机械传奇(三):十年磨一剑,瓦特对蒸汽机的六次重大改进

摘要

千呼万唤始出来,英雄瓦特先生终于粉墨登场!在此之前,他的前辈们已经给他打下了良好的基础,但也留下了诸多棘手的问题。接下来,就看他如何解决这些问题了!

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​​​文/陶嗣巍

千呼万唤始出来,英雄瓦特先生终于粉墨登场!在此之前,他的前辈们已经给他打下了良好的基础,但也留下了诸多棘手的问题。接下来,就看他如何解决这些问题了!

一、

瓦特先生身世坎坷,他父母共育有8个孩子,但先于瓦特出生的5个孩子全部早夭,而瓦特的弟弟约翰也在航海时遇难,她母亲承受不住连番的打击,撒手人寰。

面对家庭的困境,瓦特的父亲供瓦特上大学了。但瓦特没有怨天尤人,他决定放弃自己的大学梦,选择出门做学徒学一门手艺,来贴补家用。经过一番闯荡,他在格拉斯哥大学成为了一名仪器维修工匠,就是在此,瓦特对蒸汽机产生了浓厚的兴趣,开始了自己长达十多年锲而不舍的努力!

之前已经讲过了,在瓦特改进蒸汽机前,纽科门蒸汽机已经在煤矿中被使用多年,但仍然没有被广泛使用,其中最大的问题就是它的效率很低!

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纽科门蒸汽机最大的问题就是冷却蒸汽的过程直接发生在气缸里

纽科门蒸汽机在运行过程中,需要将汽缸冷却后再使用。从图中可以看到,蒸汽炉提供高温蒸汽充满汽缸并做功,而冷水喷射泵向汽缸喷入冷水后,汽缸内蒸汽冷凝压力降低从而实现抽水。但这一过程中,因为直接在汽缸中喷冷水,使得汽缸从高温快速降为低温,这一过程浪费了大量的热能,因为下一次蒸汽做功时,又要将汽缸再次加热为高温。

而瓦特,正是在这儿打开了缺口。他对纽科门蒸汽机做得第一个重大改进,就是为蒸汽机添加了一个冷凝器

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瓦特改进前的纽科门蒸汽机示意图

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​瓦特改进后的蒸汽机示意图

1757年,瓦特受到格拉斯哥大学工作人员的委托,负责修理一台纽科门式蒸汽机的模型,这使他大喜过望,因为纽科门蒸汽机价格昂贵,如果不是大学提供给他这个机会,他是很难有机会接触到的。

1765年春天,在对纽科门蒸汽机的原理和结构进行认真研究八年后,瓦特获得了一个伟大的灵感!

他在气缸外另外接一個冷凝器,把汽缸里的水蒸汽引入冷凝器中加以冷却,这样既可以防止蒸汽的浪费,又同时解决燃料耗费和活塞转动时间的问题。

恩格斯极为推崇“冷凝器":”蒸汽机是第一个真正国际性的发明……瓦特给它加上了一个分离的冷凝器,这就使蒸汽机在原则上达到了现在的水平。

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​恩格斯对很多事情都有独到见解,除了普奥战争!

二、

瓦特对蒸汽机的改进并没有止步于此!他发明的离心式调速器,是世界上第一个自动控制装置!可以说,瓦特这一发明开创了一门学科,是实实在在的开山鼻祖!

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瓦特设计的离心调速器,是凭借蒸汽机的高速旋转,带动两个钢球的旋转,进而利用离心力拉动连杆,使蒸汽机的阀口开大,这样蒸汽外泄,蒸汽机转速下降。

转速下降之后,离心力下降,连杆回到原位,蒸汽外泄停止,速度再次上升!

1​本动图的原理和离心调速器相同

(感谢西安建筑科技大学的朋友提供,由于微信公众平台限制,图片被压缩的很厉害,大家凑合着看吧)

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​现实中的离心调速器原型

三、

蒸汽机如果想继续提高效率,必须进一步创新。瓦特通过风箱式机构,使蒸汽在活塞两侧交替做功,实现了往复运动。

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通过滑阀和活塞的联动,实现蒸汽的双向做功

使用平行四边形运动杆,同风箱式机构结合,大大拓展了蒸汽机的使用范围。而这也是瓦特的得意之作!

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​平行连杆机构的出现,极大的拓展了蒸汽机使用的方式。

下图为火车车轮驱动的使用方式。可以看出它正是结合了风箱式机构和平行四杆机构的特点。

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​图中,1为凸杆,2为连杆,3为推杆,4为摇杆,5为滑槽,6为活塞,7为汽缸,8为拉杆

四、

瓦特利用炮筒镗床精密加工减少漏气。而这一改进则主要得益于约翰·威尔金森(John Wilkinson)发明的炮筒镗床。

在约翰·威尔金森45岁那一年,研制成功用于加工炮筒内壁的卧式镗床。1775年,威尔金森建成用水车驱动的卧式镗床,用于加工瓦特式蒸汽机的铁制汽缸部件。能让直径72英寸(1.83米)的汽缸内壁,误差不超过六便士硬币(经计算1816年的六便士银币厚度,约为0.91mm)的厚度。

汽缸内壁的光滑程度和圆跳动误差,对其和活塞的密闭配合有很大影响,镗床解决了这个问题,帮了大忙!

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​威尔金森的炮筒镗床复原机

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​镗床加工示意图,通过旋转镗臂带动镗刀加工内孔

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​简易镗床加工示意图,同上图原理相同

镗床本是用来加工炮膛的,但军工的进步经常反哺民用工业,镗床就是一个典型的例子,从此汽缸的密封性就不是制约蒸汽机发展的主要问题。

五、

瓦特对蒸汽机的另一个重大改进,就是使用锅炉压力表,从而有效的减少了锅炉出事故的概率。这一发明并不是瓦特独立发明的,而是和他的员工约翰·桑德尔(John Southern)共同完成的,而桑德尔依靠这一成就,日后也成为了瓦特公司的合伙人!

瓦特和桑德尔将一块板和气缸内活塞杆连接在一起,通过活塞的移动追踪此时的体积数,进而得到压力指数!

压力表被瓦特作为公司的重要商业机密,多年以来一直秘而不宣,直到18世纪30年代才公开。而由于瓦特对锅炉爆炸的担忧,再加上他能够通过压力表观察读数,导致他始终对高压蒸汽机抱有偏见,这为后来的一系列争端埋下了伏笔。当然,当时的工业发展水平也制约了瓦特的眼光!

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上图为汽缸体积与压力表压力指数的关系示意图,随着蒸汽做功,汽缸内活塞下部的体积变大,压力也减小。而瓦特和桑德尔利用该图,通过追踪活塞的移动得到此时的体积数,进而得到压力指数。

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上图是工程师理查德在1865年设计的锅炉压力表,通过蒸汽驱动连杆移动,得到此时的压力指数

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上图是更为简单的压力表结构,利用活塞与滑动阀的联动,得到此时的压力指数

六、

而第六个重大革新,则是采用行星齿轮机构和飞轮结构,解决了变活塞的往复运动为旋转运动的问题。

这个问题本来不是一个问题,因为变往复运动为旋转运动的机构早已有之,就是大名鼎鼎的曲柄连杆机构,但因为专利的问题,所以瓦特必须解决它,那么这中间又有什么故事呢?咱们下一次再讲。
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