蒸汽驯兽师詹姆斯·瓦特

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蒸汽驯兽师詹姆斯·瓦特


瓦特于1736年出生于苏格兰。他幼年体弱多病,上学断断续续。他的教育主要是在家自学——一部分由父母教授,另一部分则凭借其与生俱来的聪颖自学。18岁时,这位年轻人来到伦敦,在那里花了一年时间学习制造和修理测量仪器的技艺。除了求知欲强之外,詹姆斯还拥有一双巧手,这两方面的结合最终使他成为一位享誉国际的人物。



瓦特的职业生涯始于格拉斯哥大学的机械师,他在那里制作数学仪器并管理着一个小型工作室。这项如今已被遗忘的技艺不仅需要对任何机械装置的运作原理有透彻的了解,还需要一定的科学知识。诚然,并非人人都能制造经纬仪、建造大型教堂管风琴或修理宏伟的塔钟。但在瓦特看来,这些工作似乎简单易行;在他看来,世上没有他那双巧手修不好的机械装置。

瓦特从小就生活在科学圈中,天性好奇,很快便成为一个博学多才的人,他不仅熟悉了当时自然科学的基础知识,甚至还自学了几门外语。闲暇时,他还涉猎哲学和音乐。多年来,这位年轻的科学家和工程师逐渐成长为一名真正的科学家和工程师,他的小工作室也很快变成了一个青年科学家的聚集地,他们晚上会在这里讨论各种想法,然后立即通过实验来验证这些想法的正确性。

这位年轻的师傅非常享受在大学的工作,但他的经济状况却十分拮据,因为上帝并没有赐予这位才华横溢之人赚钱的天赋。然而,最终上帝怜悯了瓦特:他的朋友克雷格提议合伙开办一家新的独立工作室,承担所有费用并负责行政事务,这样瓦特就可以全身心地投入到他最爱的消遣——设计和修理机械装置中。新事业非常成功;克雷格展现出了卓越的管理才能,工作室很快在城里声名鹊起,订单纷至沓来。

有一天,一位教授找到瓦特,请求他找出最近移交给大学的纽科门原始蒸汽大气发动机模型为何一直无法工作的原因。


这位工程师以他一贯的严谨态度接受了这项任务,并且出乎意料地被发动机的设计所吸引,不仅发现了其机械缺陷,还做出了重大改进。在纽科门发动机中,蒸汽由于被注入气缸而冷凝,活塞依靠气缸内产生的真空(因此得名“大气压式”)完成从上到下的动力冲程。

瓦特在设计中引入了一种额外的装置——蒸汽冷凝器,这大大提高了发动机的效率。

渐渐地,蒸汽机完全占据了瓦特的全部心思,他开始进行各种实验,以更好地了解蒸汽的特性以及蒸汽进入汽缸后发生的各种过程。物理学家布莱克的帮助极大地促进了他的研究,布莱克成为了他的导师和“科学顾问”。这项工作越来越吸引这位机械师,很快他就放弃了其他所有工作,全身心投入到他的“消防车”的研发中。

因此,经过两年的研究,瓦特发明了自己的蒸汽机,他谦虚地称之为“改进型纽科门蒸汽机”。这台蒸汽机在设计和效率上都超越了其原始原型,尽管它仍然采用间歇式原理运行(活塞只有在从上止点移动到下止点时才会产生动力冲程,由气缸内真空产生的力驱动)。

但瓦特的运气一直不佳;他始终无法制造出一台运转良好的原型机,向工业家们清晰地展示其发明的优势。他最终耗尽了所有积蓄用于实验设计,负债累累,随后妻子去世,留下他独自抚养两个年幼的孩子。那时,瓦特陷入了彻底的绝望,精神恍惚,几乎逃往俄国。在那里,有人邀请他创办并管理一家蒸汽机工厂。但朋友们劝阻他前往这个在他看来完全野蛮的国家,他们认为他肯定会被饿狼吞噬。就这样,种种不幸的境遇使俄国与大规模生产蒸汽机的诞生地失之交臂。

总之,蒸汽机最初给发明者带来的只有麻烦。

但后来瓦特终于走运了:他的老相识,工业工程师马修·博尔顿,说服这位发明家成立一家合资企业,并提供了资金支持。如果不是博尔顿,这位被世人遗忘的发明家恐怕早已被世人遗忘。 历史如果瓦特不被生活的艰辛所压垮,他那些绝妙的想法或许永远无法实现。第一台所谓的“单作用式蒸汽机”(间歇式蒸汽机)是这位发明家于1765年设计的,但直到10年后,这种设计的蒸汽机才开始较为规律地生产。瓦特和博尔顿制造的蒸汽机相当原始,仅用作煤矿抽水泵的驱动装置。

谨慎的博尔顿的另一项重要成就,是他鼓励瓦特延长其冷凝器专利的有效期。1775年,在这位雄辩的实业家的影响下,英国议会在权衡各种情况后,将专利有效期延长了25年。许多历史学家认为,这完全束缚了其他蒸汽机发明家的手脚,并极大地延缓了这项重要事业的发展。

为了进一步改进机器,需要使用一种机构将活塞的往复运动转换为轮子的旋转运动。虽然这种机构在古代就已存在,并应用于车床上,但一位名叫皮卡德的人却将其据为己有,申请了专利。才华横溢的瓦特不愿向这位冒险家低头,为了证明发明家与骗子的区别,他开发并申请了五种不同的机构专利来解决这一技术难题。但多年后,他最终还是回归了久经考验的曲柄机构。即便如此,他依然展现出自己的创造力,对驱动装置进行了改进,后来被称为“瓦特平行四边形机构”,并发明了离心调速器,至今仍应用于此类机器中。

1782 年,瓦特做出了他一生中最重要的发明,他的杰出想法最终以金属的形式得以实现——他设计了所谓的“双作用蒸汽机”,当时它仍然配备了行星-太阳传动机构(用于蒸汽磨坊)。


与早期设计不同,早期设计中活塞仅在一个冲程中产生有效功,而第二个冲程则被浪费掉;在新机器中,活塞的每一个冲程都做功以驱动轮旋转。而且,在瓦特蒸汽机中,活塞的动力冲程是由蒸汽压力而非真空产生的。简而言之,在纽科门蒸汽机中,活塞是由负压拉动的,而在瓦特蒸汽机中,活塞是由正压推动的。

这台机器的作用非常巨大;它的设计不仅成为后来生产的蒸汽机的基础,而且还成为勒努瓦开发第一台大规模生产的内燃机的最初模型。

这位发明家的创造力进一步发展,他发明了一种带有曲柄传动装置的机器:


到1880年,瓦特的主要专利已经到期,其他发明家的创造性想法,此前因这些专利而受到压制,如今终于有机会得到进一步发展。多年来,机器的设计不断改进,特别是,原本难以操作的阀门被一个单一的部件——滑动阀——所取代,并且重新设计了将活塞力传递到驱动轴的杠杆机构。最终,机器的设计如下。


活塞盘 6 将汽缸分隔成两个腔室。首先,由独立蒸汽锅炉泵送的高压蒸汽经管道 1 送至分配器(滑阀)3,然后蒸汽通过进气口进入汽缸腔室(图中左侧),对活塞 6 施加压力并使其向右运动。在活塞运动过程中,活塞通过驱动机构 7-11 带动飞轮 12 旋转。

当活塞到达最右侧位置后,作为气门正时机构的阀门4向左移动,关闭左侧进气口,同时打开左侧腔室5通过管道2排出的排气蒸汽口。该排气口也清除了右侧腔室的进气口,使新鲜蒸汽进入气缸,为活塞加压。活塞完成第二个冲程,返回到初始位置,再次通过驱动机构驱动飞轮旋转,飞轮在活塞两个冲程内完成一次旋转。这就是该机器的双重作用。

詹姆斯·瓦特不仅是一位机械师,还是一位科学家,他发明了一种通用的蒸汽机性能计量单位——马力,这进一步证明了这一点。瓦特将马力定义为在一秒内将76,04公斤的重物提升一米所需的力。这一单位是瓦特通过对伦敦最强壮的马匹进行大量实验而开发的,它使得买家能够轻松地从现有机型中确定完成预定任务所需的机器类型。

以上内容表明,瓦特是一位杰出的人物,他对世界科技发展的贡献是无价的。

尽管内燃机在随后的几个世纪里发展迅猛,但它们从未完全取代蒸汽机。这些人类的古老发明历经多次改进,沿用至今。例如,它们的后代——蒸汽轮机,被广泛应用于世界各地的热电联产(CHP)电厂。在这些电厂中,蒸汽能首先用于发电,然后从蒸汽机排出后用于产生热水,热水随后用于各种用途,例如建筑物供暖。

发明家的名字在他去世几十年后被永远铭记在功率计量单位瓦特上,该单位于 1882 年推出。
42 评论
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  1. -9
    29 July 2026 04:53
    这位英国人苦苦挣扎,他的才智只能在已有发明的基础上稍作改进,而且他的人生也并非一帆风顺。然而,“1763年,一台功率为1,8马力的双缸真空蒸汽机在巴尔瑙尔进行了测试。瓦特是评估波尔祖诺夫发明的委员会成员之一。” 然后,正如人们所说,他找到了自己的节奏。这位绝非愚钝之人,孕育了一位天才。
    1. +9
      29 July 2026 06:37
      巴尔瑙尔蒸汽机的测试是在1766年进行的,但由于缺乏文献记载,其制造日期只能靠猜测。由于故障不断,这台蒸汽机只运行了三个月就被拆解了。瓦特不断改进蒸汽机的设计,直到它适合大规模生产。那么,关于瓦特参与评估波尔祖诺夫蒸汽机的委员会的故事又是从何而来呢?
      1. +7
        29 July 2026 08:43
        引用:gromila78
        你从哪里得知瓦特参与了对波尔祖诺夫赛车的评估委员会?

        我是从网上猜的。而网上的信息不会说谎……
  2. +3
    29 July 2026 07:58
    全球形势的发展趋势似乎是,很快,为农业和偏远地区生产蒸汽机将再次有利可图,因为在这些地区,液态燃料的运输很困难,但固体燃料(煤、柴火、泥炭等)在现场就足够了。
    1. +5
      29 July 2026 08:42
      Quote:Gomunkul
      世界形势的发展似乎预示着,为农业和偏远地区生产蒸汽机很快又将有利可图。

      如今,发电比摆弄效率低下的蒸汽机容易得多。
      1. +1
        29 July 2026 08:50
        如今,发电比摆弄效率低下的蒸汽机容易得多。
        时间会证明一切;也许现在看起来无效的东西,将来会非常受欢迎。
        我以前经常在YouTube上看关于Burlak全地形车的视频。他们的第一批车型用的是日本发动机。几年后,他们开始在雪地车和沼泽车上安装Gazelle发动机。原因是,在他们的车辆使用区域,Gazelle的配件比丰田的更容易找到。 hi
        1. +1
          29 July 2026 10:30
          Quote:Gomunkul
          时间会证明

          蒸汽作为工作流体仅适用于电力行业,这一点早已得到公认。蒸汽机启动前需要很长时间准备。
          Quote:Gomunkul
          从Gazelle汽车上获取备件比从丰田汽车上获取备件更容易。

          更便宜。丰田零件并不难找,只是价格比较贵。而且之后自己动手维修也是个问题。
          1. +3
            29 July 2026 10:45
            蒸汽作为工作流体,其作用仅限于能量方面。
            别告诉我蒸汽轮机也用于船舶上。
            蒸汽轮机广泛应用于:
            大型军舰。
            高速集装箱船。
            核动力破冰船(蒸汽由核反应堆产生)。
            核潜艇和航空母舰。
            大容量液化天然气运输船,可以​​利用蒸发气。
            1. 0
              29 July 2026 12:55
              现代技术的发展表明,通过机械过程可以将液体100%转化为蒸汽。这至少为无需加热即可有效脱盐提供了可能。但显然,它主要是一种将水结构化为新的、特定状态以用于制药的方法。此外,它还具有将水用作燃料的潜力。
              1. +1
                29 July 2026 13:27
                但这也是利用水作为燃料的可能性。
                这当然是好事,但我写道,或许可以考虑将蒸汽机送回那些维修基础薄弱且远离文明的地方。
                1. 0
                  29 July 2026 13:31
                  显然,这一点也是不言而喻的。
              2. +1
                29 July 2026 20:56
                无需加热即可进行海水淡化的过程早已为人所知,称为反渗透,世界各地的船舶和船只上的海水淡化装置都采用了这种方法。
                1. 0
                  30 July 2026 07:25
                  我之前已经写过了,这是机械性的。格里格斯效应已经过改进和优化。
    2. 0
      29 July 2026 09:13
      蒸汽机的效率只有10%。当石油枯竭时,即使蒸汽机的效率提高到20%,用容易获得的原材料生产液体燃料并将其用于内燃机也比使用蒸汽机更便宜。
      1. +1
        29 July 2026 09:20
        我不知道现在情况如何,但在苏联,几乎所有退役的蒸汽机车都被储存在仓库里以备战时之需。近年来,炼油厂遭到袭击,几乎瘫痪了全国的交通运输,因此蒸汽机车在类似情况下需求量很大。液态燃料并非所有地区都能获得,而固态燃料几乎在全国范围内都有供应。
        1. +1
          29 July 2026 10:33
          Quote:Gomunkul
          为应对战争,这些机车被存放在仓库中。

          因为数量众多,而且运转良好,所以才被封存起来。如今,它们只是摆在那里作秀,因为它们已经无法使用了。或者更确切地说,要让它们重新运转起来需要付出巨大的努力;简单地加水加油,点燃炉膛,然后就能启动,这行不通。所有的垫圈和密封件早已腐烂损坏,金属本身也腐朽不堪。
          1. +1
            29 July 2026 10:58
            那里的所有垫圈/密封件很久以前就腐烂脱落了,金属也腐烂了。
            根据规定,这些机车存放在机车库里,应该定期接受维护保养。至于现在情况如何,我就不得而知了。
            如今,以复古火车为主题的旅游线路在全国各地越来越受欢迎。
          2. +5
            29 July 2026 15:32
            一台功能齐全的蒸汽机车需要不断补充水和燃料。机车20-25立方米的供水量仅够运行1.5-2小时。煤水车的煤炭供应量则足够运行3-4小时。这意味着需要在铁路沿线每隔150-200公里设置一个中间的燃料和水库。目前,这些设施尚未建成。因此,即使是一台运转正常的蒸汽机车也无法行驶很远的距离。
      2. -2
        29 July 2026 13:33
        水和空气无处不在!因此,将连续介质的动能转化为势能的技术具有非常广阔的应用前景。
    3. -1
      29 July 2026 23:41
      中国的超高压技术可以在能源丰富的西部地区(煤炭、天然气、石油、风能、太阳能等)直接就地发电,然后以最小的损耗输送到工厂集中的东部地区。
  3. +2
    29 July 2026 09:33
    Quote:Gomunkul

    时间会证明一切;也许现在看起来无效的东西,将来会非常受欢迎。
    我以前经常在YouTube上看关于Burlak全地形车的视频。他们的第一批车型用的是日本发动机。几年后,他们开始在雪地车和沼泽车上安装Gazelle发动机。原因是,在他们的车辆使用区域,Gazelle的配件比丰田的更容易找到。 hi


    在这些车辆的使用地区,不可能获得 Gazelle 卡车的备件;它们必须用驯鹿或直升机运输。

    是的,Burlak 的最初改装版本配备了丰田 1KZ-TE 柴油发动机,类似于 70 年代 Hiace 小巴、Surf SUV 和 Prado 中使用的发动机。
    现在他们正在安装康明斯2.8升内燃机。
    是的,变速箱是从 Gazelle 车型上加强的,分动箱则采用了 GAZ-66 的部件。
    最初,我们与 GAZ 合作开发变速器、悬架部件和最终驱动装置。
  4. +2
    29 July 2026 10:25
    到 1880 年,瓦特的主要专利已经到期。 日期有误。
    1. +2
      30 July 2026 10:32
      感谢您的指正,我打错了,正确的日期是1800年。
      1. +1
        30 July 2026 11:58
        编辑工作容易让人眼花缭乱,这是可以理解的。错别字总是莫名其妙地出现,而且往往不易察觉。
        1. 0
          31 July 2026 10:40
          这个问题在技术文献中尤为突出。
          作者似乎会检查文本,然后编辑会检查,但即便如此,苏联出版物的末尾通常还是会有一张“错别字须知”的纸。
          篇幅越长,错别字就越多。
  5. +1
    29 July 2026 10:37
    列夫,恕我直言,这篇文章有点弱。跟汽车主题相比,就逊色多了。《青年技师杂志》。
    如果没有数据,就无法以引人入胜的方式撰写技术文章。然而,关于瓦特公司的方方面面——效率、压力、功率、与竞争对手的比较、产量和应用——在无数书籍中都有描述。实际数据将拓宽我们对这一主题的理解。加工精度、劳动强度、设备重量和尺寸……
    那又怎样? 它们的后代是蒸汽轮机。——这是一个非常大胆的说法。当然,这些机制遵循热力学定律,但它们的产生是并行的,而不是先后发生的。
  6. +2
    29 July 2026 11:27
    《冶金与时间》共 4 卷。第 3 卷,第 2 章,“詹姆斯·瓦特的商业天使”。
  7. +6
    29 July 2026 11:33
    Quote:belost79
    蒸汽机的效率只有10%。当石油枯竭时,即使蒸汽机的效率提高到20%,用容易获得的原材料生产液体燃料并将其用于内燃机也比使用蒸汽机更便宜。

    蒸汽轮机(如燃气轮机)的效率约为40%。现代锅炉的效率范围从85%(KVG-3或4型)到98%(KVG 80-80型)。船舶(内燃机)或现代火力发电厂(燃气轮机)余热回收系统中使用的废热锅炉的效率约为75%。
    如果您想了解更多细节,我推荐S.V. Gavrilov的《船舶动力装置:发展史》。顺便一提,这本书也涵盖了瓦特发动机。
    1. 0
      29 July 2026 13:26
      Quote:Grossvater
      加夫里洛夫 S.V.

      V.S. 加夫里洛夫认为自己错了。锅炉效率总是需要乘以蒸汽使用者的效率。那么,内燃机的效率又是如何计算的呢?
  8. +2
    29 July 2026 16:13
    Quote:驾驶者
    Quote:Grossvater
    加夫里洛夫 S.V.

    V.S. 加夫里洛夫认为自己错了。锅炉效率总是需要乘以蒸汽使用者的效率。那么,内燃机的效率又是如何计算的呢?

    当然。如果我们以目前最高效的火力发电厂的整体效率为例——一台低速二冲程十字头船用柴油发动机,配备直通式气门辅助涡轮增压器、高效余热回收系统和推进蒸汽轮机——那么根据最新数据,在北纬地区,其整体效率可以达到55%。热带地区的效率会更低,陆地地区的效率则会更低。
    这本书可以从堪察加地区图书馆网站下载。我强烈推荐;保证让你彻夜难眠(你会爱不释手)。
    1. 0
      29 July 2026 21:13
      由于蒸汽动力装置在效率上无法与柴油电力装置竞争,在单位功率上也无法与燃气轮机竞争,因此海军逐步淘汰了蒸汽动力装置。过热蒸汽锅炉设计非常复杂,需要高度的水处理。海军很少使用过热蒸汽锅炉。
      根据最新数据,在北纬地区,整体效率可达55%。热带地区的效率会更低,陆地地区的效率则更低。

      效率不可能高于设计值,因为当外界气温低于设计参数(根据GOST标准,应该是15度)时,为了保持最大功率,发动机转速必须降低。而当气温高于设计参数时,由于空气密度降低,则无法达到最大功率。我想你肯定明白这一点,但有时候你就是想炫耀一下。
      1. 0
        29 July 2026 21:36
        引用:gromila78
        总的来说,海军很少使用废旧锅炉。

        你不会这么说。我的管理公司总是忙个不停。没错,蒸汽不会输送到涡轮机(因为根本没有涡轮机)。 请求),以及其他需求。
        1. +1
          29 July 2026 21:42
          好吧,我更正一下:船上很少有废水锅炉,而且几乎从没用过。用备用锅炉更省事。
          1. +1
            29 July 2026 21:58
            我是说在海军舰艇上?我根本不会在那里安装指挥中心。在假烟囱里多装几个发射器会更好。它们的用途完全不同。 hi
            1. +1
              29 July 2026 22:03
              是的,我说的就是海军。
              我根本不会在那里放置刑法典。

              这就是他们不放它们的原因。 饮料
    2. 0
      29 July 2026 21:15
      胡说!抱歉,引用。 笑 根据我的计算,冲程最长(活塞行程与气缸直径之比)的G型发动机的单位燃油消耗量至少为175克/千瓦时,比燃烧热值为41兆焦/千克。这相当于50%或更低的效率。热回收装置并不驱动螺旋桨轴旋转,也不是内燃机的一部分。
      1. +1
        30 July 2026 07:51
        没人会把“内燃机的一部分”写成废热循环系统;废热循环系统是动力装置的一部分。至于它是否运转,加夫里洛夫提到了推进涡轮机。你对效率的理解完全正确。内燃机的效率是45-48%,加上废热循环会降低大约10%。而且,油耗的计算不应只针对主机,而应针对整艘船。不要重蹈19世纪末MTK的覆辙。即使废热涡轮机不带动轴转动,它仍然会带动发电机运转,而发电机也需要燃料。
        1. 0
          30 July 2026 12:36
          Quote:Grossvater
          至于它是否会旋转,加夫里洛夫本人提到了推进涡轮机。

          我不会反驳这一点;我自己没遇到过这种情况,只在教科书上见过。基格同志(伊戈尔)在这里;我想他可能研究过类似的东西。他写过一篇关于电动机带动轴旋转,辅助主机运转的文章。电力来自发电厂,包括汽轮发电机(蒸汽来自压缩机)。我认为这种情况非常罕见。

          https://topwar.ru/190965-borba-morskih-gigantov-kontejnerovozy-pervyj-v-svoem-klasse.html

          Quote:Grossvater
          嗯,油耗不仅应该计算主机的油耗,还应该计算整艘船的油耗。

          你知道,这事儿可能会闹大。事实上,它已经闹大了。国际海事组织(IMO)只会拍马屁(这根本站不住脚),所以他们才会不断炮制出各种荒谬的言论。我很高兴地向大家介绍碳强度指标(CII)——每吨英里二氧化碳排放量(克)。我还可以建议一些影响因素:货物的吨数、货物的碳足迹、船员的薪资、船员所在国的民主自由程度等等。 笑

          总的来说,恕我直言:发动机效率和合理使用是两件截然不同的事情。 hi
  9. +3
    29 July 2026 16:43
    Quote:gridasov
    水和空气无处不在!因此,将连续介质的动能转化为势能的技术具有非常广阔的应用前景。
    到处都不是。
    因此,苏联在 20 世纪 30 年代就在中亚各共和国使用柴油机车,因为柴油机车的运行不依赖于水的供应。
  10. +3
    29 July 2026 16:52
    Quote:balabol
    列夫,恕我直言,这篇文章有点弱。跟汽车主题相比,就逊色多了。《青年技师杂志》。
    如果没有数据,就无法以引人入胜的方式撰写技术文章。然而,关于瓦特公司的方方面面——效率、压力、功率、与竞争对手的比较、产量和应用——在无数书籍中都有描述。事实材料将有助于我们更深入地理解这一主题。
    尊敬的先生,即使不考虑“事实材料”,这篇文章篇幅也很长,而且我认为,其中充斥着大量的技术术语。
    即使采用这种形式,它也不符合以简洁为重的资源格式。
    而你却打算让它变得更长更复杂。
    坦白说,这篇文章是我大约十年前写的一部关于内燃机发展史的著作中的一个章节。所以,它最初的目的就是尽可能地简短。
    这部作品的各个章节,描述了 D. Papin、Lenoir、Otto 和 Diesel 的活动,此前已由我发表在这个资源上。
    现在轮到瓦特了,虽然在我的作品中,这一章是在帕潘之后写的。

    总之,我计划撰写一篇长文,介绍路德维希·诺比利斯及其对俄罗斯发动机制造的贡献。在我看来,这是最有趣也最鲜为人知的一段历史。
    1. +3
      29 July 2026 19:27
      好的。您有自己很有道理的观点。我只是表达了我认为材料中缺失的部分。基本上,添加未知的事实可能会使事情变得复杂,但并不一定意味着要增加篇幅。谢谢您的回复。
  11. +1
    29 July 2026 19:52
    Quote:belost79
    蒸汽机的效率只有10%。当石油枯竭时,即使蒸汽机的效率提高到20%,用容易获得的原材料生产液体燃料并将其用于内燃机也比使用蒸汽机更便宜。

    这位尊敬的先生是否知道蒸汽轮机也是一种蒸汽机?他是否了解它们的效率?