蒸汽机原理及发展

蒸汽机原理及发展

蒸汽机是将蒸汽的能量转化为机械功的往复式机械。它需要一个

使水沸腾产生高压蒸汽的锅炉，这个锅炉可以使用木头，石油，煤或

天然气甚至垃圾作为热源，蒸汽膨胀推动活塞做功。蒸汽机主要由汽

缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等

部分组成。汽缸和底座是静止部分。在蒸汽锅炉中，通过燃烧过程水

沸腾为蒸汽。通过管道蒸汽被送到汽缸。阀门控制蒸汽到达汽缸的时

间，经主汽阀和节流阀进入滑阀室，受滑阀控制交替地进入汽缸的左

侧或右侧，推动活塞运动。蒸汽在汽缸内推动活塞做功，冷却的蒸汽

通过管道被引入冷凝器重新凝结为水。这个过程在蒸汽机运动时不断

重复。一般的蒸汽机有三个汽缸组成一个组。蒸汽机直接将活塞的上

下运动转化为船轴的旋转运动。新造的蒸汽机中还包含了一个小的涡

轮机，从汽缸中出来的蒸汽还可以利用它的余热在推动这个涡轮机来

提高整个驱动装置的效率。这个涡轮机也与船的螺旋浆轴相连。

蒸汽机按蒸汽在活塞一侧或两侧工作，可分为单作用和双作用式；

按汽缸布置方式，可分为立和卧式；按蒸汽是在一个汽缸中膨胀或依

次连续在多个汽缸中膨胀，可分为单胀式和多胀式；按蒸汽在汽缸中

的流向，可分为回流式和单流式；按排汽方式和排汽压力可分为凝汽

式、大气式和背压式。蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命。直

到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机，后来才逐渐让位于内

燃机和汽轮机等。

1698年托马斯·塞维利、1712年托马斯·纽科门和1769年詹姆斯·瓦

特制造了早期的工业蒸汽机。1807年罗伯特·富尔顿第一个成功地用

蒸汽机来驱动轮船。瓦特并不是蒸汽机的发明者，在他之前，早就出

现了蒸汽机，即纽科门蒸汽机，但它的耗煤量大、效率低。瓦特运用

科学理论，逐渐发现了这种蒸汽机的毛病所在。从1765年到1790年，

他进行了一系列发明，比如分离式冷凝器、汽缸外设置绝热层、用油

润滑活塞、行星式齿轮、平行运动连杆机构、离心式调速器、节气阀、

压力计等等，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多，最终发

明出了现代意义上的蒸汽机。瓦特的这些发明，仍使用在现代蒸汽机

中，为纪念瓦特的贡献，功率的单位名称以其姓氏命名。

瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速地发展，他使原来只能提水的机

械，成为了可以普遍应用的蒸汽机，并使蒸汽机的热效率成倍提高，

煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽机的改良者。自18世纪晚期起，蒸汽

机不仅在采矿业中得到广泛应用，在冶炼、纺织、机器制造等行业中

也都获得迅速推广。它使英国的纺织品产量在20多年内(从1766年到

1789年)增长了5倍，为市场提供了大量消费商品，加速了资金的积累，

并对运输业提出了迫切要求。在船舶上采用蒸汽机作为推进动力的实

验始于1776年,经过不断改进，至1807年，美国的富尔顿制成了第一

艘实用的明轮推进的蒸汽机船“克莱蒙”号。此后，蒸汽机在船舶上作

为推进动力历百余年之久。1800年，英国的特里维西克设计了可安装

在较大车体上的高压蒸汽机。1803年，他把它用来推动在一条环形轨

道上开动的机车，那就是机车的雏型。英国的史蒂芬孙将机车不断改

进，于1829年创造了“火箭”号蒸汽机车，该机车拖带一节载有30位乘

客的车厢，时速达46公里/时，引起了各国的重视，开创了铁路时代。

19世纪末，随着电力应用的兴起，蒸汽机曾一度作为电站中的主要动

力机械。1900年，美国纽约曾有单机功率达五兆瓦的蒸汽机电站。蒸

汽机的发展在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、

运行可靠、制造和维修方便等优点，因此曾被广泛用于电站、工厂、

机车和船舶等各个领域中，特别在军舰上成了当时唯一的原动机。

蒸汽机推动了机械工业甚至社会的发展，解决了大机器生产中最

关键的问题，推动了交通运输空前的进步。随着它的发展而建立的热

力学和机构学为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础；汽轮机继承了蒸

汽机以蒸汽为工质的特点，和采用凝汽器以降低排汽压力的优点，摒

弃了往复运动和间断进汽的缺点；内燃机继承了蒸汽机的基本结构和

传动形式，采用了将燃油直接输入汽缸内燃烧的方式，形成了热效率

高得多的热力循环；同时，蒸汽机所采用的汽缸、活塞、飞轮、飞锤

调速器，阀门和密封件等，均是构成多种现代机械的基本元件。

工业革命的产生一部分原因是因为蒸汽机的改良，而蒸汽机车的

产生也是因为蒸汽机的改良以及后 人的应有而产生的，瓦特改良蒸

汽机导致一系列技术革命引起了从手工劳动向动力机器生产转变。因

此蒸汽机的改良绝对是促成工业革命的原因之一。而蒸汽机车是一种

以蒸汽引擎作为动力来源的铁路机车，因此若没有蒸汽机的改良便不

可能有这项交通工具的诞生。蒸汽机彻底改变人类生产和生活面貌.

从此人类进入了"蒸汽时代".由于蒸汽机的发明,加之英国当时煤铁工

业发达,所以英国就成为世界上最早利用蒸汽推动铁制"海轮"的国家。

十九世纪,开始海上运输改革,一些国家进入了所谓的"汽船时代"。从

此,船只就行驶在茫茫无际的海洋上了。随之而来,煤矿、工厂、火车

也全应用了蒸汽机。体力劳动解放,经济得到飞速发展。