瓦特对蒸汽机的三次改进的分析

瓦特对蒸汽机的三次改进

1．分离冷凝器

1764年，对瓦特来说是难忘的一年，瓦特与表妹玛格丽特·米勒结婚，同时也得到了使他走蒸汽机发明路途的机会。这一年，学校请瓦特修理一台纽克曼式蒸汽机，在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理，并且发现了这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。以后，瓦特开始思考改进的办法。直到1765年的春天，在一次散步时，瓦特想到，既然纽克曼蒸汽机的热效率低是蒸汽在缸内冷凝造成的，那么，为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。

在产生这种设想以后，瓦特在同年设计了一种带有分离冷凝器的蒸汽机。按照设计，冷凝器与汽缸之间有一个调节阀门相连，使它们之间既能连通又能分开。这样，既能把做功后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸内产生同样的真空，避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消耗。瓦特根据相关理论计算的结果表明，这种新的蒸汽机的热效率将是纽克曼蒸汽机的3倍。从理论上说，瓦特的这种带有分离器冷凝器的蒸汽机显然优于纽克曼蒸汽机。但是，要把理论上论证的抽象结果转变为实际上存在的物理现实，把绘制在图纸上的蒸汽机变为实实在在的蒸汽机，还要走很长的路。

瓦特辛辛苦苦地造出了几台蒸汽机样机，效果反而不如纽克曼蒸汽机，甚至四处漏气，无法开动。尽管耗资巨大的试验使他债台高筑，但他没有在困难面前却步，仍继续进行试验。当化学家约瑟夫·布莱克（1728～1799）知道瓦特的奋斗目标和困难处境时，他把瓦特介绍给了一位朋友——化工技师罗巴克。当时罗巴克是一个十分富有的企业家，他在苏格兰的卡隆开办了第一座规模较大的炼铁厂。虽然罗巴克已近50岁，但对新发明仍然倾注着极大的热情。他对瓦特的新装置很是赞许，当即与瓦特签订合同，赞助瓦特进行新式蒸汽机的试制。

从1766年开始，在3年多的时间里，瓦特克服了材料和工艺等各方面的困难，终于在1769年制出了第一台新的蒸汽机样机。同年，瓦特因发明冷凝器而获得他在革新纽克曼蒸汽机过程中的第一项专利。但是，这台带有冷凝器的蒸汽机与纽克曼蒸汽机相比，除了热效率有显著提高外，在作为动力机来带动其他工作机的性能方面仍未取得实质性进展。就是说，瓦特的这种蒸汽机在机械性能和动力水平上还是无法作为真正的动力机（见图10－5）。

图10－5　梅多克用瓦特蒸汽机制成的蒸汽机车模型

2．齿轮联动装置

瓦特利用新装置改进的蒸汽机仍然不够理想，销路不广，需要继续进行探索改进。此时资助他的罗巴克本人已濒于破产，这位善良而又热心的企业家又把瓦特介绍给自己的朋友、工程师兼企业家波尔敦，以使瓦特能获得持续的赞助，继续进行研制工作。40多岁的波尔敦是位能干的工程师和企业家，他还经常参加社会活动，是当时伯明翰地区著名的科学社团“圆月学社”的主要成员之一，参加这个学社的大多是本地的一些科学家、工程师、学者以及科学爱好者。波尔敦对瓦特的创新精神很是赞赏，积极赞助瓦特的研究工作，并介绍瓦特参加圆月学社。在圆月学社活动期间，瓦特认识了化学家普列斯特列（1733～1804）等人，对当时人们关注的气体化学与热化学有了更多的了解，为他后来进行水的化学成分的研究奠定了基础。更重要的是，圆月学社的活动使瓦特进一步增长了科学见识，活跃了科学思想。

瓦特与波尔敦合作，加强了与科学界和知识界的交流，在知识、信息和资金、设备、材料等方面得到大力支持。瓦特很快又生产了两台带分离冷凝器的蒸汽机，但是由于没有实质性的改进，还是没有得到社会的关注。巨大的投资也使波尔敦濒临破产，但他仍然给瓦特以慷慨的赞助。瓦特在波尔敦令人感动的倾力支持下，以百折不挠的毅力继续研究。

1769年以来，瓦特已看出热效率低已不是他的带有分离冷凝器的蒸汽机样机的主要弊病，这种蒸汽机的根本局限在于活塞只能做往返的直线运动。

1781年的一天，瓦特参加了圆月学社的活动，有两项内容有可能给予瓦特重要的启示。在聚会中有会员提到天文学家赫歇尔（1738～1822）发现的天王星以及由此引出的行星绕日的圆周运动，另外有人讨论了关于钟表中齿轮的圆周运动的结构问题。瓦特由此想到，把活塞往返的直线运动变为旋转的圆周运动，就可以将动力传给任何工作机。同年，他研制出一套被称为“太阳和行星”的齿轮联动装置，终于把活塞的往返直线运动转变为齿轮的旋转运动。为了使轮轴的旋轴增加惯性，从而使圆周运动更加均匀，瓦特还在轮轴上加装了一个大飞轮（惯性飞轮）。正是由于对传统机构的这一系列重大革新，瓦特的这种蒸汽机才真正成为能带动一切工作机的动力机。1781年底，瓦特以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得了第二项专利。

3．双向装置的新汽缸

由于加上了轮轴和飞轮，这时的蒸汽机在把活塞的往返直线运动转变为轮轴的旋转运动时，多消耗了不少能量。这样，蒸汽机的效率不是很高，动力不是很大。为了进一步提高蒸汽机的效率，瓦特在发明齿轮联动装置之后，对汽缸本身进行了研究。他发现，虽然把纽克曼蒸汽机的内部冷凝变成了外部冷凝，使蒸汽机的热效率有了显著提高，但他的蒸汽机中蒸汽推动活塞的冲程工艺与纽克曼蒸汽机没有不同。两者的蒸汽都是单向运动，从一端进入，从另一端出来。他想，如果让蒸汽能够从两端进入和排出，就可以让蒸汽既能推动活塞向上运动又能推动活塞向下运动。那么，效率就可以提高一倍。

1782年，瓦特根据这一设想，试制出了一种带有双向装置的新汽缸（见图10－6）。由此瓦特获得了他的第3项专利。把原来的单向汽缸装置改装成双向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽，这是瓦特在改进纽克曼蒸汽机的过程中的第三次飞跃。通过这三次技术飞跃，纽克曼蒸汽机完全演变成了瓦特蒸汽机。

从最初接触蒸汽技术到瓦特蒸汽机研制成功，瓦特走过了20多年的艰难历程。这期间虽然多次受挫、屡遭失败，但是瓦特仍然坚持不懈、百折不回，终于完成了对纽克曼蒸汽机的三次革新，使蒸汽机得到了更广泛的应用，成为改造世界的动力。

1784年，瓦特以同时采用带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装取得了他在革新纽克曼蒸汽机过程中的第四项专利。

1788年，瓦特发明了离心调速器和节气阀。

1790年，瓦特又发明了汽缸式工作器。至此，瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。

图10－6　瓦特蒸汽机

1785年，瓦特当选为英国皇家学会会员。

1790年以后，优厚的专利使用费使瓦特成为一个很有钱的名人。

1814年，他被法国科学家学会接纳为外国会员。

1819年8月5日，瓦特在希思菲尔德郡的家里去世，遗体埋葬在汉德沃尔斯郊区的教堂里。