横梁式蒸汽机

# 波束发动机 来源：https://glinscott.github.io/beam-engine/ 工业革命中来自蒸汽的动力 这是一台波束发动机。它持续输出大约15马力，大致相当于150人的力量。像这样的发动机将蒸汽转化为推动工业革命的动力。本文从基本原理出发构建这台发动机，利用交互式图形探索每一个概念（尝试用两根手指旋转上面的发动机，或捏合缩放拖动上面的发动机，或使用⌘/Ctrl + 滚轮缩放）。让我们从蒸汽开始，踏上发动机之旅。 ## 蒸汽 下面，我们有一个装水的壶，下面有火。当火加热水时，部分水开始沸腾并变成蒸汽。 蒸汽经历了一次惊人的转变：它膨胀到原始水体积的**1700倍**。一杯水大约变成400升蒸汽，足以装满两个浴缸。如果蒸汽没有足够的空间膨胀，它会推动容器的所有壁面。这种对每个壁面的推挤就是*压力*，我们将以大气压为单位来测量，即我们周围普通气压的倍数。蒸汽还会对水面施加压力，这个压力均匀地传递到水所接触的任何地方。 现在我们需要一种方法来利用蒸汽的特性。 ## 活塞和气缸 *活塞*是一个紧密贴合在*气缸*内部的圆形圆盘。蒸汽推动活塞的一个面，并通过连杆将力传递到别处。力的大小取决于两个因素：蒸汽的压力和活塞的面积。在1个大气压的压差下，活塞每平方厘米提供约1千克的力。 早期的锅炉制造者不知道如何安全地利用高压蒸汽^(1)（https://glinscott.github.io/beam-engine/#fn-1）。相反，为了获得更大的力，他们把活塞做得更宽。因为面积随直径的平方增长，将活塞宽度加倍，在相同压力下面积变为四倍，力也变为四倍。这就是早期蒸汽机拥有巨大气缸的原因，有时宽到足以让人站在里面。下图中，锅炉压力保持不变；尝试只增加缸径，直到活塞能抬起汽车。 有了蒸汽推动活塞，我们可以做实际的工作。但低压蒸汽并不很强。为了移动重型机械，工程师们转向了一个令人惊讶的来源：大气。 ## 空气的重量 空气感觉起来没有重量，但这只是因为我们被它包围着。想象一根一厘米见方的空气柱，从你的手一直延伸到大气顶层。这根柱体重约1千克，因此大气对每平方厘米施加大约1千克的力。 我们感觉不到这种巨大的压力，因为我们体内的空气和液体以相同的压力向外推。但如果一个表面一侧的压力下降，另一侧的压力就会保留下来。这就是你用吸管喝饮料时发生的情况。你的嘴降低了吸管内部的压力，而大气推动杯子里的饮料向上移动。 奥托·冯·居里克（https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_von_Guericke）在1654年展示了这一效应的壮观演示。他将两个铜半球连接成一个直径约半米的球体，并抽出了空气。令观察者惊讶的是，成队的马也无法将两个半球拉开。大气以大约两吨的力将它们夹在一起！一旦他打开阀门让空气重新进入，它们就用手分开了。 起初制造真空极其困难。居里克不得不费力地将空气从他的球体中抽出，但蒸汽为我们提供了一种更快的方法来制造真空。如果我们用蒸汽充满一个容器，然后用水雾冷却它，蒸汽会凝结回大约1/1700的体积。 用蒸汽充满气缸，在活塞下方冷凝蒸汽，大气就会将活塞向下推入真空中。近乎完美的真空提供了我们之前使用的相同压差：每平方厘米活塞大约1千克的力。一个半米宽的活塞可以从大气中收集近两吨的力。 ## 纽科门发动机 在18世纪初，矿井越来越深，水淹成了一个巨大的问题。一旦井筒低于地下水位，水就会持续渗入，必须日夜不停地抽出。泵由成组的马匹绕圈驱动。一队马累了，另一队接替，但最深的矿井在潮湿天气仍然会淹水，宝贵的煤炭不得不被丢弃。需要一种新的解决方案，而蒸汽将提供答案。 托马斯·纽科门（https://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Newcomen）为矿井提供工具，他知道水淹既是一个巨大的问题，也是一个机会。他花了多年时间将真空活塞冲程变成一台可以整天运行的发动机。他将活塞连接到一个巨大的摇摆梁的一端，并在另一端挂上沉重的泵杆。大气驱动活塞向下，抬起泵杆；然后它们的重量将活塞拉回，同时气缸再次充满蒸汽。 纽科门的第一台成功发动机于1712年安装在达德利附近的一个煤矿。它以每分钟约12个冲程运行，每个冲程将大约45升水提升50米。与马匹不同，它可以昼夜不停地工作，无需食物或休息。类似的发动机很快出现在从康沃尔到纽卡斯尔的矿井中^(3)（https://glinscott.github.io/beam-engine/#fn-3）。 纽科门的发动机工作了！但它消耗了惊人的煤量。冷水直接喷入气缸，使大量铁质连同蒸汽一起冷却。大约四分之三的蒸汽浪费在每次冲程后重新加热气缸上。 矿井对这种权衡很满意，因为他们燃烧的是*碎煤*，即被视为废物的小块煤炭。在其他地方，燃料成本实在太高了。这使得蒸汽机在未来五十年里一直停留在煤矿中。 ## 锅炉 为什么纽科门用大气推动活塞而不是蒸汽本身？他的锅炉根本不够坚固。*干草堆锅炉*（https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co51483/haystack-boiler-1775-1799）只产生大约二十分之一个大气压（高于周围空气）。它由薄铜板或铁板用铆钉连接而成，宽阔的壁面和薄弱的接缝无法安全地承受高压。 我们在下一节将遇到的詹姆斯·瓦特（https://en.wikipedia.org/wiki/James_Watt），使用了下面所示的* wagon 锅炉*（https://collection.powerhouse.com.au/object/211502）。水位于炉子上方的宽阔腔室中，热气体从下方通过，蒸汽在圆顶下聚集。 宽阔的底部善于吸收热量，但 wagon 形状在承受压力方面非常糟糕。在下图中提高蒸汽压力，比较圆顶、平直侧面和内凹底部发生的情况。 该图还显示了为什么后来的建造者将整个锅炉像圆顶一样向外弯曲。他们将铁板卷成圆柱体，去除了平直侧面和内凹底部。他们保持锅炉狭窄，因为加宽圆柱体会增加将其裂开的力，即使压力保持不变^(4)（https://glinscott.github.io/beam-engine/#fn-4）。更好的铁和铆接技术随后使得更高压力成为可能，大约在1800年，理查德·特里维西克（https://en.wikipedia.org/wiki/Richard_Trevithick）的发动机运行在几个大气压下。 现在，纽科门使用真空的做法就说得通了。他的锅炉每平方厘米只能提供大约50克高于大气压的推力。通过冷凝蒸汽并让大气推动活塞，他获得了接近每平方厘米1千克的力，从同一个锅炉中获得了大约20倍的力。 ## 瓦特的独立冷凝器 1765年，瓦特在格拉斯哥大学修理一台纽科门发动机模型时，对它的蒸汽消耗量感到惊讶，并开始试图弄清楚这些蒸汽都去了哪里。他与同事约瑟夫·布莱克（https://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Black）讨论这个问题，布莱克当时正在研究水沸腾时吸收的热量。布莱克称之为*潜热*。对于一千克水，将其完全煮沸所需的能量是从冰点加热到沸点所需能量的五倍以上。 有了这个知识，瓦特计算出凝结气缸内蒸汽体积所需的确切水量。他惊讶地发现，这个精确水量几乎无法制造出真空：冷凝的蒸汽将其潜热释放到喷雾中，使水变暖，直到它不再冷凝任何东西。再加冷水只会让气缸进一步冷却，浪费蒸汽来在下一个冲程中重新加热气缸。瓦特的聪明见解是增加第二个容器，它可以保持冷态，而气缸保持热态^(5)（https://glinscott.github.io/beam-engine/#fn-5）。 在冲程结束时，一个阀门打开，蒸汽冲入称为*冷凝器*的冷容器中。当蒸汽变回水时，冷凝器中的压力下降，并通过连接管道，气缸中的压力也下降。一个由发动机驱动的小型*气泵*在每次冲程中抽出冷凝水以及任何泄漏进来的空气。保持气缸热、冷凝器冷，将煤耗减少了大约三分之二！瓦特和他的商业伙伴马修·博尔顿（https://en.wikipedia.org/wiki/Matthew_Boulton）将这种节省变成了商业模式，向客户收取他们节省的煤费用的三分之一。 更好的制造精密气缸的工具使瓦特能够做出另一个重要改变：他封闭了气缸顶部，并在活塞两侧都使用蒸汽。蒸汽向下推，同时冷凝器降低下方的压力；在返回冲程中，同样的过程在相反方向发生。这就是*双作用*发动机。下面，我们可以将其与所取代的单作用气缸进行比较。 现在，同样的气缸在两个冲程中都产生动力，稳定的推拉使发动机更适合驱动机器。但让蒸汽进出气缸变得更加复杂了。一端必须连接锅炉，另一端连接排气，然后必须在活塞返回之前切换这两个连接。 ## 滑阀 早期的蒸汽机使用多个独立的阀门和连杆来引导蒸汽。我们的发动机用一个*滑阀*完成了所有这些工作。它只移动几厘米，将气缸的一端连接到新鲜蒸汽，另一端连接到排气。当活塞到达冲程末端时，阀门滑过并交换两个连接。 阀门位于*蒸汽室*内，这是一个用螺栓固定在气缸侧面的铁盒，始终充满新鲜蒸汽。三个端口通向蒸汽室。两个外侧端口连接到气缸的两端，而中间的端口带走排气。阀门形状像一个宽大的空心 D 形。一侧边缘露出一个气缸端口，让新鲜蒸汽进入，而空心背面将另一个气缸端口连接到排气。 阀门需要与活塞完美同步运动，否则发动机无法工作。这个运动来自发动机旋转轴上的一个*偏心轮*。偏心轮是一个略微偏心地安装的圆盘，因此当轴旋转时，它的中心会沿一个小圆运动。圆盘上的一个箍圈跟随这个运动，并驱动阀杆来回移动。它在轴上的位置被选择为在活塞到达冲程末端之前，下一个蒸汽端口开始打开。 现在，我们可以看到活塞、阀装置和偏心轮如何在我们波束发动机上工作。 ### 使用更少的蒸汽 通过在活塞到达冲程末端之前关闭蒸汽端口，我们可以节省惊人的煤量。被截留的蒸汽继续膨胀并推动活塞，尽管其压力随着体积增大而下降。在半程关闭阀门，称为*切断*，使用一半的蒸汽，同时仍然产生约85%的理想功^(6)（https://glinscott.github.io/beam-engine/#fn-6）。瓦特在1782年为此申请了专利。后来的复合发动机将一个气缸的排气送入更大的气缸，有时再送入第三个气缸，随着蒸汽膨胀提取更多的功。 ### 测量功 我们刚才讨论的所有事情都发生在一个不透明的气缸内部。1796年，瓦特的助手约翰·萨瑟恩（https://en.wikipedia.org/wiki/John_Southern_(engineer)）制造了一个可以让他们看到内部的仪器。一个由弹簧驱动的小活塞随着压力上下移动一支铅笔，而一张卡片随着主活塞侧向移动。由此产生的*示功图*显示了整个冲程中的压力，而循环内部的面积衡量了产生的功。 泄漏的活塞、延迟切断和受限的排气各自产生不同的形状，使工程师能够从一张卡片诊断出发动机的问题。博尔顿和瓦特认为这个仪器非常宝贵，以至于他们保密了多年^(7)（https://glinscott.github.io/beam-engine/#fn-7）。 现在我们可以在两个方向上控制蒸汽并产生动力，但活塞仍然来回移动。这被称为*往复运动*。泵可以直接利用它，但驱动工业革命的工厂需要旋转。 ## 产生旋转 为了将活塞的来回运动转化为旋转，我们的波束发动机使用了一个*曲柄*，尽管瓦特最早的旋转发动机无法使用曲柄^(8)（https://glinscott.github.io/beam-engine/#fn-8）。一个偏离轴心的销钉通过*连杆*与活塞连接。对销钉的推挤使轴旋转，但在整个旋转过程中并不均匀。每转两次，曲柄和连杆在称为*死点*的位置对齐，此时活塞直接推过轴，根本不会产生旋转。如果没有东西能带它通过这些点，发动机在曲柄第一次到达死点时就会停止。 大型飞轮解决了这个问题。它在曲柄具有良好杠杆作用时储存能量，然后在发动机旋转通过死点时返回这些能量。在下图中，插图中的阴影带显示了飞轮在每个旋转周期中收集和返还能量的过程。尝试飞轮质量滑块：更重的轮子速度变化更小，使发动机平稳旋转。 我们的发动机现在可以连续旋转轴而不停止。但将活塞杆连接到曲柄实际上比看起来更难。 ## 波束和平行四边形机构 现在，仔细观察下图中连杆的连接方式。当曲柄旋转时，它的销钉除了上下移动外还会侧向移动。活塞杆无法跟随，因为它必须通过气缸顶部的密封件直线移动。如果直接连接，该杆会将活塞推向侧面，迅速破坏密封。 波束将侧向载荷传递到一个大型圆形轴承上，车间可以精确制造这种轴承。但它的末端沿弧线运动，而瓦特仍然需要活塞杆沿直线运动。 他巧妙的解决方案是*平行四边形机构*，于1784年获得专利。一组铰接连杆将波束连接到发动机上的一个固定点。当波束将活塞杆拉向一个方向时，另一个连杆将其拉向另一个方向，几乎完全相同的量。两条曲线相互抵消，留下的路径非常接近一条直线。瓦特对这个机构非常满意，以至于他写道：“我为平行四边形机构感到自豪，超过了我所有其他机械发明。”