6.3　瓦特（1736—1819）

6.3　瓦特（1736—1819）

继纽科门之后，首位在开发蒸汽动力方面取得重要进展的是瓦特（James Watt），他凭借自己的创造性和科学才华在蒸汽机的效率和机械设计方面作出了根本性的改进。瓦特是格里诺克一位木匠技师和造船工人的儿子，年轻时曾去伦敦学习仪器制造技艺。1757年，他回到格拉斯哥，被任命为“格拉斯哥大学的数学仪器制造者”，并在学院的大楼中设有一个工场。

1763年，瓦特修理了一台属于格拉斯哥大学的纽科门蒸汽机模型并使它运转起来，一位伦敦的仪器制造者此前却未能把它修好。这个模型的汽缸有，2英寸的直径和6英寸的冲程，锅炉的直径约为9英寸。瓦特发现它消耗的蒸汽量是如此巨大，以至于仅能完成很少几个冲程后就动不起来了。他认为这是通过汽缸壁的传导而使热量损耗所致，因为它的汽缸的表面积与体积之比大于较大型蒸汽机的这一比例。为把这一损耗源减少到最小程度，他制造了另一台工作模型，用了一个6英寸直径、12英寸冲程的木制汽缸。他用这一模型进行试验后，断定蒸汽损耗高的真正原因是在每一个工作冲程中喷射水都使汽缸冷却了下来。在这项研究中，他独立地发现了蒸汽的潜热现象，他自己并不知道他的朋友布莱克（Joseph Black，1728—1799）——当时的格拉斯哥大学化学教授——已经发现了这一现象。用瓦特自己的话说［7］：

为了最佳地利用蒸汽，我察觉到必须是：第一，汽缸应该一直保持与进入的蒸汽一样热；第二，当蒸汽被冷凝时，构成蒸汽的水，以及喷射水本身，应冷却到100℃，或在可能的地方稍低一些。做到这两点的途径并不是现在突然才冒出来的，早在1765年我便发现，假如在装有蒸汽的汽缸与另一只已被抽空空气和其他液体的容器之间连通的话，蒸汽作为一种弹性流体，将立即冲入空的容器，一直到建立一种平衡。但假如该容器被喷射水或用其他方法保持极低的温度，更多的蒸汽将继续进入直到所有蒸汽都被冷凝。

瓦特继续解释说他打算使“另一容器”（即冷凝器）里保持真空，既可以通过一根超过34英尺长的垂直水密封管来排空，更可取的是用一台或几台泵来完成这一任务。有了使用一个分离冷凝器的设想以后，他立即制造了一台粗糙的模型以检验其可行性，结果“符合他的期望”。他意识到用冷水来密封活塞的纽科门方法必须放弃，因为这与要使汽缸尽可能地保持高温的原理相抵触，而且由于同一原因，大气压力不应直接作用在活塞上。因此，他决定采用一只使活塞杆能够通过的带有孔和填料盒的汽缸盖，用蒸汽压力代替大气压力迫使活塞下降。他打算用汽缸套使汽缸保温，外面再套上木材。

瓦特根据这一思路制造了一台大型汽缸，将其与他自己设计的表面冷凝器结合起来进行试验。不过，他担心这种冷凝器运行中会因水中的沉淀物而结垢，认为更简单、更小型的喷射冷凝器会更适用，并对此始终坚信不疑。他的第一个想法是将活塞杆与它将要推动的泵杆直接连接，但他最后判定更好的方式还是通过一根摇梁来传导活塞的运动，就像纽科门所做的那样。

由于瓦特既无资金又无设备按照实用的规模来开发他的发明，布莱克将他介绍给了罗巴克（John Roebuck）。罗巴克是一位有进取心的工业家，对煤矿的排水系统感兴趣。罗巴克建议要申请一项专利，于是瓦特在1769年被授予了他的历史性专利——“在火力发动机中减少蒸汽和燃料消耗的新方法”，其中的实质性要点是采用了分离冷凝器。作为承担所有已支出费用的回报，罗巴克作为合伙人参加进来并占有2/3的份额。一台汽缸直径为18英寸、冲程为5英尺的试验性杠杆式发动机在罗巴克的住处建立起来，但是问题并没有被追根究底地研究下去，部分是因为瓦特已经成为执业的土木工程师，另一方面是因为罗巴克发生了财政危机。

瓦特后来偶然到伦敦公干，他带着朋友的介绍信，在回来的路上拜访了这位工厂设在伯明翰附近的索霍的制造商博尔顿（Matthew Boulton，1728—1809）（图版31A）。博尔顿对蒸汽机很感兴趣，因为他自己的工厂缺少水力，而他也在寻找把驱动机器的水抽回去的方法。可是博尔顿并不倾向于发展这种蒸汽机，除非能足够大规模地开发它，以证明由一家专门的工厂来生产是值得的，对此罗巴克并不同意。1773年，罗巴克破产，他在专利中的份额——接收人对此的估价仅约为1/4旧便士——由博尔顿接收，以抵偿罗巴克欠他的债务。随后，瓦特带着他的试验机到了伯明翰，并将全部精力投入到开发上去，结果大获成功，以至他在1774年写道，“我所发明的火力发动机现正在取得进展，保证比任何已经建造的要好得多”。但是，此时专利期限仅剩8年，博尔顿意识到在能够获取利润之前专利可能就已期满，因此瓦特向议会申请延长期限，并在1775年获得批准延长25年，直至1800年结束。于是，博尔顿与瓦特著名的合伙人关系也得以进入一个全盛时期。

博尔顿热衷于新蒸汽机，他劝说瓦特为斯塔福德郡的布卢姆菲尔德煤矿建造一台50英寸汽缸的蒸汽机，并为什罗普郡布罗斯利的新威利公司的铁器制造商威尔金森（John Wilkinson，1728—1808）制造了另一台30英寸汽缸的蒸汽机，用来为高炉鼓风。威尔金森在1774年曾生产出一种新型的用于制造大炮的镗床，并取得了专利（边码421）。这台机器大大提高了加工精度，对于达到瓦特要求的汽缸镗孔精度极限的价值是无可限量的。博尔顿和瓦特的这两台蒸汽机都获得了极大的成功，它们的煤耗量还不到当时其他机器的正常用量的1/3。咨询书从康沃尔的锡矿和其他金属矿山大量涌入，那里的煤很贵，抽水的成本限制了商业上可行的采矿深度。确实，康沃尔为蒸汽机提供了如此重要的一个场所，使得两位合伙人中必须要有一位待在那里负责。瓦特仔细地测试了在康沃尔和其他地方的许多已有的蒸汽机，最后确定了向用户收取的专利费为与普通蒸汽机相比所节约的燃料成本的1/3。在这些测试的基础上，他总结出在普通蒸汽机活塞上的有效压强是每平方英寸7磅，而在他自己的发动机上则是10.5磅。

在瓦特的单作用式蒸汽机的最终设计中——如从1788年开始使用的那台——有几个新特点（图106）：锅炉（C）有一个很大的加热面；值得注意的是，封闭的带有汽缸套的汽缸（E），以及与空气泵（H）并排浸在地板层下面的热水池中的喷射冷凝器（F）；活塞以麻绳用压环由螺栓固定后成密封圈；填塞在它四周的凹槽中形成蒸汽密封。汽缸的旁边是一根管道，它的上端是进气阀，当开启时可以接纳新鲜蒸汽到活塞的上面，同时也进入管道内部。接近管道下端的是平衡阀，它允许蒸汽从活塞上部的空间通过它到达下部。第三只阀门是排气阀，它控制从活塞下面到冷凝器的蒸汽流量。所有的阀门都是升降式，由阀挺杆操纵。

蒸汽机的运行如下——当活塞处于冲程的顶端，排气阀被打开，从而在活塞的下面产生真空，进气阀同时打开，以接纳蒸汽到活塞上面。此后，大气压力和蒸汽压力会迫使活塞下降，当活塞达到冲程的下端，进气阀和排气阀关闭，平衡阀打开。因此，活塞的两边有相等的压力，泵杆的重量会将活塞重新提升到汽缸的顶部。

瓦特在博尔顿的推动下发明了从他的蒸汽机中获得旋转运动的几种方法，这使得蒸汽机可以广泛应用在制造业中。老的方法是从杠杆的工作端通过连杆驱动曲轴，当时瓦特也曾想到过，但是这已被他的一个工匠拿去以另一个人的名字在1780年取得了专利。这个专利也许可以去争夺，但是有远见的瓦特——他本人就拥有许多专利——非常明智地不去卷入此类诉讼之中。他设计了其他的应急手段，并于1781年取得了专利。其中之一是周转齿轮，也就是行星齿轮（sun-and-planet gear），由他的助手默多克（William Murdock，边码262）提出，这种装置获得了广泛应用。它包括一个用销子插在驱动轴末端的正齿轮，与固定于悬挂在杠杆上的连杆末端的类似的非转动齿轮相啮合。两只齿轮的中心用连杆连接起来，以保证互相啮合，由此使得蒸汽机的每一个双冲程都能驱动使轴旋转两周。这种行星运动在所有博尔顿和瓦特的旋转式蒸汽机上都得到了应用，直到1794年曲轴和连杆专利期满。

1782年，瓦特获得了两项非常重要的改进专利。第一项是使蒸汽机成为双作用式，这就能够利用同样的汽缸容积产生两倍的动力。第二项是利用蒸汽的膨胀性，只在每一冲程的开始阶段接纳蒸汽进入汽缸，此后就由它的膨胀力驱动活塞。为了使蒸汽机成为双作用式，以前将活塞杆连到横梁上的柔韧的链条必须为某些能分别双向传递力的机构所代替。瓦特的第一个想法是延长活塞杆，使之成为一根齿条与杠杆端的弧形齿啮合。这是一个笨拙的装置，1784年，瓦特为他非常著名的三杆直线运动申请了专利，他自己也认为这是他的杰作。在几个月后，他发现他可以用缩放仪的原理将直线型轨道的长度扩大一倍，于是他制造了精巧的“平行四边形运动”机构，它的应用在一个世纪或更长的时期内成为旋转式杠杆蒸汽机的特征（图107）。

1787年，为保证在负载变化时速度恒定，瓦特为蒸汽机配备了一只锥形离心摆调速器，以控制蒸汽进气管上的一只蝶形阀（第Ⅲ卷，边码105，图版4A）。这类调速器早已在面粉厂中用于控制石磨的设置，但瓦特是第一个用它来调节蒸汽机的。到这时，双作用旋转式蒸汽机已成为实际上的标准机型，并一直沿用到瓦特的分离冷凝器的主专利于1800年期满。随后瓦特从实际工作中退休，他不仅为工业界提供了效率在随后的半世纪中都很难再有提高的原动机，而且也提高了泵水蒸汽机的性能，从斯米顿所达到的每蒲式耳煤9.45百万英尺磅（边码179），增加到博尔顿和瓦特合作期满时保证能够达到的30百万英尺磅以上。

杠杆式蒸汽机的更进一步发展，在许多年间实际上仅限制在机构和结构上的改良，其中最突出的是控制进出汽缸的蒸汽流量的装置由单一的滑动阀代替了瓦特分开使用的升降阀。默多克在1799年发明了滑动阀并取得了专利，他还设计了曲柄轴上的偏心装置，作为操作曲柄轴的一种手段。在博尔顿和瓦特的主专利期满以后，他们的第一位重要的竞争者是利兹的默里（Matthew Murray，1765—1826）。他于1801年将汽缸的进气口和排气口靠在一起放在同一平面上，这样它们就可以由一个比较小的阀门来控制，从而使默多克的阀门变得更轻也更简单。大约在这一时期，铸铁杠杆开始代替了纽科门、斯米顿和瓦特的木制杠杆，铸铁连杆也取代了早先使用的贴有铁板的木制杆。但是杠杆式蒸汽机并无其他显著的变化，直到1845年，才由兰开夏郡贝里的麦克诺特（John McNaught）用他简单而又有效的方法将其改造成复合式蒸汽机，从而大大延长了它的寿命。

杠杆式蒸汽机的持久性，可以用发展初期机械工程尚处于萌芽状态来进行解释。为它的巨大尺寸和重量以及所需的发动机厂房的高度所付出的代价，用当时能够提供的器械和工具制造便利性来抵偿是绰绰有余的。在约1820年引入刨床（边码433）之前，在蒸汽机的制造过程中，通过高超而又冗长的手工劳动能够加工成的平板很少。蒸汽机最大的特点之一是，容许由于它的杠杆、连杆和偏心杆的长度所引起的较为显著的安装偏差。它那为数众多的枢接合的铜开尾销也简化了需要由操作者完成的调节步骤，而且整个蒸汽机非常牢固。