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。
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