，大大降低了煤耗。所以瓦特是蒸汽機的主要發明者。18世紀後期以來，蒸汽機不僅廣泛應用於采礦，還廣泛應用於冶煉、紡織、機械制造等行業。它使英國的紡織品產量在20多年間增加了5倍(從1766增加到1789)，為市場提供了大量的消費品，加速了資金的積累，對運輸業提出了迫切的要求。在船舶上使用蒸汽機作為推進動力的實驗始於1776年，經過不斷改進，美國富爾頓制造了第壹艘實用的開輪推進蒸汽機船“克萊蒙特”號。從那以後，蒸汽機在船上用作推進動力已經有壹百多年了。1801年，英國的特裏維西克提出了可移動蒸汽機的概念。1803年，這種利用鐵軌的可移動蒸汽機首次出現在煤礦區，這就是機車的雛形。英國的斯蒂芬森不斷改進機車，於1829年創造了“火箭”蒸汽機車。機車以46公裏/小時的速度牽引著壹節載有30名乘客的車廂，引起了各國的關註，開創了鐵路時代。19年底，隨著電力應用的興起，蒸汽機壹度作為電站的主要動力機械。1900年，美國紐約有壹個單機功率五兆瓦的蒸汽機電站。蒸汽機的發展在20世紀初達到頂峰。它具有恒轉矩、變速、可逆、運行可靠、制造維修方便等優點，因此被廣泛應用於電站、工廠、機車、船舶等各個領域，特別是在軍艦上，成為當時唯壹的原動機。蒸汽機按蒸汽在活塞壹側或兩側做功，可分為單作用式和雙作用式；按氣缸排列，可分為立式和臥式；根據蒸汽是在壹個缸內膨脹還是在多個缸內依次連續膨脹，可分為單膨脹型和多膨脹型；按蒸汽在缸內的流向，可分為回流式和單流式；按排氣方式和排氣壓力可分為冷凝式、大氣式和背壓式。簡易蒸汽機主要由氣缸、底座、活塞、曲柄連桿機構、滑閥配汽機構、調速機構和飛輪組成，氣缸和底座是靜止部件。來自鍋爐的新蒸汽通過主汽閥和節流閥進入滑閥室，由滑閥交替控制進入氣缸左側或右側推動活塞運動。蒸汽機的發展首先體現在功率和效率的提高，而功率和效率的提高主要依賴於蒸汽參數的提高。蒸汽機開始時蒸汽壓力只有0.11 ~ 0.13 MPa，19世紀初達到0.35 ~ 0.7 MPa。1920年代為6 ~ 10 MPa。蒸汽溫度方面，19年末未超過250℃，但在30年代使用在450 ~ 480℃。至於效率，在瓦特初始階段連續運轉的蒸汽機的總效率按燃料的熱值計算不到3%；到1840，最好的冷凝式蒸汽機總效率可以達到8%；到20世紀，蒸汽機的最高效率可以達到20%以上。轉速方面，18年末，瓦特蒸汽機只有40 ~ 50轉；20世紀初，轉速達到100 ~ 300轉/分，部分蒸汽機壹度達到2500轉/分。從功率上來說，最開始單機功率只有幾馬力，20世紀初的船用蒸汽機功率可以達到25000馬力。隨著蒸汽參數和功率的提高，蒸汽不可能在壹個缸內繼續膨脹，而必須在相連的缸內繼續膨脹，於是就有了多級膨脹蒸汽機。由於潤滑油閃點的限制，蒸汽機所用蒸汽的最高溫度壹般低於400℃，機車、船舶等移動式蒸汽機略低，大部分不高於350℃。考慮到膨脹的可能性和結構的經濟性，常用壓力在2.5 MPa以下。蒸汽參數有限，也限制了蒸汽機功率的進壹步提高。蒸汽機的出現和改進促進了社會和經濟的發展，但同時，經濟的發展反過來對蒸汽機提出了更高的要求，如高功率、高效率、重量輕、體積小等。雖然人們對蒸汽機進行了很多改進，擴大了使用範圍，提高了性能，但是隨著汽輪機和內燃機的發展，蒸汽機因為存在不可克服的弱點而逐漸衰落。蒸汽機的弱點是:離不開鍋爐，整個裝置笨重龐大；新鮮蒸汽的壓力和溫度不能太高，排汽壓力也不能太低，這樣很難提高熱效率；它是往復式機器，慣性力限制了轉速的提高；工作過程不連續，蒸汽流量有限，限制了動力的提升。因此，拋棄了笨重鍋爐的內燃機以其重量輕、體積小、熱效率高、操作靈活等優點，逐漸取代了輪船和機車上的蒸汽機。而汽輪機具有熱效率高、單機功率大、轉速高、單位功率重量輕、運行平穩等優點，把蒸汽機擠出了電站。然後電機因為使用方便，取代了蒸汽機在工業設備上的應用。而小功率蒸汽機的熱效率比汽輪機高，所以在產煤區或者只有劣質燃料的地區，或者在壹些特殊場合，蒸汽機還有發揮作用的空間。蒸汽機有很大的歷史作用，推動了機械工業乃至社會的發展。隨著它的發展而建立起來的熱力學和機理，為汽輪機和內燃機的發展奠定了基礎。汽輪機繼承了蒸汽機以蒸汽為工質的特點，采用凝汽器降低排氣壓力，摒棄了往復運動和間歇進汽的缺點；內燃機繼承了蒸汽機的基本結構和傳動形式，采用燃料直接輸入氣缸燃燒的方式，形成熱效率高得多的熱循環；同時，蒸汽機中使用的汽缸、活塞、飛輪、飛錘調速器、閥門和密封件是許多現代機器的基本部件。