谁发明了蒸汽机？

蒸汽机是一种往复式动力机器，它将蒸汽的能量转化为机械功。蒸汽机的出现引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它仍是世界上最重要的原动机，后来逐渐让位于内燃机和汽轮机。16年底到17年底，英国采矿业尤其是煤矿已经发展到相当规模，仅靠人力和畜力难以满足抽干地下水的要求，而现场有丰富廉价的煤炭作为燃料。现实的需要，促使英国的帕潘、萨弗里、纽科门等许多人投身于“火力提水”的探索和实验。萨弗里制造的世界上第一台实用的蒸汽水泵于1698年获得名为“矿工之友”的英国专利。他先在一个蛋形容器中充入蒸汽，然后关闭蒸汽进气阀，向容器外喷射冷水，使容器内的蒸汽凝结形成真空。打开进水阀，矿井底部的水在大气压力的作用下通过进水管被吸入容器内；关闭进水阀，重新打开进汽阀，利用蒸汽压力将容器内的水通过排水阀压出。当容器内的水排干并充满蒸汽时，关闭蒸汽进口阀和排水阀，再次喷水使蒸汽凝结。如此反复循环，两个蛋形容器交替工作，可以不断排水。萨弗里的水泵依靠真空吸力抽水，抽水深度不能超过六米。为了从几十米深的矿井中抽水，需要在矿井深处安装水泵，利用高蒸汽压力将水抽到地面，这在当时无疑是困难和危险的。纽科门和他的助手卡利在1705年发明了大气蒸汽机来驱动独立水泵，被称为纽科门大气蒸汽机。这种蒸汽机首先在英国普及，然后在欧洲大陆推广，直到19世纪初仍在制造其改型产品。纽科门大气蒸汽机的热效率很低，这主要是由于蒸汽进入气缸后，凝结在刚被水冷却的气缸壁上，损失了大量的热量。只在煤价低的产煤区推广。1764年，英国仪器修理工瓦特在为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时注意到了这一缺点，并于1765年发明了冷凝器与缸壁分离的蒸汽机，并于1769年获得了英国专利。在早期，瓦特的蒸汽机仍然使用平衡杆和拉杆机构来驱动水泵。为了清除冷凝器中的冷凝物和空气，瓦特安装了一个空气泵。他还在汽缸外壁安装了夹层，并用蒸汽加热汽缸壁，以减少冷凝损失。1782左右，瓦特进一步改进了机器，完成了两项重要发明:在主动冷加工行程中间，关闭进汽阀，使蒸汽膨胀做功，提高热效率；使蒸汽在活塞两侧做功(双动式)，提高输出功率。这时候活塞要拉下杠杆，推上杠杆，扇形平衡杆和拉链都不再适用，于是瓦特发明了平行四边形机构。瓦特还在18年底将曲柄连杆机构应用于蒸汽机。瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速发展。他把只能提水的机械变成了可以广泛使用的蒸汽机，蒸汽机的热效率提高了一倍，大大降低了煤耗。所以瓦特是蒸汽机的主要发明者。18世纪后期以来，蒸汽机不仅广泛应用于采矿，还广泛应用于冶炼、纺织、机械制造等行业。它使英国的纺织品产量在20多年间增加了5倍(从1766增加到1789)，为市场提供了大量的消费品，加速了资金的积累，对运输业提出了迫切的要求。在船舶上使用蒸汽机作为推进动力的实验始于1776年，经过不断改进，美国富尔顿制造了第一艘实用的开轮推进蒸汽机船“克莱蒙特”号。从那以后，蒸汽机在船上用作推进动力已经有一百多年了。1801年，英国的特里维西克提出了可移动蒸汽机的概念。1803年，这种利用铁轨的可移动蒸汽机首次出现在煤矿区，这就是机车的雏形。英国的斯蒂芬森不断改进机车，于1829年创造了“火箭”蒸汽机车。机车以46公里/小时的速度牵引着一节载有30名乘客的车厢，引起了各国的关注，开创了铁路时代。19年底，随着电力应用的兴起，蒸汽机一度作为电站的主要动力机械。1900年，美国纽约有一个单机功率五兆瓦的蒸汽机电站。蒸汽机的发展在20世纪初达到顶峰。它具有恒转矩、变速、可逆、运行可靠、制造维修方便等优点，因此被广泛应用于电站、工厂、机车、船舶等各个领域，特别是在军舰上，成为当时唯一的原动机。蒸汽机按蒸汽在活塞一侧或两侧做功，可分为单作用式和双作用式；按气缸排列，可分为立式和卧式；根据蒸汽是在一个缸内膨胀还是在多个缸内依次连续膨胀，可分为单膨胀型和多膨胀型；按蒸汽在缸内的流向，可分为回流式和单流式；按排气方式和排气压力可分为冷凝式、大气式和背压式。简易蒸汽机主要由气缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮组成，气缸和底座是静止部件。来自锅炉的新蒸汽通过主汽阀和节流阀进入滑阀室，由滑阀控制交替进入气缸左侧或右侧推动活塞运动。蒸汽机的发展首先体现在功率和效率的提高，而功率和效率的提高主要依赖于蒸汽参数的提高。蒸汽机开始时蒸汽压力只有0.11 ~ 0.13 MPa，19世纪初达到0.35 ~ 0.7 MPa。1920年代为6 ~ 10 MPa。蒸汽温度方面，19年末未超过250℃，但在30年代使用在450 ~ 480℃。至于效率，在瓦特初始阶段连续运转的蒸汽机的总效率按燃料的热值计算不到3%；到1840，最好的冷凝式蒸汽机总效率可以达到8%；到20世纪，蒸汽机的最高效率可以达到20%以上。转速方面，18年末，瓦特蒸汽机只有40 ~ 50转；20世纪初，转速达到100 ~ 300转/分，部分蒸汽机一度达到2500转/分。从功率上来说，最开始单机功率只有几马力，20世纪初的船用蒸汽机功率可以达到25000马力。随着蒸汽参数和功率的提高，蒸汽不可能在一个缸内继续膨胀，而必须在相连的缸内继续膨胀，于是就有了多级膨胀蒸汽机。由于润滑油闪点的限制，蒸汽机所用蒸汽的最高温度一般低于400℃，机车、船舶等移动式蒸汽机略低，大部分不高于350℃。考虑到膨胀的可能性和结构的经济性，常用压力在2.5 MPa以下。蒸汽参数有限，也限制了蒸汽机功率的进一步提高。蒸汽机的出现和改进促进了社会和经济的发展，但同时，经济的发展反过来对蒸汽机提出了更高的要求，如高功率、高效率、重量轻、体积小等。虽然人们对蒸汽机进行了很多改进，扩大了使用范围，提高了性能，但是随着汽轮机和内燃机的发展，蒸汽机因为存在不可克服的弱点而逐渐衰落。蒸汽机的弱点是:离不开锅炉，整个装置笨重庞大；新鲜蒸汽的压力和温度不能太高，排汽压力也不能太低，这样很难提高热效率；它是往复式机器，惯性力限制了转速的提高；工作过程不连续，蒸汽流量有限，限制了动力的提升。因此，抛弃了笨重锅炉的内燃机以其重量轻、体积小、热效率高、操作灵活等优点，逐渐取代了轮船和机车上的蒸汽机。汽轮机具有热效率高、单机功率大、转速高、单位功率重量轻、运行稳定等优点，将蒸汽机推出电站。然后电机因为使用方便，取代了蒸汽机在工业设备上的应用。而小功率蒸汽机的热效率比汽轮机高，所以在产煤区或者只有劣质燃料的地区，或者在一些特殊场合，蒸汽机还有发挥作用的空间。蒸汽机有很大的历史作用，推动了机械工业乃至社会的发展。随着它的发展而建立起来的热力学和机理，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，采用凝汽器降低排气压力，摒弃了往复运动和间歇进汽的缺点；内燃机继承了蒸汽机的基本结构和传动形式，采用燃料直接输入气缸燃烧的方式，形成热效率高得多的热循环；同时，蒸汽机中使用的汽缸、活塞、飞轮、飞锤调速器、阀门和密封件是许多现代机器的基本部件。