蒸汽机发展演变的三个阶段

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蒸汽机发展演变的三个阶段

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已有 798 次阅读 2016-7-30 09:18 |个人分类:科技发展史|系统分类:科普集锦

《全球通史》作者L.S.斯塔夫里阿诺斯说，“蒸汽机的历史意义，无论怎样夸

大也不为过。”蒸汽机的出现使人类从依靠人力、畜力等原始动力中解脱了出来，

实现了机器大生产，带领人类进入蒸汽时代。本文将蒸汽机的演变划分了三个重

要阶段，并以图例方式展示了自蒸汽机逐步改进和演变的过程。

第一阶段 蒸汽机主结构形成

利用蒸汽实现机械做功可追溯到公元1世纪古希腊力学家希罗发明的汽转球，它

由一个空心球（连有两个出汽口）和一个密闭锅（加热水变成蒸汽）组成，在空

心球和密闭锅之间用两根管子相连，同时也是空心球的支撑（见下图）。当水沸

腾后变成水蒸气经连接管进入到空心球中，此时蒸汽将从两个喷汽口喷出，在水

蒸汽的反作用力下空心球就转了起来，便成为汽转球。但汽转球只是一种玩具，

并没有什么实用价值。

汽转球

引领17-19世纪工业革命的蒸汽机，起源于1679年法国物理学家帕平（Denis

Papin，1647-1713）发明的高压锅时采用了杠杆式安全阀，利用杠杆原理，在远

端施加重物，而汽压推动汽阀的力点为短力臂，利用杠杆原理，当高压锅压力超

过设计值时，可推动汽阀向上运动，以排出部分压力，平衡后又落回远处。1690

年帕平根据安全阀的工作原理发明了活塞式蒸汽机，不过帕平只是对设计原理进

行了思考，并没有真正制造出可使用的蒸汽机，但他的工作却开创蒸汽机的研究。

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帕平设计的高压锅，杠杆式安全阀是其主要构件

杠杆式安全阀，在B端安装重物，汽阀C处受压力，利用杠杆平衡通过即可获得高压锅中的

压力

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通过观察蒸汽阀的运动，设计了活塞式蒸汽机

后来，英国发明家和工程师塞维利（Thomas Savery， c.1650–1715）仔细对帕

平设计方案进行了研究，由于当时缺乏制造良好密闭性活塞的制造工艺，塞维利

舍去了帕平的活塞结构。塞维利机主要由两个部分组成：一是锅炉，二是密闭的

工作容器。先通过锅炉把水加热，使蒸汽充满工作容器，然后关闭入汽孔，使工

作容器中水蒸气冷凝，形成局部真空，当该容器与矿井下水相连时，通过外部大

气压，就可以把水“吸”到高处，其实是靠大气压力把水压上来的，所以水的提

升高度和大气压力有关，在9m左右。为了把水送到更高的地方，塞维利又专门

设计了一个蒸汽压力装置把水送到更高的地方，这就是塞维利机，被命名为“矿

山之友”。并申请了世界上第一个蒸汽机专利。

塞维利机

塞维利蒸汽机问题很多：效率很低，为了维持机器的运转需要烧很多的煤，好在

它本身就是用于煤矿抽水的，煤有的是。但它靠压力输送水，又当时材料制造和

焊接工艺的不足使得时有管道发生断裂和爆炸，同时依靠大气压提水，最高提升

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高度约为9.1m限制了塞维利机的使用。不过，塞维利总是人类的第一台实用蒸

汽机并申请了专利。当塞维利请帕平（此时，帕平是英国皇家学会的会员）对他

的蒸汽机予以鉴定时，帕平意识到了塞维利机的不足提出了重大的改进意见，但

塞维利也不认为帕平的建议可行而不同意改进。后来，帕平根据自己的理解更新

了设计，但由于他已因研制蒸汽机而破产，因此他向皇家学会申请15英镑的研

究经费来改进锅炉，以证明新设计比塞维利机要优越时，但塞维利从中百般阻挠，

致使帕平的合理要求遭到拒绝。

帕平蒸汽机的第二版，将蒸汽机引入汽缸中（从有往左第2个容器），靠活塞推动水升高，

大概帕平和塞维利的矛盾主要在于使用还是不使用活塞结构

帕平和塞维利的不和谐最后由纽可门（纽可门的资料很少，职业虽说是锻工，实

际上在当时也就是我们熟知的铁匠，有说法说纽可门曾受雇于塞维利）进行了协

调统一。大约在1712年，纽可门综合了帕平的气缸活塞和塞维利靠冷凝蒸汽形

成真空抽水的优点，将抽水的工作机构和提供动力的蒸汽机完全分开，这一分离

标志着纽可门蒸汽机的完成，纽可门机在当时非常成功，连续使用了有60多年，

在瓦特蒸汽机出现以后，还使用了很长一段时间。但可惜的是，由于当时申请专

利需要昂贵的费用，纽可门机并没有申请专利，这或许也为纽可门机的广泛使用

提供了条件，纽可门机成为煤矿抽水的必备设备，以至于大学里都在教授纽可门

机的工作原理（这为瓦特的出厂准备了条件）。纽可门机的出现标志着蒸汽机革

新中第一阶段工作的完成，纽可门机一直使用到18世纪60年，瓦特对纽可门机

的改进标志着蒸汽机的演变进入第二阶段。

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纽可门机

第二阶段 瓦特对蒸汽机的不断改进

瓦特于蒸汽机结缘，得益于格拉斯哥大学（University of Glasgow）的三位教

授，Joph Black和Adam Smith，以及后来的John Robison，他们为瓦特提供

了一份维修和制作天文仪器的工作，并提供了一个小的工作车间。1763年瓦特

被要求去修理一台学校的纽可门模型机，用于教学使用，此前在伦敦维修没有修

好，瓦特很快就修了。瓦特的可贵之处在于他修好之后，还对其工作原理、热机

效率、制造工艺等一系列问题进行了深入思考，在经过很多实验后，瓦特验证了

大约在气缸每次循环中有大约四分之三的蒸汽热量被白白地浪费，而且由于每次

循环都向气缸喷入冷水不能连续工作。

1769年瓦特考虑如果单独设计一个冷凝装置，就不需要使汽缸的温度降到常温

再重新加热，这样就可以提高热机效率，按照他的设计可将蒸汽机的效率提高3

倍。依照这一思路，瓦特设计了带有分离式冷凝器的蒸汽机，瓦特为分离式冷凝

器申请了专利保护，成为他的第1项专利。

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瓦特蒸汽机 冷凝器与汽缸分离

1775年，瓦特与合伙人马修.博尔顿（Matthew Boulton,1728–1809），Soho

铸造厂的老板开始合作成立了“博尔顿-瓦特公司”，并将分离式冷凝蒸汽机投

入生产，其煤耗不到纽可门机的 1/3。1781年，瓦特公司的雇员威廉•默多克

（William Murdoch）发明了一种称为“太阳与行星”的曲柄齿轮传动系统，并

以瓦特的名义成功申请了专利。此时，瓦特蒸汽机输出的不再是活塞的往复运动

而是旋转运动，为其成为动力机奠定了基础。

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太阳行星此轮机构

在合伙人博尔顿的帮助下，瓦特和他们的员工通力合作，对蒸汽机实现了革命性

的改进。1781年，瓦特又发明了双向汽缸以提高效率，双向汽缸即在活塞两侧

进汽，提高热机效率（见下图）。这时，联系控制双向汽缸的进汽装置成为关键，

1784年，瓦特发明了平行四连杆机构，以保证双向汽缸的控制问题（见下图）。

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双向汽缸

平行四连杆机构 完成 平行运动

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经过这一系列的改进，纽可门机已经完全成为了瓦特蒸汽机。1785年以后，瓦

特改进的蒸汽机首先在纺织部门投入使用，受到广泛欢迎。为了保证蒸汽机转速

的平稳性，瓦特于1788年发明了离心式调速器。

离心式调速器

1790年瓦特在员工Kalman De Juhasz，The Victoria 和 Albert Muum的帮

助下发明了蒸汽机气缸示工器。

蒸汽机示工器

在瓦特研制蒸汽机的过程中，Soho铸造厂的博尔顿起了关键性的决定作用。1794

年，瓦特与博尔顿合伙组建了专门制造蒸汽机的公司，保证了蒸汽机的研究经费，

事实上瓦特在博尔顿的经营下，很快就成了富翁，到1824年就生产了1165台蒸

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汽机，纺织业、采矿业、冶金业、造纸业等工业部门，都先后采用蒸汽机做为动

力。

瓦特与他的前人相比，他对蒸汽机的改进不仅在于结构和制造工艺上的完善，同

时还完成了许多蒸汽机的控制装置的设计，使蒸汽机更加的趋于稳定工作。瓦特

的工作代表了蒸汽机演变中的第二个阶段。在这一过程中，我们过多的强调了瓦

特的工作，实际上瓦特的合伙人博尔顿、以及他们的员工（如默多克）、以及当

时的一些化学家、物理学家（如格拉斯哥大学的三位教授，以及圆月学社的一些

知名人士）的作用不容忽视，应该说在瓦特天才般的发明创造能力之上，良好的

人际关系也是瓦特成功的重要条件。

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瓦特蒸汽机的工作原理图

第三阶段 蒸汽机效率的进一步提高

蒸汽机的雏形来源于帕平的高压锅安全阀，安全阀主要靠蒸汽机压力工作，一个

显见的结论就是压力越大越可能提供更大的动力，但由于当时材料和结构制造水

平低下，初期蒸汽机的蒸汽压力仅为0.11～0.13兆帕，称为低压蒸汽机，瓦特

蒸汽机也属于低压蒸汽机。19世纪初，高压蒸汽机的发展迎来蒸汽机发展的第

三阶段，但实际上高压蒸汽机可以再早一些，但由于瓦特的几项专利要到1800

年才到期，因此在一定程度上也阻碍了高压蒸汽机的发展。

1800年英国的特里维希克（Richard Trevithik,1771－1833）发明了高压蒸汽

机，他的目的是牵引蒸汽机车，并于1802年申请了专利。特里维希克发明了世

界上第一台实用性轮轨蒸汽机车，他蒸汽机车在结构上初步具备了早期蒸汽机车

的雏形，例如：机车由锅炉、烟囱、汽缸、动轮、摇杆、连杆、飞轮等部件组成。

并实验了载客和货运功能。由于蒸汽机车本身和它牵引的货物太沉重了，生铁铸

成的铁轨经常发生断裂事故，于是矿山的主人拒绝了德里维斯克的蒸汽机车，还

是决定用老办法马拉货车来运矿石。

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特里维希克蒸汽机车（早于斯蒂芬森）

特里维希克测试蒸汽机车的圆形轨道

1801年，美国工程师、发明家埃文思制造也制造出了高压蒸汽机，尽管最初只

有5马力（传统的低压蒸汽机那时有的会有12马力），但它的体积只有传统蒸

汽机的1/25. 这是难以想象的。

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埃文思高压蒸汽机

19世纪初蒸汽压力达到0.35～0.7兆帕,试验中用到5.6兆帕，20世纪20年代

曾用到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

年代曾用到450～480℃。蒸汽压力和温度的提高，极大的提高了蒸汽机的效率，

不过也远不能使人满意，纽可门蒸汽机效率大约为0.5%，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。此后，尽管人们做了多

种创始，但热机效率几乎没有什么提高，直到卡诺发现了卡诺循环，提出卡诺热

机，指明热机效率在理论上等于

n=1-T2/T1

n表示热机效率，T2表示低温热源，T1表示高温热源。我们知道提高蒸汽压力，

在同等体积情况下，可得到较高的温度，因此高压蒸汽机的热机效率要比低压蒸

汽机效率高。

卡诺热机的提出为提高热机效率提供了理论依据，标志着蒸汽机第三阶段的完成。

此后，人们便着手研发耐高温高压的材料和结构，以提高热机效率。如今，在火

力发电中为了提高热机效率减少二氧化碳排放，提高蒸汽机压力和温度是主要途

径。

在火电领域，由于水的临界压力是22.129MPa,临界温度是374.15℃；在这个压

力和温度时，因高温膨胀的水和因高压压缩的水蒸汽的密度是相同的，就叫水的

临界点，炉工质压力低于这个压力就叫亚临界锅炉，大于这个压力就是超临界锅

炉，炉蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于31 MPa被称为超超临界。在工

程上也常常将25MPa以上的称为超超临界。目前，国及国际上一般认为蒸汽温度

不低于600摄氏度，就是超超临界机组。2011年开始，我国已经致力于研究700

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摄氏度的高超超临界技术。当今温度在700℃，压力在35MPa以上的高超超燃煤

机组已成为世界各国竞相发展的重点。

2014年被称为“史上最严”的《火电厂大气污染物排放标准》正式执行，大量

落后机组亟待淘汰升级，超超临界技术将逐步成为我国火电技术的主体。其中耐

高温材料的力学性能研究、冶金、焊接等制造工艺成为新一轮“蒸汽机变革”中

的重点目标。

从这个角度看，虽然人类早已进入了电气时代，但蒸汽机的变革远没有停止，

新理论、新材料、新的加工工艺的不断提出蒸汽机也将会有更进一步的发展。

这也说明科学与技术的进步没有终点，人类探索的脚步也永远不会停止！

参考文献

维基百科，百度百科，相关条目

迟红刚,徐飞.瓦特蒸汽机技术创新的社会视角分析.科学与社会.2015,5(4):102-114.

Bruce L. Story of the Steam Engine

Indicator..farmcollector./steam-traction/

什么是第一次工业革命的真正诱因

./bk/sjs/2014-12-09/

武际可 调速器/?mod=space&uid=39472&do=blog&id=41224

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黄瓯,泽瑛.700oC高超超临界技术的经济得益分析.热力透平.2010.39(3):170-174

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