5.2　蒸汽机的早期竞争者

5.2　蒸汽机的早期竞争者

蒸汽机并没有迅速取代早期的原动机，在充分发展成为一种有相当高平均能量输出的原动机之前，还经历了一些时日。单凭蒸汽机的机动性，不足以取代踏车、水车和风车。实际上，工业革命在其早期阶段，肯定不是以蒸汽机为特征的，风车仍然点缀着许多地方的景色。在18世纪的英格兰，水还是主要的动力来源，驱动着鞣皮机、磨盘、锯床、风箱和矿石破碎机。在山地、河谷和溪流地区，发明了新型的纺织机，早期的磨坊都是建在河岸边上的。工业革命的开创者们根本不知道蒸汽机为何物。怀亚特（Wyatt）曾把机械化的纺织工业描述为一种装有用马、水或风驱动的轮子的工厂，他和保罗（Lewis Paul，卒于1759年）曾为他们的第一台机器配备了两头驴。卡特莱特（Cartwright）用一头牛拉动他的新发明，阿克赖特（Arkwright）谈起一种“水力机构”时说，苏格兰的头两台动力织布机（1793年）是用一条纽芬兰狗牵动的。

对16世纪和17世纪的许多工业来说，使用动力的障碍是成本和利用人力的可能性，而不是应用时在机械方面存在的困难。相对于产生的动力数量来说，花费的投资是相当大的。因此，人们通常宁愿选择由工人操作的机械，而不选用由动力驱动的设备。大部分早期的机器都涉及要把长距离内低强度变换为短距离内高强度，许多机器被设计成能够简单地调整为可以由能产生旋转运动的任何一种原动力驱动。但是，直到动力变得更为廉价、可靠且易于获得时，使用专业动力工厂的动力才变得有意义。

在18世纪，没有一座工厂可以建在远离河流的地方，而且还要水流湍急到有足够的能量来驱动机器。狭窄的山谷里往往工厂林立，在那里筑起的水坝形成了终年不断的人工水位落差。因此，对于整个18世纪的英国工业来说，奔宁山脉中的山谷都是非常重要的。只要水还是机器的主要驱动力，这种状况就一直在持续着，但蒸汽动力的使用却逐渐导致一些缺煤地区工业的衰落。

在英格兰的其他许多地区，水流大多比较缓慢。即使有一点可以利用的水力，也被用来收集和传送水力的水轮和水槽等粗笨的系统浪费掉了。唯一切实可行的办法是建造人工瀑布。这就要用泵把水提升到水库所在的高度。正是为了泵水的需要，第一批蒸汽机才投入运行。

在18世纪，对可以利用的水力资源的竞争变得非常尖锐，这在中部地区尤为明显。在17世纪里，轧钢厂、造纸厂以及类似的一些企业开始聚集到塔梅和斯陶尔河地区。阿瑟·扬（Arthur Young，1741—1820）于18世纪末对伯明翰和其他中部地区的冶金中心用水量少的状况进行了评论，对于没有机械的帮助仅通过手工完成的工作量感到吃惊。中部地区极其需要水力，加上对煤炭的需要，促使人们去寻求一种新的动力来源。

大约在18世纪中叶，到处都可以发现把纽科门蒸汽机和水车联合使用的情况。早期瓦特蒸汽机也有相似的用法。确实，若不是由于瓦特（Watt）的“行星齿轮运动”（sun-and-planet motion）以及他的“四连杆机械运动”的发明（第6章），解决了把梁的摆动转变成转动的难题，那么，蒸汽机一定会依然是水车的一个附件，只是把推动水轮的水往高处提。1780年前后，阿克赖特用纽科门泵作为他的“水压机”（hydraulick machine）的辅助设备，第一家蒸汽机纺纱厂也于1785年在诺丁汉郡的帕珀威克为鲁滨逊（Robinson）建造起来。

要根据蒸汽机在其早期阶段不得不与之竞争的水车确定能量输出这肯定非常有趣，但不幸的是，这方面的资料非常少。没有任何理论计算或思考曾在第一台水车的建造过程中发挥过作用。随着16世纪和17世纪齿轮构造和动力输送方面经验的积累，水车也变得更加高效，而且有人已在尝试计算其效率了。16世纪的大多数水车都是下射式的，马格努斯（Olaus Magnus，1555年）是用图示说明上射水轮的少数人中的一位。第一位认真尝试测量水车的动力输出的人是斯米顿［5］（John Smeaton，图91、图92）。1759年，他为了确定理论上的能量输出以及克服水轮零件摩擦而消耗的能量，制订了一些规则（边码203）。他在理论上证明出“上射水轮的效果在相同水量和落差的情况下，平均是下射水轮的2倍。对水轮的下行转动而言，水轮愈高其效果也愈好”。

从能够查到的一些18世纪的水车图我们可以得出结论，它们的能量输出很少高于10马力，平均只有5马力。这一可怜的记录，主要是英国水力资源的局限性和早期的齿轮装置以及动力传输中必不可少的损耗所致。最大的一类水车是1682年由列日的木匠雷内昆（Rennequin）为路易十四（Louis ⅩⅣ）建造的巨大的“马尔利机”（Marlyla-Machine，图93、图94），具有124马力的潜在功率，而在实际工作中至少可以有75马力。但由于维护不当，它到1796年只能产生不足原有功率1/40的动力了。然而，即使蒸汽机的输出功率提高到平均10马力以上，它还是不能很快地取代水车。至少到1850年，水车还继续在英格兰机械化工业中起着重要的作用。棉纺业是蒸汽工业发展的受惠者，但其所需的动力在1830年还有1/4来自水力，在1850年则为1/7。其他纺织工业从水力中获得的能量更多。只是那些没有水力的地区才迅速地采用了蒸汽机。

在18世纪的英格兰，风车还不是应用广泛的原动机，但在北海和波罗的海沿岸却起着重要的作用。自从风车传入西欧以后，它便有了很多改进［6］（第Ⅲ卷，第4章），不仅用来碾谷，还用于采矿，尤其是在中欧。这并不是什么新奇的事，一份来自波希米亚的15世纪的手抄本表明，矿井里的一台卷扬机就是由风车驱动的。在16世纪，人们可以看到风车的许多新的应用。穆伊斯（Cornelis Dircksz Muys）发明过一种湿地风车（marsh-mill，1589年），它的下部装有一根倾斜的转动轴，可拧动阿基米德螺旋泵而从低端上升到所需高度。在弗里斯兰仍广泛使用的倾斜式小风车，也许就是从这项发明中派生出来的（第Ⅲ卷，图204）。

有些地区受到大自然的恩惠。荷兰阿姆斯特丹西部的泽兰两岸地势平坦、风力强劲，引水也非常方便，从而成为荷兰的主要工业区到17世纪末，这个地区已经拥有900座风车（包括湿地风车）。1672年法国战争之后，泽兰地区建起了风力驱动的工厂，当时东部各省的造纸业受到战争的很大威胁。在莱顿、鹿特丹和多德雷赫特这些城镇周围的其他工业区，都是利用风车来获取所需动力的［7］。许多城镇在城墙和要塞上也设有风车，在战时用以提水。联合省总计约有8000座风车，到1900年还剩有2000座。1950年时仍保留有1306座，但许多已处于损坏状态。

推广风车作为原动机并非一帆风顺。1581年，荷兰的手工业者同业公会提出抗议，声称这些东西将会使许多工匠失业。1766年，伦敦东部的莱姆豪斯建起了一台由风车驱动的机械锯床，可是2年之后却被造反的民众毁掉了。

关于这些风车的能量输出，我们只有极少的一点数据。风车的功率取决于风速和翼板的翼展。就以翼展为100英尺的风车和现代化的翼板而论，估计其风机轴处的功率如下：(https://www.daowen.com)

虽然现代的风车可对3米/秒的风速产生反应，但18世纪的风车却要求至少2倍于此的风速。

18世纪，荷兰风车技师的基本读物［8］只述及结构细节，早期计算风车功率的尝试只涉及湿地风车。斯蒂文在1590年前后对此进行了描述，那时他正致力于改进这些风车的齿轮装置和斗轮。他不仅获得了专利权，而且实际上还参与了在按照他的设计建造的一些风车上进行的某些实验。在他对这项工作的叙述中——差不多在300年之后才出版——他试图计算出由斗轮排出去的水量以及提升这些水对翼板产生的压力，但是他忽略了很多因素。大约在1600年，利格沃特（Jan Adriaanszoon Leeghwater，1575—1650）测量了两座湿地风车的输出，并用所泵的湖水水面的落差来表示。1763年，莱顿附近也进行了类似的测量，用一台带动一个斗轮的湿地风车与另一台带动一个阿基米德螺旋泵的湿地风车相比较［9］。1774—1776年间，在鹿特丹附近，工作人员测定了4台湿地风车的用立方英尺表示的输出［10］。到了1821—1824年间，又对戽斗式水车（图95）与阿基米德螺旋泵的效率进行了比较［11］。但是，这些测试都没有准确的风速测量数据。

1759年，斯米顿报告了关于风车和不同形状翼板的实验［12］。他采用的风车模型翼展约3.5英尺，由人工风驱动（图96），这样就可以不考虑风的湍流。不过，他还是发表了一份用英尺/秒表示大概范围的风速表。他的实验确立了一台已知风车工作能力随风速而改变的关系，但这难以表达风车的实际工作能力，因为他缺乏合适的仪器，甚至缺少用以评价和表示能量的单位。

斯米顿写道：

当风车转动时，为了能够支持几个小时，德萨居利耶（Desaguliers）使出了一个人能够使出的最大力量，这相当于把一大桶（63麦芽酒加仑）水在1分钟内举10英尺高。在以平均速度转动时，按5个人相当于1匹马计算，30英尺的翼板相当于18.3个人（或3.66匹马）的动力，而相同长度的普通荷兰翼板很少能达到10个人（即2匹马）的动力。

这些计算并非只是推测性的，在实际操作时一般还是管用的，我曾有机会进行验证。一台风车装有加大的30英尺宽的翼板，用以转动两个碾轮，碾碎制油用的油菜籽，我观察到当翼板每分钟转11圈时，此时的风速约为13英尺/秒，这时碾轮每分钟转7圈，可是当用2匹马拉同样的两个碾轮时，在相同时间里便很难达到3.5圈的速度了。

18世纪常见的荷兰风车翼展有100英尺，风机轴高于地面45—50英尺。按照斯米顿的计算，应该有10马力的能量输出，这很符合现代的测定。较小的荷兰风车有24英尺宽的翼板，在风速为20英里/小时，有4.5制动马力的输出。利用一台1648年左右建造的老式大型湿地风车，工作人员获得了有意义的估计值［13］。2米高的喷水头每分钟泵出35立方米水时，平均风速为8—9米/秒，风机轴处应产生40马力动力，但实际输出却只有15.6马力（39%）。所以，利用风力产生的能量有61%在传输过程中损失掉了。用现代的翼板和改进的齿轮进行的进一步实验表明，18世纪的风车平均可以产生10马力的动力。通过增加翼板的转动惯量，能够加大到13—14马力。利用更为现代的翼板，还能达到18—20马力。如果更换齿轮系统并采用现代翼板，有可能把能量输出提高到大约30马力，但这代表了在结构上没有多大改变——例如现代风力发动机中所能见到的那种结构——的情况下所能达到的最大的能量输出。用18世纪的其他荷兰湿地风车也取得了类似的结果，它们需要8—9米/秒的风速才能有效地工作，而在平均风速时可以产生10—12马力的动力，最高可达15马力。所有这些数据，都很符合兰金（Rankine）和奥比松（d'Aubuisson）所给出的各种原动机的量级：

斯米顿用铸铁来加强风车的某些部件，但这种做法传播得很慢，现存的风车基本上是木结构的。风机轴处产生的最大动力约为50马力，但由于使用了木制嵌齿轮和副齿轮来传递，许多能量都在传递中损失了——虽然它们在抑制振动方面比铸铁零件更佳。风车在18世纪达到了其发展的上限，当蒸汽机发展到有更大的能量输出而且更为廉价时，风车就不可避免地要为之让路了。

在东方，风车有一种作用在一个垂直轴上的环状翼板（第Ⅱ卷，边码615）。风力机偶尔也在那里出现过，由于后来用了汽轮机，风力机便显得有点滑稽［14］。在关于18世纪风车的荷兰手册中未曾提到过风力机，但用风力机驱动机器的荷兰专利可以追溯到17世纪（参见图97）。热气叶轮机虽然从未发展成为一种原动机，却引起了许多知名工程师的注意。在我们讨论的这一时期里，它采用扇片形状，由烟囱里升起的热气推动。扇片转动时会带动齿轮，齿轮又能使串着肉的烤肉铁叉转动。它的早期设计出现在16世纪达·芬奇（Leonardo da Vinci）之前的一些手稿中。人们所熟知的烟道机、抽风机、转动烤具是由热气叶轮机派生的，并由布兰卡（Branca，边码168）和其他人（图98）加以图解说明。甚至有人设想用热气叶轮机推动轧制铁条的轧钢机。