蒸汽机的发明历程

蒸汽机的发明历程

蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。

早在2000年前，古罗马数学家希罗就发明出了利用蒸汽驱动小球旋转的装置--汽转转

球，它是一个装有两个弯管喷嘴的空心铜球，喷管与铜球的轴成直角，各弯向相反的方向，

如图1-9所示。蒸汽通过金属导管从汽化皿传到铜球中，再由喷嘴喷出时，球体便绕轴转动。

这是已知最早以蒸汽为动力的机器，虽然只能算个新奇的蒸汽玩具，并未予以任何实际应用，

但却是蒸汽机的雏形。

近代蒸汽动力技术的产生，主要源于当时的社会生产的直接推动和当时的实验科学的长

期孕育。在16世纪末和17世纪初，意大利物理学家包尔塔进行了蒸汽压力实验，流体力学

奠基人意大利物理学家托里拆利和帕斯卡等进行了大气压力实验，格里凯进行了真空作用实

验。这三大实验基础的相继形成，使人们得以从实验上开始认识蒸汽、大气和真空的相互作

用。而这些重大的实验成果也就为早期蒸汽动力技术的产生奠定了牢固的实验科学基础。1.

纽科门蒸汽机的诞生

1698年，英国工程师托马斯·赛维利根据巴本的模型，发明制造出一台应用于矿井的

蒸汽机，取名为"矿工之友"，并取得专利。他将一个蛋形容器先充满蒸汽，然后关闭进气阀，

在容器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空。打开进水阀，矿井底的水受大气压力作用

经进水管吸入容器中；关闭进水阀，重开进气阀，靠蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出。

待容器中的水被排空而充满蒸汽时，关闭进气阀和排水阀，重新喷水使蒸汽冷凝。

如此反复循环，用两个蛋形容器交替工作，可连续排水。在赛维利的这台用于抽水的蒸

汽机中，除了阀门外，没有任何可运动的部件，由于结构设计不合理，工人操作不便，劳动

强度大，能量损耗多，抽水效率低。但赛维利发明的这台蒸汽机是人类继自然力--人、畜、

水、火、风之后，首次把蒸汽作为一种人为制造动力，靠机械做功的机器。这样，蒸汽动力

技术基本完成了从实验科学到应用技术的转变。

1705年，英国工程师托马斯·纽科门在对赛维利蒸汽机进行认真的研究后，认为赛维

利蒸汽机还不能称为动力机械，只能是一个水泵，因为它没有活塞，无法将燃料的热能转变

为机械能。针对这一问题，纽科门引入了活塞装置，使蒸汽压力、大气压和真空在相互作用

下推动活塞做往复式机械运动，取得了"冷凝进入活塞下部的蒸汽和把活塞与连杆连接以产

生可变运动"的专利权。1712年，他制造出一台可供实际使用的大气式蒸汽机--纽科门蒸汽

机，采用了杠杆、链条等装置。

纽科门蒸汽机将蒸汽引入气缸，然后向气缸中喷水冷却，冷却后的气缸内压下降，气缸

里的活塞在大气压力的推动下向上运动，带动抽水泵抽水。这台蒸汽机活塞直径30.48cm，

每分钟往复运动12次，功率5.5马力（1马力=735.5W），热效率低，燃煤消耗量大，但已

经极大地提高了矿井抽水的效率。纽科门蒸汽机是第一个实用的蒸汽机，在欧洲被广泛使用

了半个多世纪，在瓦特完善了蒸汽机后很长时间仍被继续使用，"火车之父"斯蒂芬森就曾经

是纽科门蒸汽机的操作者。纽科门蒸汽机的诞生为后来蒸汽机的发展和完善奠定了基础，拉

开了"划时代"的序幕。

1757年，英国人詹姆斯·瓦特被英国格拉斯戈大学聘为实验室技师，专门从事修理教

学仪器工作。瓦特小时候因为身体较弱，去学校的时间不多，主要的教育都由母亲在家里进

行。由于父亲的职业关系，少年瓦特对机械非常感兴趣，表现出了精巧的动手能力以及数学

上的天分。

1763年，格拉斯戈大学一台纽科门蒸汽机的教学模型运转不灵，瓦特接了修理这台机

器的差事，对纽科门蒸汽机产生了兴趣。瓦特虽然只受过一年的机械制造训练，但却具有非

凡的发明天赋。他在修理纽科门蒸汽机模型时，发现纽科门蒸汽机的冷凝装置很不合理，其

冷凝水蒸气是在气缸里进行的，冷凝蒸汽的同时也冷却了气缸，白白浪费了大量的能量，这

正是纽科门蒸汽机热效率低、燃料消耗大的原因。瓦特在经过一段时间的思考后认为，要解

决这一问题，应将蒸汽冷却过程移出气缸，增加一个与气缸分离的冷凝器，在冷凝器中将蒸

汽冷却，这样只冷却蒸汽，而不冷却气缸。

1765年，瓦特下决心对纽科门蒸汽机进行改进，他的这一想法得到了格拉斯戈大学著

名的布莱克教授的支持，约翰·罗巴克、马修·博尔顿等一些企业家也提供了一些设备和资

金上的资助。1768年，在翻砂工罗伯克的帮助下，瓦特研制出了一台试验样机。由于这台

机器采用了冷凝器与气缸相分离的设计，使得蒸汽机的效率大为提高，1769年取得了专利。

1776年，在经过多次试验改进后，瓦特将一台蒸汽机安装在煤矿中用于抽水，将另一台安

装在一家炼铁厂用于高炉鼓风。1782年，瓦特进一步改进了气缸的结构，制成了双冲程的

蒸汽机。

这种双冲程的蒸汽机在工作时，蒸汽可以从气缸的两头分别进入气缸，由蒸汽来推动活

塞做往复运动，变单动为双动，彻底改变了纽科门蒸汽机利用大气压力摆动活塞的情况。连

同一些较小的革新一起，这些发明使蒸汽机的效率至少提高了四倍。1784年，为了便于速

度变换，瓦特把纽科门蒸汽机的杠杆转动改变为曲轴和齿轮转动，使活塞的直线运动变为圆

周运动，从而制成了能够连续转动的、双动通用蒸汽机，如图1-12所示。这种蒸汽机经济、

有效，获得了广泛应用。随后，瓦特又陆续发明了自动调节蒸汽机运转速度的离心式调速器、

测量蒸汽压力的压力计、节流阀以及许多其他仪器。至此，瓦特在总结前人经验教训的基础

上，经过二十多年的不懈努力，完成了现代蒸汽机的研制。

瓦特的创造性工作，使蒸汽机的热效率成倍提高，推进和扩大了蒸汽机的应用范围，在

采矿、冶炼、纺织、机器制造等行业中都迅速推广，开创了动力革命的新时代，为之后一个

多世纪人类利用动力机械提供了强有力的保证，为世界工业的迅猛发展做出了历史性的巨大

贡献。