6.4　特里维西克的早期蒸汽机

尽管瓦特对蒸汽机作出了巨大的改进，但他所留下的蒸汽机实质上仍然是一台真空蒸汽机，因为他坚决反对蒸汽压力在高于大气压力几磅的基础上再升高，当时人们以为这会造成危险。在瓦特1769年的第一项专利中，他声称非冷凝式蒸汽机“可以只靠蒸汽的力工作，在它完成任务以后将蒸汽排放到大气中”，但是他从来没有把这一思想贯彻到底。实际上，他所声称的专利权是否有效是很值得怀疑的，因为莱比锡的利奥波特（Jacob Leupold）曾在1725年发表了一份对非冷凝单作用式泵蒸汽机的说明（图108）［8］。使用比瓦特所设想的压力更高的蒸汽是很有前途的，这方面的第一个进展主要由英格兰的特里维西克（Richard Trevithick，1771—1833）和美国的埃文斯（Oliver Evans，1755—1819）几乎在同时完成。

特里维西克的第一台高压双作用式蒸汽机是杠杆和连杆式蒸汽机的一种，于1800年为康沃尔的一座矿山建造，供卷扬之用。他的下一个设计是一台蒸汽公路客车，在1801年进行了试验。它有一台圆柱形内燃式锅炉，并带有回焰装置。垂直的汽缸部分沉入锅炉，活塞杆通过带有滑杆和连杆的十字头驱动后轮，排放的蒸汽向上通过烟囱排出以增加抽力。这一车辆可以载客数人，载重量约30英担，能在平坦的路上以每小时约9英里的速度行驶。1802年，特里维西克与他的堂兄维维安（Andrew Vivian）一起提出了一项关于“蒸汽机在构造和应用方面的改进”的专利，它包括固定式和道路机车用两种蒸汽机的机械构造细节。在前者中，由锅炉和汽缸组成的装置如图中所示的那样在枢轴上摆动，这样就不再需要滑杆或连杆（图版10A）。

图108　1725年利奥波特设计的一台高压非冷凝式蒸汽机。

蒸汽是交替着进入汽缸和从汽缸排放到大气中，这是由图中所示的汽缸中间的圆形阀门的摇动来控制的。

1802年，特里维西克在科尔布鲁克代尔建造了一台试验性杠杆式泵蒸汽机，可在前所未有的145磅/平方英寸的压强下工作。锅炉是铸铁的，直径为4英尺，壁厚1.5英寸，汽缸直径是7英寸，具有3英尺的冲程。它产生的功率相对于它的小尺寸来说，使所有看到它的人都感到惊讶［9］。第二年，他又制造了一台单汽缸、通过齿轮驱动一对8英尺轮子的蒸汽机车。它可以搭载8—10位乘客，还在伦敦作了几次巡游，但未能引起普通公众的兴趣。随后特里维西克回到康沃尔，去开拓他的固定式蒸汽机，这里似乎为他提供了一个更好的施展才能的舞台。他承担建造了一台蒸汽机车，可拉着10吨重的载荷行驶在连接彭达伦铁厂与格拉摩根郡运河间9.75英里长的铸铁轨道上。这台机车在1804年的试车中获得了完全的成功，虽然也导致了几根轨道板断裂。它的蒸汽机不装水时重约5吨，可以轻易拉动比额定载荷更多的负载。正如特里维西克所说：“这是曾经制造过的第一台而且是唯一一台可以自己运动的机器，在路上载重25吨以每小时4英里的速度行驶，而且全部的操作只需要一个人。”

因此，特里维西克不仅是蒸汽机车的发明者，而且证明了——那时人们并不相信——在光滑的轮子与轨道之间有足够的附着力来传递牵引力。他的将蒸汽通过烟囱往上排放以提供足够抽力的装置要是申请专利的话，很有可能使他像瓦特在固定式蒸汽机领域发明分离冷凝器那样，牢牢控制住蒸汽机车的发展。通过设计一台蒸汽机车，他或许影响了机车的历史，这台机车类似于他的彭达伦蒸汽机，是为泰恩河畔纽卡斯尔附近的一座煤矿设计的，于1805年在盖茨黑德由他的一名技工建造完成。毋庸置疑，这些知识曾促进了斯蒂芬森（George Stephenson）于1813年建造他的第一台蒸汽机车，在同一煤田的希灵沃思煤矿使用。

图109　带水平汽缸和圆顶锅炉的特里维西克高压蒸汽机的侧面图，1803年。

特里维西克进入蒸汽机车领域毫不影响他对固定式蒸汽机的开发。1804年，他在写给朋友吉迪（Davies Giddy，1767—1839）[4]的一封长信［10］中提到了他的近50台蒸汽机，其功用包括驱动榨糖磨、碾谷、抽水和轧钢。他采用水平或垂直汽缸的形式来建造，前者的设计（1803年）中有他独创的球形锅炉（图109），几年后的后者的设计，用的是他的内燃式回焰锅炉。

埃文斯在美国开创高压蒸汽的应用与特里维西克在英格兰所做的工作几乎在同一时期。他原是一个修造车辆的工人，从1780年开始与都是面粉厂厂主的兄弟们合伙。埃文斯此前就已表现出发明天才，1797年获得了一项蒸汽车辆的专利。1803年，当时蒸汽机在整个美国可能还不超过6台，他就建造了一台蒸汽挖泥机，第二年又成功地建造了一台装有6英寸直径的双作用式汽缸、8英寸冲程的直接作用式垂直固定式蒸汽机，其转速为每分钟30转。蒸汽的进气阀和排气阀是三通旋阀，由飞轮上的支杆操纵。与特里维西克一样，他也采用了带内部火焰板和烟道的圆柱形锅炉，并于1805年打算使用压强达每平方英寸120磅的蒸汽。他的事业虽然在一生中都未受到鼓励，但影响是显而易见的，因为在美国已广泛使用高压蒸汽之时，英国却仍然在流行瓦特蒸汽机。

到1800年，有几位发明家已在试图对瓦特的用于矿井抽水的杠杆式蒸汽机进行改进，但所有的人都因不能应用分离冷凝器而未获成功。例如在1792年，布尔（Edward Bull）——曾是博尔顿和瓦特的安装工人，后来与特里维西克合作——在康沃尔的多尔科斯矿山建造了一台他自己设计的蒸汽机。他省去了杠杆，并通过将汽缸倒置过来，使活塞杆与下面的泵杆直接连接，从而简化了蒸汽机的结构。但是，由于他使用了分离冷凝器而遭到博尔顿和瓦特的法律诉讼，并于1794年收到了针对他的禁令。