6.2　萨弗里（1650？—1715）、纽科门（1663—1729）和斯米顿（1724—1792）

6.2　萨弗里（1650？—1715）、纽科门（1663—1729）和斯米顿（1724—1792）

在那些日子里，人们感觉到最需要的机械是抽水设备。在伊丽莎白一世（Elizabeth Ⅰ）、詹姆士一世（James I）和查理一世（Charles I）时代授予的所有专利中，几乎有1/7是与抽水有关的。在众多关注这一主题的人中，就包括军事工程师萨弗里（Thomas Savery）——一个多产的发明家和实用蒸汽泵的首位制造者。他采用的原理是：在一密闭的容器中，由于蒸汽的冷凝，能使水位升高到大气压力所允许的最大高度，保留住水并对它施加安全范围之内的最高蒸汽压力，驱使水位升得更高。在实际操作中，他采用了两只容器，当其中一只在重新充水时另一只在排水。他1698年取得的主专利是一种靠火的推动力提水和为各种制造厂提供动力的新发明，对于矿井中的排水、城镇中的供水以及位于既没有水力之利也没有恒定风力的地区的各类工厂的运作等，都具有极大的用处和效益。

这一专利正常的有效期是14年，但随后由议会延长到了21年。1701年，他在苏格兰的专利权——与在英格兰的专利权同一天终止——被转让给了中洛锡安怀特希尔的史密斯（James Smith）。萨弗里在他的专利说明“矿工之友”（The Miner's Friend，1702年）中写道：

虽然我的思想长期关注于供水系统，但如果我不是满意地发现这一新型的动力来源比以往所用的各种动力都更强大、更廉价的话，我还绝不会想到要发明任何这类机器。但当发现了这类靠火力的抽真空作用，考虑到采矿工和煤矿工人经常在无序的状态下劳作的艰辛，和一般水力发动机的笨重，这些都激励着我去发明这一采用新的动力工作的发动机。

萨弗里为他的装置制造了一个工作模型，在汉普顿宫（Hampton Court）展示给国王看。1699年，他结合一张发动机图片（图101）［1］，给皇家学会的会员们展示它的操作。

一份1702年的广告［2］表明萨弗里是一位精力充沛的商人：

萨弗里上尉的发动机可以运用火力提升任何合理数量的水到任何高度，它现在已臻完美，随时可作公用。所有被积水困扰的矿山和煤矿主们注意了，只要装备了这种发动机即可将积水排空。在伦敦索尔兹伯里宫广场正对着老剧场的他的工作室中，可以在每个周的星期三和星期六下午3点到6点看到这种发动机的工作情况，其表演肯定能使你感到满意，费用比任何其他用马或人工的方法更为节约，不需修理。

因此，在舰队街和圣布赖德教堂之间的索尔兹伯里宫广场，世界上第一家蒸汽机制造工厂建了起来。蒸汽机的应用必定会受到锅炉、管道和置换器所能承受的压力的限制，萨弗里同样也受到高压蒸汽的困扰，因为当时他所用的蒸汽压力高达8—10个大气压。

它的热量是如此巨大，以致要将普通的软焊料熔化掉。它的力量又是如此巨大，以致要将机器的数条连接处炸开。这就迫使他必须努力而又审慎地对所有连接的焊料使用粗锌或硬钎料［3］。

尽管如此，萨弗里的蒸汽机在相对较低的扬程方面获得了很大的成功，而且有许多台蒸汽机被用作为大型建筑供水。它们还被用作为水车泵水，因此也间接地产生了机械动力。萨弗里机的一种改进技术受到德萨居利耶（Desaguliers）的影响，他在排放箱内用喷射的水流来使蒸汽冷凝。

萨弗里机在18世纪早期就逐渐被废弃不用了[1]。1705年，帕潘试图对它进行改良（图102），但此时他放弃了自己早期很有前途的计划，即在汽缸活塞的下面冷凝蒸汽，并由此从大气压力中获得动力。这一原理有突出的优点，即所需的蒸汽接近于大气压强，使得发动机和锅炉的制造都在当时工匠们的能力范围之内。沿着帕潘的原始设想继续深入下去的方案是由纽科门独立构思出来的，他所获得的成就要远超过以往的任何进步。他第一个建造了实用而又可靠的蒸汽发动机。

纽科门对他的发明的思路或发展没有留下任何描述，但是瑞典人特里瓦尔德（Mårten Triewald，1691—1747）——他于1716年到英格兰协助纽科门至少建造过一台发动机——写道［4］：

现在碰巧有一位从达特茅斯来的名叫托马斯·纽科门的人，他毫无萨弗里上尉所思索过的任何知识，但与此同时他也下决心与他的助手，一位名叫卡利（Calley）的管子工，联合起来发明从矿山中抽水的火力发动机（fire-machine）。启发他进行这项工作的缘由是，纽科门先生发现在英国的锡矿中存在的问题，即用马拉抽水的成本很高。纽科门先生作为铁制工具经销商，为许多锡矿提供设备，为此他经常去拜访这些矿山。

关于纽科门不了解萨弗里的相关知识的陈述，被另一位作者斯威策（Stephen Switzer）所证实，他在1729年写道［5］：

纽科门先生的发明与萨弗里先生的发明一样早，仅仅因为后者更接近宫廷，并在前一位知晓之前已取得了专利，为此纽科门先生愉快地作为合伙人加入进去。

斯威策提到的萨弗里和纽科门的合作，由1719年的一幅版画所证实。

关于这种蒸汽机的发明优先权问题，我们可以听听特里瓦尔德的明确说法：“纽科门先生于1712年在英格兰建造了第一台火力发动机，这台机器建在斯塔福德郡的达德利城堡（图103）[2]。”在一张该发动机的版画中，有一段当时手写的注释，说横梁“每分钟摆动12次，每个冲程能将10加仑的水垂直提升51码”，完成这一任务约需5.5马力。

至于达德利城堡蒸汽机联署了萨弗里的名字，似乎是当纽科门经过10年或更长的试验工作后，已经制造出了一台满意的蒸汽机来，但他发现自己的发展道路被萨弗里的主专利限制住了，因为该专利涵盖了任何一种应用“火的推动力”的蒸汽机，所有他能做的就是与萨弗里达成某种协定。到1712年，萨弗里肯定已经明白自己的蒸汽机并无前途，而纽科门的则要优越得多。

在纽科门于1712年建造的那台蒸汽机中（图104），锅炉及其附属装置比一个大的酿造啤酒用的铜制容器大不了多少，产生的蒸汽仅为大气压力。当蒸汽进入锅炉上方的汽缸底部时，主要由于悬挂在杠杆另一端的泵杆的重量作用，活塞会升到顶部。蒸汽通过排泄管和水密封阀，将已经进入汽缸中的所有空气和水推出，然后在关闭了与锅炉的连接之后，喷射的冷水会使蒸汽冷凝下来，所产生的真空导致大气压推动活塞回到汽缸的底部，由此提升了泵杆。在进入更多蒸汽以后，运转周期就再次开始。蒸汽阀和喷射旋塞起初可能是手工操作的，但是根据某种传说，在1713年，负责操纵阀门的童工运用“抓钩和拉索”使蒸汽机自身来完成这些工作。这一传说并未被证实，因为存在的证据恰恰证明这并不真实，所以也许可将其与后来的少年瓦特和茶壶的故事归为一类。事实上，没有理由认为由喷射泵的连杆的运动来自动操作阀门的方式——正如达德利城堡发动机的版画中所示——在蒸汽机于1712年首次运转时还没有被应用。

需要水封装置是因为在当时不可能精确地镗出所需尺寸的汽缸。直径约7英寸的火炮和泵筒当时可以成功地镗制出来，但是超过此直径的物件已在当时工场的能力范围以外。因此，对纽科门蒸汽机汽缸着手进行精加工的唯一办法，是用磨料把铸造的汽缸的内壁研磨光滑。汽缸与活塞间的配合并不是太好，这一难题是通过在每个活塞的顶部装上柔韧的皮制圆盘，用水使它密封以保持真空来解决的。

在靠近考文垂的格里夫煤矿中的蒸汽机，一定是与达德利城堡中的蒸汽机几乎同时建造的。起先它并不成功，但这也并非完全是一场悲剧，因为它由此引起了当地的一位居民、土地测量员拜格顿（Henry Beighton，1686—1754）的兴趣。他是第一位对纽科门蒸汽机进行科学研究的人，据说他曾对气门传动机构提出了改进建议。德萨居利耶出版的《实验哲学》（Experimental Philosophy，1744年）中关于蒸汽机的资料，就是由拜格顿提供的，其中包括纽科门根据汽缸的直径和气压，并考虑到预计摩擦和其他损耗后，计算蒸汽机功率的方法。在实际操作中，为安全起见，工程师们假定作用在活塞上的平均有效压力是大气压力的一半。拜格顿发表过一张图表（见下页表），是他关于抽水深度从15码到100码、抽水量从每小时48.51大桶到304.48大桶[3]的蒸汽机的汽缸和泵的直径的推荐值。在所有情况下，蒸汽机都假定有6英尺冲程，每分钟做16个双冲程。

当1715年萨弗里去世以后，他的专利权被某些“所有权人”获得，他们在1716年宣称已准备建造大气式蒸汽机，并提到在斯塔福德、沃里克、康沃尔和弗林特诸郡已建成了一些蒸汽机。但事实上，兰开夏郡、约克郡、诺森伯兰和达勒姆等处也建有其他一些同类蒸汽机，但是“所有权人”们对此似乎并不知情。作为萨弗里专利权代理人之一的波特（John Potter），于1725年在中洛锡安的埃德蒙斯顿建起了一台这种蒸汽机。许多关于它的有趣细节已经为人所知，其中包括它的汽缸直径为29英寸、冲程为9英尺。这些设备和泵都来自伦敦，单单一只汽缸就价值250英镑。蒸汽机的杠杆来自约克郡，包括运费的价格为82英镑16先令。每年的专利权费为80英镑。维护蒸汽机的工程师年薪200英镑，另加煤矿利润的一半。由于萨弗里蒸汽机在英格兰和苏格兰的专利权期满，专利许可证终止于1773年，这表明纽科门的发明是在这些专利权保护之下开拓的。买主对材料和零部件分别付费，然后由一名工程师在当地指导合适的工匠组装建造。

到1725年，纽科门蒸汽机已全面用于抽水，尤其是在矿山中抽水，同时也用于提升水以推动水车来驱动机械。1726年的一幅版画描绘了一台带有推杆型阀门装置的蒸汽机，还有一个装置用于从汽缸的排泄管中为锅炉供水，而不像早先那样是从活塞顶部取水，而且几乎全是冷水。这一改进不知是否是纽科门自己的设想。

随着新动力的知识扩展到整个欧洲大陆，英国以外的第一台纽科门蒸汽机是1722年为维也纳的埃拉克（J.E.T.von Erlach）建造的，地点在萨克森开姆尼茨附近的柯尼斯堡。埃拉克曾访问过英格兰，并带回了一位有经验的工匠来完成这一工作。这位工匠后来在萨克森又建造了其他几台纽科门蒸汽机，被当地认为是这些蒸汽机的发明者。法国的第一台蒸汽机于1726年建于巴黎郊外的帕西，被用于从塞纳河向城市供水。这些蒸汽机建造者中有一位是代表“所有权人”开发蒸汽机的委员会的成员。

纽科门于1729年去世，生前已看到自己的蒸汽机在萨克森、法国、比利时，可能还在德国和西班牙得到应用。究竟他是否能从自己的重要发明中获取大量金钱上的利益，这是有疑问的。似乎有极大的可能是他被萨弗里专利的所有权人排挤到了一边，他们则获取了利润中的主要份额。

1733年，萨弗里蒸汽机专利权期满使蒸汽机的应用传播更加迅速，因为它能满足一定的需要而且又没有竞争者。尤其是煤矿工业更因蒸汽机的应用而获益，因为它使得开采比用畜力抽水开采更深的矿井成为可能（第Ⅲ卷，第3章）。在英格兰北部的深煤田，有许多矿井到17世纪末期已被淹没，蒸汽机则几乎带来了采矿业的重生。随着蒸汽机数量的增加，其尺寸也不断增大，但是设计一直很少改变。然而，更大的蒸汽机需要增加锅炉的功率，因此两只或更多的锅炉就代替了纽科门的单只锅炉。

1765年，法国冶金学家雅尔（Gabriel Jars，1732—1769）访问了泰恩河畔纽卡斯尔，描述了他见到的在靠近沃克煤矿的地方运转的蒸汽机（图57）。这台蒸汽机由当地的煤矿工程师威廉·布朗（William Brown）所建，是该地区最大的一台。它由三台锅炉供应蒸汽，还有另一台备用。雅尔声称这些锅炉是锻铁制成的，带有铅顶盖，直接位于汽缸下面的那一只则带有一只铜制的顶盖以便于连接。活塞用麻绳作填料，因为汽缸尺寸很大，所以用三根喷水管作冷凝用。从另外的来源我们了解到，汽缸的直径为74英寸，长10.5英尺。这台蒸汽机的重量达6.5吨，是从什罗普郡的科尔布鲁克代尔运来的。

在纽科门去世以后的很长一段时间里，他的蒸汽机的发展依赖的是从事实际操作的人，因为“哲学家们”似乎还认为机械学不值得他们注意。首位非常关注蒸汽动力的科学工程师是斯米顿（John Smeaton），他以建造埃迪斯通（Eddystone）灯塔而闻名（第15章，边码468）。年轻时，斯米顿对约克郡他家附近的一座煤矿中的纽科门蒸汽机发生了兴趣。后来，在从事专业工作的过程中，他对所看到的蒸汽机的设计和性能越来越不满意。1767年，他设计了一台蒸汽机来替代马，用于从伦敦的新河向一座水位更高的水库中抽水。该蒸汽机并未达到预期的效果，所以1769年他在个人拥有的工场中建造了一台汽缸直径为10英寸、冲程为38英寸的试验蒸汽机。他又从布朗（边码178）那里获得了英国北部约100台蒸汽机的明细表，包括其中的汽缸直径从20英寸到75英寸的15台蒸汽机的性能细节，还收集了康沃尔的18台大型蒸汽机进一步的性能资料。从这些资料中，他发现要把相当于559万磅的水提升1英尺高，蒸汽机平均需要消耗1蒲式耳（84磅）的煤，这成为以后推算一台蒸汽机“功率”的一种方法。活塞上受到的平均有效压强仅为每平方英寸6.72磅［6］，这并不比纽科门已经获得的结果更好。

1772年，斯米顿编纂了一份汽缸直径高达72英寸的蒸汽机各部件的比例表格，同年又设计和监督了位于诺森伯兰的朗本顿煤矿的一台汽缸直径为52英寸的蒸汽机的建造工作。由于细节和工艺上的改进，尤其是汽缸的镗孔（为此他在卡伦制铁公司设计了一台专用的机床）的改进，朗本顿蒸汽机（图105）用每蒲式耳的煤可以做9.45百万英尺磅的有用功。这在当时的实践中是一个非常显著的进步。1775年，斯米顿为俄国的喀琅施塔得设计了一台蒸汽机，汽缸直径达66英寸，用于抽空船坞中的水。几乎同时，他又在位于康沃尔的查斯沃特制造了他最为著名的蒸汽机，它有一个72英寸直径的汽缸。

斯米顿拥有纽科门所不具备的知识和制造设备，他几乎将大气式蒸汽机的效率提高了一倍，又使其性能达到了此类蒸汽机所能达到的最高点。但是，这还是非常低，主要是因为做功的汽缸同时又用作冷凝器，因而浪费了大量的热。他把他的朗本顿蒸汽机的性能看作一种质量标准。然而，如果假定用每磅仅1.2万B.Th.U.的低质量煤来生产蒸汽，他的数据表明总热效率仅约为1%。虽然纽科门蒸汽机在工作时会消耗大量的煤，但是它依然毫无争议地占领市场长达60多年。它是开发英国矿产资源的主要推动因素，并由此奠定了英国的工业发展基础。

纽科门蒸汽机除了用于泵水，其局限性是很大的。它本质上属于单作用式蒸汽机，因为活塞杆和杠杆末端之间的链接排除了上冲程时的任何推力。如果要获得旋转运动，蒸汽机可以装上连杆以驱动曲轴和飞轮。在这种情况下，当活塞做上冲程时，杠杆在曲轴端所受到的超载荷足以对曲轴销产生所需的向下的压力。这种装置虽然笨拙，但还是经常用来替代马从浅矿井中把煤卷扬起来，并一直沿用到19世纪。另一方面，蒸汽机可以把水抽到一个高架储水箱中，然后让水落向一个水轮以驱动机械。这种方法能提供如棉纺等工业所需的均匀运动。斯米顿利用水车获得了可逆传动，准确地说利用了类似于1556年阿格里科拉（Agricola）提出的水车，其中占一半宽度的是一系列右旋的戽斗，而另一半是一系列左旋的戽斗，水则根据需要从这一系列戽斗改流到另一系列戽斗。