蒸汽机原理图（蒸汽机原理图解）

蒸汽机是一种往复式动力机，它将蒸汽能转化为机械功。蒸汽机的出现引发了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它仍是世界上最重要的原动机，后来逐渐让位于内燃机和汽轮机。

从16世纪末到17世纪末，英国的采矿业，尤其是煤矿业，已经发展到相当大的规模。仅靠人力和畜力难以满足矿井井下排水的要求，现场有丰富廉价的煤作为燃料。现实的需求促使英国许多人如帕宾、萨弗里、纽科门等投身于“火力提水”的探索和实验。

萨弗里制造了世界上第一台实用的蒸汽提水机，并于1698年获得了名为“矿工之友”的英国专利。他先在一个蛋形容器里装满蒸汽，然后关闭蒸汽进气阀，向容器外喷洒冷水，使容器内的蒸汽凝结形成true 空。打开进水阀，矿井底部的水通过进水管被大气压力吸入容器内；关闭进水阀，重新打开进水阀，利用蒸汽压力将容器内的水通过排水阀压出。当容器内的水排干空并充满蒸汽时，关闭进水阀和排水阀，再次喷水使蒸汽凝结。这样，两个蛋形容器交替工作，不断排水。

Savery的水泵依靠空的吸力，抽水的深度不能超过六米。为了从几十米深的矿井中抽水，在当时的矿井深处安装提水器无疑是困难而危险的，只有更高的蒸汽压力才能使水压到达地面。

纽科门和他的助手卡利在1705年发明了大气蒸汽机来驱动独立的水泵，被称为纽科门大气蒸汽机。这种蒸汽机首先在英国普及，然后在欧洲大陆推广。直到19世纪初，其改良产品仍在生产。纽科门的大气蒸汽机热效率很低，这主要是由于蒸汽进入气缸后，凝结在刚被水冷却的气缸壁上，大量热量散失。只在煤价低的产煤区推广。

1764年，英国仪器修理工瓦特在为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时注意到了这个缺点。1765年，他发明了冷凝器与缸壁分离的蒸汽机，并于1769年获得英国专利。在早期，瓦特的蒸汽机仍然使用平衡杆和拉杆机构来驱动水泵。为了除去冷凝器中的冷凝水和空气体，瓦特安装了一个气泵。他还在汽缸外壁安装夹层，用蒸汽加热汽缸壁，减少冷凝损失。

1782年左右，瓦特进一步改进了机器，做出了两项重要发明:在主动冷做功冲程中期，关闭进气阀，使蒸汽膨胀做功，提高热效率；使蒸汽在活塞两侧做功(双作用)，提高输出功率。这时候活塞会把杠杆拉下来，推上去。平衡杆和拉链不再适用。瓦特发明了平行四边形机构。瓦特也在18世纪末将曲柄连杆机构用于蒸汽机。

瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速发展。他把原来只能提水的机械改成了可以广泛使用的蒸汽机。蒸汽机的热效率提高了一倍，煤耗也大大减少了。所以瓦特是蒸汽机的主要发明者。

自18世纪后期以来，蒸汽机不仅被广泛用于采矿，而且被用于冶炼、纺织、机器制造和其他工业。在20多年的时间里(1766-1789年)，它使英国的纺织品产量增加了5倍，为市场提供了大量的消费品，加速了资金的积累，对运输业提出了迫切的要求。

在船上使用蒸汽机作为推进动力的实验始于1776年。经过不断改进，到1807年，美国的富尔顿制造出了第一艘用开式轮子推进的实用蒸汽机船“克莱蒙号”。从那以后，蒸汽机在船上用作推进动力已有一百多年了。

1801年，英国的特里维西克提出了可移动蒸汽机的概念。1803年，这种利用轨道的可移动蒸汽机首次出现在煤矿区，这就是机车的雏形。英国的斯蒂芬森不断改进机车，于1829年发明了“火箭”蒸汽机车。这种机车以46公里/小时的速度拉着一节载有30名乘客的车厢，引起了各国的关注，开启了铁路时代。

19世纪末，随着电力应用的兴起，蒸汽机一度成为发电站的主要动力机械。1900年，美国纽约有一座单位功率为五兆瓦的蒸汽机发电站。

蒸汽机的发展在20世纪初达到顶峰。它具有恒转矩、变速、可逆、运行可靠、制造和维修方便等优点。因此被广泛应用于电站、工厂、机车、船舶等领域，尤其是在军舰上，成为当时唯一的原动机。

根据蒸汽机工作在活塞的一侧或两侧，分为单作用式和双作用式；按气缸排列，可分为立式和卧式；根据蒸汽是在一个气缸内膨胀还是依次在几个气缸内连续膨胀，可分为单膨胀型和多膨胀型。按蒸汽在缸内的流向，可分为回流式和单流式；按排气方式和排气压力可分为冷凝式、大气式和背压式。

简单的蒸汽机主要由气缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、配气机构、调速机构和飞轮组成。和气缸底座是固定部件。来自锅炉的新鲜蒸汽通过主汽阀和节流阀进入滑阀室，由滑阀控制交替进入气缸左侧或右侧推动活塞运动。

蒸汽机的发展首先体现在功率和效率的提高，而功率和效率的提高主要依赖于蒸汽参数的提高。早期蒸汽机的蒸汽压力只有0.11 ~ 0.13兆帕，19世纪初才达到0.35 ~ 0.7兆帕。20年代使用6 ~ 10 MPa。蒸汽的温度在19世纪末没有超过250℃，但在20世纪30年代是450 ~ 480℃。

至于效率，早期瓦特时期蒸汽机连续运转的总效率，按燃料的热值计算，不超过3%；到1840年，最好的冷凝蒸汽机总效率可以达到8%；到20世纪，蒸汽机的最高效率可以达到20%以上。

从转速来说，瓦特蒸汽机在18世纪末只有40 ~ 50转/分；20世纪初，转速达到100 ~ 300转/分，有的蒸汽机一度达到2500转/分。功率方面，最初的单机功率只有几马力，20世纪初，一台船用蒸汽机的功率可以达到25000马力。

随着蒸汽参数和功率的提高，蒸汽不能在一个气缸内继续膨胀，而必须在相连的气缸内继续膨胀，于是出现了多级膨胀蒸汽机。由于润滑油闪点的限制，蒸汽机所用蒸汽的最高温度一般不超过400℃。机车、船舶等移动蒸汽机略低，大多不高于350℃。考虑到膨胀的可能性和结构的经济性，常用压力在2.5 MPa以下。有限的蒸汽参数也限制了蒸汽机功率的进一步提高。

蒸汽机的出现和改进促进了社会经济的发展，但同时经济的发展也对蒸汽机提出了更高的要求，如功率大、效率高、重量轻、体积小等。尽管人们对蒸汽机进行了许多改进，不断扩大其应用范围，提高其性能，但随着汽轮机和内燃机的发展，蒸汽机因其不可克服的弱点而逐渐衰落。

蒸汽机的弱点是:锅炉不可或缺，整个装置体积庞大；新鲜蒸汽的压力和温度不能太高，排汽压力不能太低，热效率难以提高；它是往复式机器，惯性力限制了速度的提高。工作过程不连续，蒸汽流量有限，限制了功率的提高。

因此，抛弃了笨重锅炉的内燃机，以其重量轻、体积小、热效率高、操作灵活等优点，最终取代了轮船、机车上的蒸汽机。蒸汽机因其热效率高、单机功率大、转速高、单位功率重量轻、运转平稳等优点，已被挤出电站。

然后因为电机使用方便，取代了蒸汽机在工业设备上的应用。但是小功率蒸汽机的热效率比汽轮机高，所以在产煤地区或者只有劣质燃料的地区或者一些特殊场合，蒸汽机还是有空发挥作用的余地的。

蒸汽机有伟大的历史作用。推动了机械行业乃至社会的发展。随着它的发展而建立起来的热力学和机理，为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础。汽轮机继承了蒸汽机以蒸汽为工质的特点和利用冷凝器降低排气压力的优点，摒弃了往复运动和间歇进汽的缺点。内燃机继承了蒸汽机的基本结构和传动形式，采用燃料直接输入气缸燃烧的方式，形成热效率高得多的热力循环；同时，蒸汽机使用的气缸、活塞、飞轮、飞锤、阀门和密封件是许多现代机器的基本部件。

蒸汽机是18世纪英国人瓦特发明的。它的工作原理是水受热沸腾产生蒸汽，蒸汽推动活塞，活塞又推动连杆带动轴承往复运动，使整机做功。机车的发明是人类工业革命的开端，大大提高了工作效率，把人类从繁重的体力劳动中解放出来。

蒸汽船是以蒸汽机为动力的机械推进船。蒸汽机的出现使船舶动力发生了革命性的变化，从而完成了船舶动力的革命。

船的驱动力由人力和自然力变为机械力。蒸汽机提供的巨大动力使人类有可能建造越来越大的船，运载更多的货物。

三膨胀发动机是“蒸汽在内部经历三次膨胀而不是做一次功”的蒸汽机。

应该指出，瓦特不是蒸汽机的发明者；他所做的只是改进前人的发明，一种叫做大气活塞式蒸汽机的发动机；在那种蒸汽机中，高温蒸汽会注入汽缸，同时，推动活塞向上运动；当活塞运行到气缸顶部时，与连杆相连的阀门就会打开，冷水通过阀门喷到气缸壁上，使气缸内的蒸汽迅速冷却收缩。活塞在大气压力的作用下向下运动，同时向上拉动连杆的另一端，将地下水吸出地面。

在蒸馏过程中，把蒸汽变成液态的装置叫做冷凝器。所有冷凝器都是通过带走气体或蒸汽的热量来工作的。

对于某些应用，气体必须通过一根长管(通常盘绕成螺线管),这样热量才能散发到周围的空气体中。导热金属，如铜，常用来输送蒸汽。

为了提高冷凝器的效率，往往在管道上附加翅片，以加快散热速度。散热器是由导热性好的金属制成的平板。一般来说，这种冷凝器需要一个风扇来迫使空气体通过散热片带走热量。

不是瓦特蒸汽机的发明者。在他之前，蒸汽机，也就是纽科门蒸汽机很早就出现了，但是耗煤多，效率低。利用瓦特的科学理论，他逐渐发现了这台蒸汽机的故障。从1765年到1790年，他做了一系列发明，如分离式冷凝器、汽缸外保温层、用油润滑活塞、行星齿轮、平行连杆机构、离心调速器、节流阀、压力表等。蒸汽机的效率是最初纽科门发动机的三倍多，最终发明了现代蒸汽机。

简单来说，三重膨胀机就是“蒸汽在内部膨胀三次而不是做功一次”的蒸汽机。

膨胀机3的工作原理。

由于冲出气缸的蒸汽仍然含有能量，我们自然可以让这部分蒸汽继续推进发动机，流经一个气缸和两个气缸，直到内能无限接近水的初始能量。

蒸汽机的一部分是由蒸汽提供动力的，蒸汽使活塞在汽缸中往复运动。连接在活塞上的活塞杆也使给水泵的活塞在水筒内往复运动。

当给水泵的活塞向左移动时，水箱中形成的负压水从吸入口被吸入水箱，水箱中的水被活塞压缩产生一定的压力并被压出出水口。这样活塞不断往复运动，水不断被压出。

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