年少時總聽到這樣的故事:有一天瓦特看到燒開的水壺的蓋子被不斷的頂起來,於(yu) 是發明了蒸汽機。而事實上正真的發明者是英國工程師紐科門。
紐科門幼年僅(jin) 受過初等教育,少年時代做過鍛工。17世紀80年代同卡利合夥(huo) 經營鐵器,後來共同研製蒸汽機,並於(yu) 1705年取得“冷凝進入活塞下部的蒸汽和把活塞與(yu) 連杆聯接以產(chan) 生運動”的專(zhuan) 利權。此後,紐科門繼續改進蒸汽機,於(yu) 1712年首次製成可供實用的大氣式蒸汽機,被稱為(wei) 紐科門蒸汽機。這台蒸汽機的汽缸活塞直徑為(wei) 30.48厘米,每分鍾往複12次,功率為(wei) 5.5馬力。但熱效率低,燃料消耗量大,僅(jin) 適用於(yu) 煤礦等燃料充足的地方。
而瓦特呢?直到1757年,瓦特才得到了格拉斯哥大學的教授提供的一個(ge) 機會(hui) ,讓他在大學裏開設了一間小修理店,瓦特的小店開業(ye) 4年後,在朋友羅賓遜教授的引導下,瓦特開始了對蒸汽機的實驗。直到此時,瓦特也還從(cong) 未親(qin) 眼見過一台可以運轉的蒸汽機,但是他開始建造自己的蒸汽機模型。初步的實驗失敗了,但是他堅持繼續實驗並且閱讀了所有他能找到的有關(guan) 蒸汽機的材料,獨立地發現了潛熱的重要性(盡管這在好幾年前就被布萊克教授發現了,但瓦特當時並不知情)。1763年,瓦特得知格拉斯哥大學有一台紐科門蒸汽機,但是正在倫(lun) 敦修理,他請求學校取回了這台蒸汽機並親(qin) 自進行了修理。修理後這台蒸汽機勉強可以工作,但是效率很低。經過大量實驗,瓦特發現效率低的原因是由於(yu) 活塞每推動一次,氣缸裏的蒸汽都要先冷凝,然後再加熱進行下一次推動,從(cong) 而使得蒸汽80%的熱量都耗費在
維持氣缸的溫度上麵。1765年,瓦特取得了關(guan) 鍵性的進展,他想到將冷凝器與(yu) 氣缸分離開來,使得氣缸溫度可以持續維持在注入的蒸汽的溫度,並在此基礎上很快建造了一個(ge) 可以運轉的模型。
但是要想建造一台實際的蒸汽機還有很長的路要走。首先是資金,布萊克教授提供了一些幫助,但更多的資助來自於(yu) 約翰•羅巴克(John Roebuck)。羅巴克是一位成功的企業(ye) 家,著名的卡倫(lun) 鋼鐵廠的擁有者,在羅巴克的讚助下,瓦特開始了新式蒸汽機的試製,並成為(wei) 新公司的合夥(huo) 人。試製中的主要困難還在於(yu) 活塞與(yu) 氣缸的加工製造工藝上。當時的工藝水平下鋼鐵工人更像是鐵匠而不是機械師,所以製造的結果很不滿意。此外由於(yu) 當時的相關(guan) 專(zhuan) 利申請需要國會(hui) 的認可,大部分的資金都花費在相關(guan) 程序上。由於(yu) 資金的短缺,瓦特不得不另找了一份運河測量員的工作,並一幹就是8年。這之後,羅巴克破產(chan) ,相關(guan) 專(zhuan) 利都由伯明翰一間鑄造廠老板馬修•博爾頓接手。瓦特與(yu) 博爾頓從(cong) 此開始了他們(men) 之間長達25年的成功合作。
與(yu) 博爾頓的合作,使得瓦特得到了更好的設備資金以及技術上的支持,特別是在加工製造工藝方麵。新型蒸汽機製造的一個(ge) 主要困難在於(yu) 活塞與(yu) 大型氣缸的密合,這個(ge) 問題最終被約翰•威爾金森(John Wilkinson)解決(jue) ,他在改進加農(nong) 炮的製造時提出了一種新的精密鏜孔加工技術,可以用於(yu) 蒸汽機的製造。終於(yu) 在1776年,第一批新型蒸汽機製造成功並應用於(yu) 實際生產(chan) 。這批蒸汽機由於(yu) 還隻能提供往複直線運動而主要應用於(yu) 抽水泵上。在之後的5年中,瓦特贏得了大量的訂單並忙於(yu) 奔波於(yu) 各個(ge) 礦場之間安裝由這種新型蒸汽機帶動的水泵。
在博爾頓的要求下,瓦特開始繼續研究如何將蒸汽機的直線往複運動轉化為(wei) 圓周運動,以便使得蒸汽機能為(wei) 絕大多數機器提供動力。一個(ge) 顯而易見的解決(jue) 辦法是通過曲柄傳(chuan) 動,但是該項專(zhuan) 利所有人,約翰•斯蒂德(John Steed)要求同時分享瓦特此前的分離冷凝器的專(zhuan) 利,這一要求被瓦特堅決(jue) 地拒絕了。1781年,瓦特公司的雇員威廉•默多克(William Murdoch)發明了一種稱為(wei) “太陽與(yu) 行星”的曲柄齒輪傳(chuan) 動係統,並以瓦特的名義(yi) 成功申請了專(zhuan) 利。這一發明繞開了曲柄專(zhuan) 利的限製,極大地擴展了蒸汽機的應用。
之後的6年裏,瓦特又對蒸汽機作了一係列改進並取得了一係列專(zhuan) 利:發明了雙向氣缸,使得蒸汽能夠從(cong) 兩(liang) 端進出從(cong) 而可以推動活塞雙向運動,而不是以前那樣隻能單向推動;使用節氣閥門與(yu) 離心節速器來控製氣壓與(yu) 蒸汽機的運轉;發明了一種氣壓示工器來指示蒸汽狀況;發明了三連杆組保證氣缸推杆與(yu) 氣泵的直線運動。由於(yu) 擔心爆炸的危險以及泄露問題,瓦特的早期蒸汽機都是使用低壓蒸汽,後來才引進了高壓蒸汽。所有這些革新結合到一起,使得瓦特的新型蒸汽機的效率是過去的紐科門蒸汽機的5倍