图解蒸汽机的工作原理（蒸汽机的结构与原理）

蒸汽机装置

蒸汽机装置，是指主机以蒸汽为工质的“动力装置”。采用间接加热的方式，即燃料燃烧在发动机外的锅炉中进行，锅炉中的水受热产生蒸汽推动往复式活塞工作，故亦称为外燃式发动机。根据发动机的运动方式不同，又可以分为往复式蒸汽机和回转式汽轮机（主要包括后面介绍的蒸汽轮机、工业用和船用燃气轮机）两种，通常蒸汽机动力装置就是指往复式蒸汽机。

蒸汽机主要分为两部分，一部分为制汽锅炉，一部分为做功本体部分。这两个组件可以集成为一个单元，也可以以多种配置彼此隔开一定距离放置。

做功本体部分（动力单元 motor unit）主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成。从锅炉来的新蒸汽，经主汽阀和节流阀进入滑阀室，受滑阀控制交替地进入汽缸的左侧或右侧，推动活塞运动。

除上述两大单元之外，还会经常配置其它组件。如冷凝器、锅炉给水泵、煤炭输送链条或螺杆燃煤机构等等。

冷凝器

在蒸汽机诞生之初，采用的都是单动活塞（单作用），活塞的往复运动都是在活塞的同一侧“施加作用力”来 实现的，首先是以来蒸汽作用力推动活塞运动，然后通过冷凝蒸汽产生真空“吸回”活塞（实际上是依靠活塞另一侧的大气压力推动活塞回弹运动）。

在这一阶段，冷凝器是必不可少的组件，必须通过冷凝蒸汽产生真空作为“动力源”，使得活塞实现“回复”的往复运动。

这里称作“冷凝”器，与后来出现的内燃机 “冷却系统”中的“冷凝器” 的目的和作用完全不同。当时的蒸汽温度最高也不超过200℃，金属活塞和汽缸等完全可以承受。因此，虽然叫做“冷凝器”，但是并没有冷却蒸汽发动机的这一目的，与后续出现的蒸汽轮机（汽轮机）和内燃机配置“冷却水系统”完全不同。

当采用双动活塞后，活塞的“回复”运动也是靠蒸汽推动实现，不再依赖冷凝器（不再利用大气压力）。此时的冷凝器可有可无，也因此出现了两种配置方案。

第一种是配置了冷凝器，也即锅炉给水系统采用闭式循环系统，则冷凝器的主要功能是冷却液化“蒸汽”为水，然后使水回到锅炉的给水泵前，使水实现再循环，这种方案效率较高。由于锅炉只能使用“淡水” ，因此这种配置尤其适用于淡水缺乏或稀缺的场合，如海洋汽船或沙漠地带使用，稀缺的淡水不被浪费而循环使用。

在这种配置中，冷凝器不应该称作“冷凝”器，更应该称为“凝汽器”。在大型电站中，冷凝器演变为“冷却塔”。

另一种就是取缔了冷凝器，也即锅炉给水系统采用开式循环系统， “蒸汽”推动活塞做功之后，随烟囱一起排入大气中，这种方案效率很低。如机车用蒸汽机，多采用这种配置。这种方案适用于水源充足、供水或给水方便的场合。尽管火车之父特里维西克发明之初是为了规避瓦特的冷凝器专利而采取的一种方案。

蒸汽机的发展首先体现在功率和效率的提高，而功率又主要取决于蒸汽参数的提高（也即主要取决于锅炉制汽的温度、压力、制汽量，当然增大气缸直径也是一种笨方法，但不是提高的方向，因此蒸汽机的核心设备是锅炉，其发展也主要是锅炉的发展，是锅炉使人类进入蒸汽时代，进入人们的日常生活）。

蒸汽机的各种用途，主要差别在于制汽的锅炉，而非在于活塞气缸本体，我们也将在后续的文章中为大家详细讲解蒸汽锅炉的发展历程。