刻苦攻关

纽科门大气压力蒸汽机的工作原理是这样的：它的主要工作部件汽缸与活塞，合起来很像一个自行车打气筒。活塞可在汽缸里上下移动。是什么力量让活塞移动呢？当锅炉里的水烧开后，产生的水蒸汽就以很大的力量冲进汽缸，这样就把活塞顶上去了。这时，把第一个开关关掉，气断，再打开第二个开关使冷却水进入汽缸，这样缸内蒸汽迅速冷却而变成水。由于缸内成了真空，就“吸引”活塞向下运动，于是完成了一个上下循环运动。再打开第二个开关，冷凝水就流出去了。以上动作只要重复进行，机器就可不断运动下去，活塞杆随活塞上下移动，力量很大，用它就可带动其他机器运动， 为人们干活了。

瓦特仔细研究之后，发现这种蒸汽机最大的缺点是太浪费蒸汽。你看， 汽缸外面光秃秃的，温度保不住，每运动一次，还要向缸里喷大量冷却水； 为防漏气，还要在活塞上方注入密封水。这样汽缸内温度很难保持在 100℃ 以上，水蒸汽只好把大量能量消耗在加热汽缸壁上，真正做功的热能就很少了。据测算，纽科门蒸汽机只能利用 1％的热量，就是说，烧 100 公斤煤， 99 公斤浪费掉了。

这里有个很困难的矛盾需要解决：用水蒸汽顶活塞往上做功时，必须使汽缸保持 100℃以上的高温，而为了使缸内产生真空，把活塞往下吸引，又要使汽缸冷却的温度越低越好。这个问题使瓦特伤透了脑筋。他像个呆子一样，走路想，吃饭想，睡觉也想。

有一天，他突然想到，为什么不能把汽缸里的蒸汽引到别处去冷却呢？ 这样不就既可保持汽缸温度，又可使蒸汽冷却产生真空吸力吗！根据这个思路，他去掉了冷却水管路，并把冷凝水收集池改进成能使蒸汽迅速冷却的装置，取名“冷凝器”。这时，只要始终保持冷凝器的低温，就可使蒸汽不断冷凝成水而产生足够的真空把活塞吸下来。

此外，他又对汽缸进行了很大的改进：第一，在外面包上很厚的保温层。第二，去掉了活塞顶上的密封水并给汽缸加上了盖。第三，给活塞加上了密

封垫圈以避免漏汽。上述成果使瓦特获得了第一项专利。

经过这一改进，蒸汽机在原有基础上大大迈进了一步。然而这一步，却整整花了 6 年时间。瓦特不仅耗费了大量精力，而且在经济上也负债累累。当债务和贫困压得他喘不过气来时，他甚至心灰意冷地觉得：“搞什么发明， 真是愚蠢！”

然而瓦特毕竟是瓦特，由于对发明的执著追求，并有布莱克教授的帮助以及工厂主罗巴克、博尔顿等人经济上的合作，终于使他一步步度过了难关， 过了 7 年（1776 年），瓦特在蒸汽机改进上又取得了重大进展。首先，他利用了威尔金发明的能精密加工大炮炮筒的镗床来加工汽缸，使汽缸与活塞配合更加紧密，从而大大减少了漏汽。其次，是扩大了应用范围。从给煤矿抽水，扩大到冶金、开采金属矿等。这时的蒸汽机燃料消耗只有原来的 1／3， 功率也大为提高了。于是，求购订单接踵而来。到 1780 年，仅仅 4 年时间，

就制造销售了 40 台，使瓦特精神上受到极大鼓舞，经济上的困难也大大缓解了。

瓦特是个不知疲倦的发明家。为了适应生产的需要，必须设法把蒸汽机活塞及活塞杆的往复运动变为旋转运动。这样，便有可能在机械制造、纺织、交通等几乎整个工业部门得到广泛的应用。瓦特发明了包括“太阳——行星式齿轮”系统在内的多种转换方法，并在 1781 年获得了第二项专利。这时的蒸汽机使用范围更广了。

紧接着，在 1782 年，瓦特又对蒸汽机进行了有决定意义的改进：把从一边向汽缸供汽改为按先后顺序从两边供汽，废汽与冷凝器的联接方法也改进了。这样一来，同样大小的机器，功率几乎一下提高了一倍。同时，瓦特还找到了节约用汽的新方法，即往汽缸送汽时，提前关汽，剩余行程利用蒸汽的膨胀力继续做功。这一改进使瓦特获得了第三项专利。1784 年，瓦特又用“平行四边形”的部件，改进了活塞杆与摇臂的联接方法，从而获得了第四项专利。

永不满足的瓦特，就这样无止境地改进着他心爱的蒸汽机。后来，他又给蒸汽机加上了飞轮；用“离心摆”自动控制蒸汽用量的大小，并使汽缸的整个进、排汽机构完全自动化，最后脱离了手工操作。这时的蒸汽机的功率在消耗同样燃料的情况下，比纽科门蒸汽机提高了 6 倍！转动非常平稳，性能也十分可靠，它几乎成了一件十分完美的工艺品，它成了能在各个工业部门普遍使用的、性能稳定的动力机械，它逐渐把几乎所有的“自然力”—— 风力、水力、马力排挤出了工业部门（当然，后来风力、水力又有了新的应用）。

瓦特，终于找到了“大力士”——瓦特蒸汽机。在英国各地，到处都有它辛勤工作的身影。它不知疲倦，力大无穷，成为人们最忠实的“超人”朋友。