PDF《学科史林》

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1 All About Systems and Control

45 学科史林 张伟伟 太原科技大学力学系 图说蒸汽机发展演变的三个阶段 《全球通史》作者L.S.斯塔夫里阿诺斯说[1] , 蒸汽机的历史意义,无论怎样夸大也不为过 . 19世纪欧洲对世界的支配与其说是以其 他任何一种手段或力量为基础,不如说是以蒸汽 机为基础. 蒸汽机的出现使人类从依靠人力、 畜力等原始动力中解脱了出来,实现了机器大生 产,带领人类进入蒸汽时代.本文将蒸汽机的演 变划分了三个重要阶段,并结合图例说明蒸汽机 逐步改进和演变的过程. 第一阶段 纽卡门机 利用蒸汽实现机械做功最早可追溯到公元1世 纪古希腊力学家希罗(Heron of Alexandria c. 10- c.

70 AD)发明的汽转球,它由一个空心球(连有 两个出汽口)和一个密闭锅(加热水变成蒸汽) 组成,在空心球和密闭锅之间用两根管子相连, 同时也是空心球的支撑,如图1所示.当水沸腾后 变成水蒸气经连接管进入到空心球中,此时蒸汽 将从两个喷汽口喷出,在水蒸汽作用下空心球就 转了起来成为汽转球.但汽转球只是一种玩具, 并没有什么实用价值,如图1所示. 引领17-19世纪工业革命的蒸汽机,起源于 1679年法国物理学家帕平(Denis Papin,1647- 1713)发明的高压锅安全阀.帕平曾担任过英国 著名化学家波义耳(Robert Boyle,1627-1691) 图1 希罗的汽转球[2] 系统与控制纵横 2017年第1期46 的助手,当他认识到水的沸点会随压力升高而 升高时,就想如果把加热容器密封起来,保证蒸 汽不外泄,则容器内的压力增高,沸点也会超过 100℃.如果把食物放在这样的容器里,一定会 熟得更快、煮得更烂.但这样的密闭容器是非常 危险的,因为当压力不断增加时,超过了容器的 耐受压力,容器就会像炸弹一样爆炸造成安全事 故.帕平创造性地设计出了杠杆式安全阀,如图 2所示,这也是帕平高压锅的典型特点,如图3所示. 图2 杠杆式安全阀示意图 图3 帕平高压锅[3] 图4 帕平活塞式蒸汽机[3] 杠杆式安全阀设计原理简单、操作方便,可 移动的砝码还可以实现对容器内压的控制.当压 力超过设计值时,蒸汽推动活塞向上运动以排出 部分蒸汽减少压力.正是这个可以在蒸汽压力下 做功的活塞给了帕平发明蒸汽机的灵感.1690年 帕平根据安全阀的工作原理发明了活塞式蒸汽 机,并制造了世界上第一台汽缸模型[3] . 图4所示为帕平活塞式蒸汽机,工作时蒸 汽通过管子从下部进入汽缸,推动活塞向上运 动.当活塞达到汽缸顶部时利用插销固定,停 止加热并关闭蒸汽通道.向汽缸喷冷水使蒸汽 冷凝在汽缸内形成真空,然后拔取固定活塞的 插销,在大气压力下活塞慢慢向下运动,通过 杠杆提起重物.在1704年后,帕平在德国费克 哈根(Veckerhagen)(现在的赖恩哈茨哈根, Reinhardshagen)的一家铸造厂铸造了全世界第一 台蒸汽缸.但帕平只是对活塞式蒸汽机进行了原 理性的探讨,由于制造水平的限制,该蒸汽机并 没有应用于工业生产.

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47 后来,英国发明家和工程师塞维利(Thomas Savery,1650-1715)仔细对帕平活塞式蒸汽机进 行了研究.塞维利意识到了制造良好密闭性活塞 的困难,当时的锻造技术实际上仍依靠铁匠的手 工制造.塞维利舍去了帕平的活塞结构,设计了 两个部分:一是锅炉,二是密闭的工作容器. 其工作原理是:先通过锅炉把水加热,使蒸 汽把工作容器充满排出空气,然后关闭入汽孔, 使工作容器中水蒸气冷凝而形成真空,当工作容 器与矿井下的水相连通时,在外部大气压作用下 就可以把水抽到高处,它的原理和我们用吸管吸 饮料是一样的.为了把水送到更高的地方,把抽 水管关闭,打开向上的送水管,再次将蒸汽引入 工作容器依靠蒸汽压力把水送到更高的地方,这 就是塞维利机(见图5). 塞维利于1698年获得了蒸汽机的第1项专利, 并将其命名为 矿山之友 .塞维利机成为第一 个工业应用的蒸汽机,但塞维利机有四个严重的 问题[4] :(1)每次抽水都会有大量的热量被浪 费,效率很低.(2)在第二个阶段依靠高压蒸 汽将水输送到高处,这使机器部件,尤其是焊接 部件需要承受高压,由于材料和制造工艺的欠缺 致使机器需要频繁维修.(3)虽然理论上使用的 主动蒸汽压力提水没有高度限制,但在实际操作 中存在很大困难.为了从深井中打出干净水,需 要一系列的压力机.(4)由于塞维利机的工作原 理,最深的抽水高度约为30英尺(9.1米).这就 要求塞维利机只能在水面不远的地方安装、使用 和维护. 当塞维利将他的 矿山之友 在皇家学会展 出时,请帕平予以鉴定(此时帕平已成为皇家学 会的会员),帕平提出了重大的改进意见,但塞 维利不同意改进,他们在使用还是不使用活塞上 存在较大的分歧.为了验证自己是正确的,帕平 在塞维利机的基础上重新设计了蒸汽机.如图6所示,A是带安全阀的锅炉,蒸汽进入汽缸D推动活 塞E压缩F中的空气,水从水管G输送到高处,输 送的水从漏斗K处注入(见图6). 当帕平要求皇家学会给予15英镑来改进锅 炉,以证明新设计比塞维利机要优越时,塞维 利从中百般阻挠,致使帕平的合理要求遭到拒绝 图5 塞维利蒸汽机[4] 图6 1707年帕平重新设计了蒸汽机[5] 系统与控制纵横 2017年第1期48 [6] .从两人努力的不同侧面可以看出,帕平倾向 于使用活塞提高蒸汽机的工作效率,而塞维利则 更看重活塞在加工制造上的困难,从而拒绝接受 帕平的建议.正是两人这样的不同着眼点造成了 两人的矛盾.最后两人的矛盾由英国发明家纽卡 门进行了协调统一. 纽卡门(Thomas New- comen, 1664-1729)的资料很 少,虽说职业是锻工,实际上 在当时和我们熟知的铁匠差不 多.纽卡门了解蒸汽机是从塞 维利那里开始的.纽卡门与塞 维利家相距15英里,纽卡门曾 前往塞维利家拜访塞维利,并 成为塞维利的员工[7] ,他被允许 在自己家的后院复制一台塞维 利机进行研究和改进.纽卡门不负众望,他综合 了帕平活塞和塞维利机快速冷凝的优点,于1712 图7 纽卡门机[8] 年制造出了纽卡门机,如图7所示.在塞维利机的 基础上,纽卡门做了两项改进:首先,引入帕平 的活塞,使塞维利机提供热力转变为提供动力;

其次,将蒸汽机与工作机(即抽水机)分离,使 蒸汽机真正成为动力机.蒸汽机和工作机的分离 另一个好处在于可以将锅炉的容积做得大于汽缸 容积,这样可以输送更多的蒸汽以提高功率. 1712到1733年的20年间,大约125台纽卡门蒸 汽机被安装使用在英国的重要矿区和欧洲大陆的 工业密集地区[9] ,如图8所示.纽卡门机成为蒸汽 机发展历史上的里程碑.后来瓦特在蒸汽机方面 的工作主要是对纽卡门机进行了一系列的改进, 以提高效率、并发明了控制装置调速器和示工 器.纽卡门机诞生后受到了广泛的欢迎,成为蒸 汽机的主流设计,这种情况一直到18世纪末它为 瓦特蒸汽机逐渐替代. 但可惜的是,由于当时申请专利需要昂贵的 费用,纽卡门并没有申请专利,这或许也为纽卡 门机的广泛使用提供了条件,纽卡门机成为煤矿 抽水的必备设备,以至于大学里都在教授纽卡门 图8 18世纪纽卡门机的地理分布[9] (a)1700-1733 (b)1734-1774 (c)1775-1800

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49 机的工作原理.纽卡门机的出现标志着蒸汽机革新中第一阶段 工作的完成.纽卡门机一直使用到18世纪60年代,瓦特对纽卡 门机的改进标志着蒸汽机的演变进入第二阶段. 第二阶段 瓦特对蒸汽机的改进 瓦特(James Watt,1736-1819)与蒸汽机结缘,得益于 格拉斯哥大学(University of Glasgow)的三位教授,Joseph Black和Adam Smith,以及后来的John Robison,他们为瓦特提 供了一份制作天文仪器的工作,并提供了一个小车间从事实验 工作[10] .1759年,John Robison让瓦特的注意力转向蒸汽动力 机,真正的机会是1763年瓦特被要求去修理一台学校的纽卡门 教学模型机,此前送去伦敦维修没有修好,但瓦特很快就修好 了.瓦特的可贵之处在于他修好之后,还对其工作原理、热机 效率、制造工艺等一系列问题进行了深入思考和研究.在经过 很多实验后(图9所示为瓦特实验用的纽卡门模型机),瓦特 发现汽缸每次循环中有大约3/4的蒸汽热量被白白地浪费,主 要原因是当冷水注入到汽缸中时,汽缸温度和压力降低,在下 一循环中不得不重新加热,这样反复加热和冷却汽缸造成了蒸 汽机转化机械能效率低下.此外,纽卡门机由于每次循环都向 汽缸内喷入冷水,会造成不能连续工作. 1769年瓦特考虑如果单独设计一个冷凝装置,就不需要使 汽缸的温度降到常温再重新加热,这样就可以提高热机效率, 按照他的设计可将蒸汽机的效率提高3倍.依照这一思路,瓦 特设计了带有分离式冷凝器的蒸汽机,如图10所示.汽缸与冷 凝器分开,汽缸成为高温热源,冷凝器作为低温热源.瓦特还 设计了向冷凝器喷入冷水的联动控制装置,这样蒸汽机就可以 连续工作,不但节省了大量的燃料,也可使蒸汽机的工作不再 断断续续,节省时间从而大大提高了蒸汽机的效率.1769年瓦 特生产了带有分离式冷凝器的蒸汽机,并以分离式冷凝器申请 了他的第1项专利. 1775年,瓦特与合伙人Soho铸造厂的老板马修? 博尔顿 (Matthew Boulton,1728-1809)合作成立了 博尔顿-瓦特公 司 ,并将分离式冷凝蒸汽机投入生产,其煤耗不到纽卡门 机的 1/3[13] .然而,销路并不好,此时瓦特意识到提高效率 图9 瓦特实验使用的纽卡门模型机[11] 图10 冷凝器分离式蒸汽机[12] 系统与控制纵横 2017年第1期50 已不是蒸汽机的主要矛盾,而只能做往返运动的 活塞才是制约蒸汽机发展的弊端[14] .1780年,英 国发明家James Pickard申请了联合曲柄机构和飞 轮的装置将活塞往复运动转变为圆周运动的专 利(图11),当瓦特提出希望使用该专利时, Pickard提出共享分离式冷凝器专利的要求,瓦特 断然拒绝.1781年,瓦特公司的雇员威廉?默多克 (William Murdoch)发明了一种称为 太阳与行 星 的曲柄齿轮传动系统(图12),并以瓦特的 名义成功申请了专利,绕开了Pickard的专利保护. 但很明显 太阳与行星 系统在效率方面不 如曲柄机构,1794年,Pickard的专利到期后,博 尔顿和瓦特重新采用了经济上和技术上都更优的 曲柄.输出旋转运动的瓦特蒸汽机,才成为真正 的动力机. 1781年,瓦特成功申请了连续旋转工作的蒸 汽机专利和双向汽缸专利.双向汽缸(见图13) 在活塞两侧进入蒸汽,可大大提高蒸汽机效率. 1782年取得了复合式蒸汽机专利,可以连接2个或 更多的蒸汽机联合工作.同年,伊特鲁里亚一家 图11 James Pickard曲柄机构和飞轮的装置示意图 图12 瓦特 太阳和行星 齿轮联动装置[15] 图13 双向汽缸示意图 陶瓷厂大规模采用博尔顿-瓦特铸造厂生产的联 协式蒸汽机和伯明翰厂生产的动力机床,进行机 械化陶瓷生产. 此后瓦特又专注于蒸汽机的控制问题.1784 年,瓦特申请了平行运动机构(parallel motion) 的专利[16] (见图14),以保证双向汽缸的有效控 制.同时为了保证蒸汽机的平稳运行,1788年申 请了离心式调速器的专利[13] (见图15),调速器

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51 是一个反馈系统,无论载荷和燃料如何,都保证 蒸汽机以近似恒速运转,这为蒸汽机的广泛应用 提供了保障. 实现功能只是蒸汽机的基本要求,能够对蒸 汽机进行精确控制才标志着工业革命的真正开 始.在平行运动连杆机构、调速器之后,大约 1800年瓦特发明了蒸汽机示工器,也有学者认为 示工器是瓦特的员工John Southern发明的[18] (见图16).示工器的意义非常巨大,它对于工程师 就像是内科医生的听诊器,可以发现机器内部系 统的隐蔽工作,并可实时监测机器内部工作的异 常情况,还可以记录蒸汽机的实时功率.可方便 地绘制汽缸内压力与体积的关系曲线,这为热力 学气体状态方程研究提供了基础.蒸汽机示工器 实现了记录汽缸在工作中各状态点的压力,以及 压力改变速率,可对机械效率、机器的工作细节 问题进行实时监控.这对于降低能耗,减少故 障,缩减维修费用,降低折旧率以及延长蒸汽机 寿命等多个方面具有重要意义[19] . 瓦特的工作代表了蒸汽机演变中的第二个阶 图14 平行运动连杆机构 段.在瓦特研制蒸汽机的过程中,Soho铸造厂 的博尔顿起了关键性的作用.1794年,瓦特与博 尔顿合伙组建了专门制造蒸汽机的公司,保证了 蒸汽机的研究经费,事实上瓦特在博尔顿的经营 下,通过专利税收益很快就成了富翁.到1824年 共生产了1165台瓦特蒸汽机(见图17),纺织、 采矿、冶金、造纸等工业部门都先后采用蒸汽 机作为动力.瓦特与他的前人相比,他对蒸汽机 的改进不仅在于结构和制造工艺上的完善,同时 还完成了许多蒸汽机的控制装置的设计,使蒸汽 机更加趋于稳定工作.在这一过程中,我们过多 地强调了瓦特的工作,实际上瓦特的合伙人博尔 顿、他们的员工(如默多克)、当时的一些化学 图15 离心式调速器[17] 系统与控制纵横 2017年第1期52 图16 瓦特蒸汽机示工器[18] 家、物理学家(如格拉斯哥大学的三位教授,以 及月光社(Moonlight Club)的一些知名人士)的 作用不容忽视,应该说在瓦特天才般的发明创造 能力之上,良好的人际关系也是瓦特成功的重要 条件. 第三阶段 高压蒸汽机的发展 蒸汽机的雏形来源于帕平高压锅的安全阀, 一个显见的结论就是压力越大越可能提供更大的 动力,但由于当时材料和制造工艺低下,初期蒸 汽机的蒸汽压力仅为0.11~0.13 MPa,均为低压 蒸汽机,瓦特蒸汽机也属于低压蒸汽机.另一 方面,博尔顿和瓦特在蒸汽机发明中成功,凭借 蒸汽机的各项专利几乎形成了对蒸汽机技术的垄 断,成为高压蒸汽机发展的障碍.1800年瓦特蒸 汽机专利基本权利期满后,高压蒸汽机的研发与 应用标志着蒸汽机进入了第三个发展阶段. 高压蒸汽机的发明者特里维希克(Richard Trevithik,1771-1833)1797年积极倡导研发 高压蒸汽机,以避免使用分离冷凝器支付的高 图17 瓦特双向蒸汽机复制品[10] ,马德里理工大学 昂专利税.在1797-1798年期间,特里维希克住 在雷德鲁思(Redruth)时与瓦特的员工默多克 (William Murdoch)是邻居,在特里维希克的 要求下,默多克展示了他的蒸汽车模型.这可能 促成了特里维希克研究高压蒸汽机.1799年在他 儿子的建议下开始高压蒸汽机.特里维希克不使 用冷凝器,设计了小体积汽缸,以节省空间和重 量.毫无疑问,一种结构紧凑、轻量化的高压蒸 汽机在运输货物方........