瓦特蒸汽机(蒸汽发生器)

然而，在她开始向我们走来之前，我们打了一千次电话，催促了一千次，英雄瓦特先生终于以黑粉色登场了！在此之前，他的前任已经为他打下了良好的基础，但也留下了许多棘手的问题。接下来，就看他怎么解决这些问题了！

一，

瓦特先生一生坎坷。他的父母有八个孩子，但瓦特之前出生的五个孩子都英年早逝。瓦特的弟弟约翰也在航行中遇难。她的母亲无法承受巨大的打击，去世了。

面对家庭困难，瓦特的父亲送瓦特上了大学。但是瓦特没有抱怨。他决定放弃大学梦，选择外出当学徒，学一门手艺贴补家用。经过一番周折，他成了格拉斯哥大学的一名仪器维修工匠。正是在这里，瓦特对蒸汽机产生了浓厚的兴趣，并开始了他长达十几年的不懈努力！

如前所述，在瓦特改进蒸汽机之前，纽科门蒸汽机已经在煤矿使用多年，但仍然没有得到广泛应用，最大的问题就是效率低！

纽科门的蒸汽机最大的问题是冷却蒸汽的过程直接发生在汽缸里。

纽科门蒸汽机在运转过程中，气缸在使用前需要冷却。从图中可以看出，蒸汽炉提供的高温蒸汽充满汽缸并做功，而冷水喷射泵将冷水注入汽缸后，汽缸内蒸汽的冷凝压力降低，从而实现抽水。但在这个过程中，由于冷水直接喷入气缸，气缸很快从高温降到低温，浪费了大量热能，因为下次蒸汽做功时，气缸又会被加热到高温。

而瓦特，正是在这里拉开了差距。他对纽科门蒸汽机的第一个主要改进是在蒸汽机上增加了一个冷凝器。

瓦特改进前纽科门蒸汽机示意图

瓦特改良蒸汽机示意图

1757年，瓦特受格拉斯哥大学工作人员的委托，修复了一台纽科门蒸汽机的模型，这让他喜出望外，因为纽科门蒸汽机价格昂贵，如果不是大学给他提供了这个机会，他很难接触到它。

1765年春，瓦特在对纽科门蒸汽机的原理和结构进行了8年的仔细研究后，得到了一个很大的启发！

他在缸外接了一个冷凝器，把缸内的水蒸气引入冷凝器冷却，既防止了蒸汽的浪费，又解决了油耗和活塞转动时间的问题。

恩格斯高度赞扬了“冷凝器”:“蒸汽机是第一个真正意义上的国际发明……瓦特给它加了一个单独的冷凝器，使蒸汽机在原理上达到了现在的水平。”

恩格斯对很多事情都有独到的看法，除了普奥战争！

第二，

瓦特蒸汽机的改进并没有就此止步！他发明的离心调速器是世界上第一个自动控制装置！可以说瓦特的发明开创了一门学科，是真正的鼻祖！

瓦特设计的离心调速器是依靠蒸汽机的高速旋转带动两个钢球的旋转，然后利用离心力拉动连杆，使蒸汽机的阀口打开，使蒸汽漏出来，蒸汽机的转速下降。

转速下降后，离心力下降，连杆回到原位，漏汽停止，转速又上升了！

该图的原理与离心调速器的原理相同

(感谢Xi安建筑科技大学的朋友提供。由于微信公众平台的限制，图片压缩的很厉害。我们将就一下吧。)

现实中的离心调速器原型

第三，

蒸汽机要想继续提高效率，就必须进一步创新。通过瓦特的波纹管机构，蒸汽在活塞两侧交替做功，从而实现往复运动。

通过滑阀和活塞的联动，实现蒸汽的双向做功。

平行四边形运动杆的使用，结合波纹管机构，大大扩展了蒸汽机的应用范围。而这是瓦特的杰作！

平行连杆机构的出现大大扩展了蒸汽机的用途。

下图是火车轮驱动的使用。可以看出，它结合了波纹管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为气缸，8为拉杆。

四，

使用瓦特炮管镗床进行精密加工，减少漏风。这一改进主要归功于约翰·威尔金森发明的炮管镗床。

45岁时，约翰·威尔金森研制成功了加工炮管内壁的卧式镗床。1775年，威尔金森建造了一台由运水车驱动的卧式镗床，用来加工瓦特蒸汽机的铁筒零件。使圆筒壁的直径为72英寸(1.83米)，在六便士硬币的厚度之内(1816年银六便士硬币的厚度计算为0.91毫米左右)。

气缸内壁的光滑度和圆跳动误差对气缸和活塞的气密配合有很大的影响。镗床解决了这个问题，帮了大忙！

威尔金森筒式镗床修复仪

镗床加工示意图，旋转镗臂带动镗刀加工内孔。

简易镗床加工示意图，原理与上图相同。

镗床本来是用来加工炮膛的，但是军工的进步往往反哺民用工业。镗床就是一个典型的例子。从此，气缸的密封性就不是制约蒸汽机发展的主要问题了。

五，

瓦特蒸汽机的另一大改进是锅炉压力表的使用，有效降低了锅炉事故发生的概率。这个发明不是瓦特独立发明的，而是他的员工约翰·南方发明的。由于这一成就，史云光成了瓦特公司未来的合作伙伴！

而沃尔特·桑德尔将一块板与气缸中的活塞杆连接起来，通过活塞的运动来跟踪此时的容积，从而得出压力指数！

作为公司重要的商业秘密，压力表被保密了很多年，直到18世纪30年代才公之于众。但瓦特对锅炉爆炸的担心，加上他能通过压力表观察读数，导致他一直对高压蒸汽机抱有偏见，这为后来的一系列争议埋下了伏笔。当然，当时的工业发展水平也制约了瓦特的眼界！

上图显示了气缸容积与压力表压力指数之间的关系。随着蒸汽做功，气缸中活塞下部的体积变大，压力下降。瓦特和桑德尔利用这个曲线图，通过跟踪活塞的运动，得到此时的体积数，进而得到压力指数。

上图是1865年工程师理查德设计的锅炉压力表。压力指数是通过移动由蒸汽驱动的连杆获得的。

上图是比较简单的压力表结构，利用活塞和滑阀的联动来获得此时的压力指数。

六，

第六大创新是采用了行星齿轮机构和飞轮结构，解决了活塞往复运动变为旋转运动的问题。

这个问题根本不是问题，因为把往复运动转变为旋转运动的机构已经存在，那就是著名的曲柄连杆机构。但是因为专利问题，瓦特不得不解决，那么这中间有什么故事呢？下次再说吧。