机械传奇（三）：十年磨一剑，瓦特对蒸汽机的六次重大改进

来源|机械传奇 作者|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！

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。

瓦特改进前的纽科门蒸汽机示意图

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。“

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！

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！

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）

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。

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！

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。

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！

威尔金森的炮筒镗床复原机

镗床加工示意图，通过旋转镗臂带动镗刀加工内孔

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！

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。

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

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。