?三脹往復(fù)式蒸汽機(jī)，簡(jiǎn)稱三脹機(jī)，是一種歷史悠久的船用發(fā)動(dòng)機(jī)；了解過中國近代海軍史的朋友應(yīng)該知道，從北洋海軍時(shí)期的“亞洲第一巨艦”定遠(yuǎn)級(jí)鐵甲艦，到民國時(shí)期的寧海平海逸仙，使用的發(fā)動(dòng)機(jī)都是三脹機(jī)。

那么，這個(gè)三脹機(jī)到底是什么東西呢？事實(shí)上，對(duì)于這玩意兒的定義，我一開始也是懵逼的——由于網(wǎng)上的資料給三脹機(jī)起了一堆她自己都不認(rèn)識(shí)的外號(hào)，像是“四缸三漲倒缸發(fā)動(dòng)機(jī)”、“三段式膨脹發(fā)動(dòng)機(jī)”、“三膨脹機(jī)”——等等，五花八門，令人哭笑不得，要想找到三脹機(jī)的真正定義絕對(duì)不是件輕松的事——因?yàn)槭紫龋愕闷查_那一大堆亂七八糟可能還有錯(cuò)別字的外號(hào)，搞清楚三脹機(jī)到底叫什么。所幸，有一次胡亂翻網(wǎng)頁的時(shí)候，我陰差陽錯(cuò)地撞上了一個(gè)叫三脹機(jī)的名詞，接著又看到了一張三脹機(jī)工作的動(dòng)畫圖，這才算是真正搞清楚三脹機(jī)的定義——而那時(shí)候距離我第一次看到“四缸三漲倒缸發(fā)動(dòng)機(jī)”已經(jīng)有三年了。簡(jiǎn)單來說，三脹機(jī)，就是“蒸汽在內(nèi)部經(jīng)歷三次而非一次膨脹做功”的蒸汽機(jī)。需要說明的是，瓦特并非蒸汽機(jī)的發(fā)明者；他所做的只是改良了前人的發(fā)明，一種被稱為大氣活塞式蒸汽機(jī)的引擎；在那種蒸汽機(jī)中，高溫蒸汽會(huì)被注入汽缸，同時(shí)推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)活塞運(yùn)行至汽缸頂端時(shí)，同連桿相連的閥門會(huì)打開，冷水通過閥門噴灑在汽缸壁上，使得缸內(nèi)蒸汽迅速冷卻收縮，活塞在大氣壓的作用下向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)拉動(dòng)連桿的另一頭上翹，將地下水吸出地面。這種蒸汽機(jī)有一個(gè)致命的缺陷：效率太低。稍微分析一下就能發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大氣活塞式蒸汽機(jī)結(jié)束一個(gè)動(dòng)力沖程后，汽缸壁的溫度依然保持在相對(duì)較低的水平；而當(dāng)下一個(gè)沖程開始時(shí)，大量高溫蒸汽涌入汽缸，但它們首先要做的卻并不是推動(dòng)活塞上移，而是在發(fā)冷的汽缸壁上凝結(jié)，同時(shí)使汽缸壁升溫——于是，那么一大部分用煤辛辛苦苦燒出來的熱不是用來做功，而是以加熱汽缸壁的形式白白浪費(fèi)掉了。而這，也就注定了大氣活塞式蒸汽機(jī)的效率不會(huì)太高。瓦特敏銳地注意到了這點(diǎn)。他提出，將汽缸同冷凝器分開，兩者之間用一根帶閥門的管道相連；當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，閥門同樣會(huì)打開，但接下來的過程卻與大氣活塞式蒸汽機(jī)內(nèi)發(fā)生的完全不同：膨脹過后的蒸汽會(huì)涌入冷凝器，在那里降溫凝結(jié)，產(chǎn)生巨大的負(fù)壓力——而這個(gè)負(fù)壓力又會(huì)使得汽缸內(nèi)剩余的蒸汽被抽進(jìn)冷凝器。由此，汽缸內(nèi)同樣會(huì)形成局部真空，活塞也會(huì)在大氣壓的作用下往下移動(dòng)——但是，由于汽缸壁沒有被灑上冷水，接下來沖入汽缸的蒸汽完全不用在汽缸壁上凝結(jié)，只需要專心地推動(dòng)活塞。就這樣，瓦特將蒸汽機(jī)的效率提高到了原來的三倍（理論上）。然而，效率依然太低。即便瓦特之后又對(duì)蒸汽機(jī)進(jìn)行了進(jìn)一步的改良，讓活塞的上下移動(dòng)均由蒸汽推動(dòng)，蒸汽機(jī)的效率依舊上不去。問題就出在那些流入冷凝器的蒸汽上。我們?cè)O(shè)想一下，把蒸汽機(jī)的冷凝器去掉，讓膨脹過的蒸汽直接排入大氣——那我們會(huì)看到什么樣的畫面呢？其實(shí)，這個(gè)畫面并不難想象。老式的蒸汽機(jī)車并沒有冷凝器；從汽缸中流出的蒸汽會(huì)直接朝車體兩側(cè)噴射。因此，我們就能在電影中看到，一個(gè)巨大的車頭呼嘯而來，一邊轟隆轟隆地沖過鐵軌，一邊呼哧呼哧地直喘氣，車頭兩邊拖著兩道沖出去老遠(yuǎn)的白霧。注意，沖出去老遠(yuǎn)。有時(shí)甚至?xí)姷借F路兩邊的灌木上，就像是灑水車向兩邊射出的水柱。顯然，在經(jīng)過了一次蒸汽機(jī)之后，蒸汽的能量還沒有被完全榨干——這些能量隨著沖出汽缸的蒸汽一起流進(jìn)了冷凝器，也就是說，“跑掉了”；而這部分跑掉的能量，本來可以繼續(xù)推動(dòng)引擎——說了這么多，總算是說到點(diǎn)子上了。既然沖出汽缸的蒸汽中依然含有能量，那么，我們自然可以讓這股蒸汽繼續(xù)推動(dòng)引擎，流經(jīng)一個(gè)汽缸、兩個(gè)汽缸，直至內(nèi)部蘊(yùn)含的能量無限接近于水的初始能量。這就是三脹機(jī)的工作原理。在三脹式蒸汽機(jī)中，蒸汽流過的并不是一個(gè)而是三個(gè)——或是四個(gè)汽缸。同蒸汽管直接相連的汽缸是高壓缸；高壓蒸汽在那里發(fā)生第一次膨脹，釋放出一部分能量。接著，當(dāng)高壓缸的活塞向上或向下移動(dòng)，擠壓活塞上面或是下面已經(jīng)做過一次功的蒸汽時(shí)，那些蒸汽將會(huì)順著管道進(jìn)入中壓缸，隨即發(fā)生第二次膨脹，釋放出較第一次更少的能量；最后，已經(jīng)做過兩次功的蒸汽會(huì)進(jìn)入低壓缸，并從那里流入冷凝器。這樣，經(jīng)過三段膨脹做功之后，蒸汽內(nèi)的能量顯然得到了更進(jìn)一步的有效利用——說得通俗點(diǎn)，就是流入冷凝器的蒸汽被榨得更干了，甚至沒法像在單缸蒸汽機(jī)中那樣哧哧地沖過管道。當(dāng)然，如果你還想繼續(xù)壓榨蒸汽的剩余能量，你完全可以在低壓缸后面再接一個(gè)引擎——不過由于此時(shí)蒸汽的氣壓已經(jīng)相當(dāng)?shù)?，不太可能有效地推?dòng)活塞，因此通常的選擇是串聯(lián)一臺(tái)蒸汽輪機(jī)，那玩意兒不需要太大的汽壓就能轉(zhuǎn)動(dòng)。圖：泰坦尼克號(hào)的動(dòng)力系統(tǒng)。為了使引擎運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，泰坦尼克號(hào)的三脹機(jī)使用了四個(gè)汽缸；民國時(shí)期的寧海級(jí)輕巡洋艦以及美國海軍的紐約級(jí)戰(zhàn)列艦使用的也是這種四缸三脹機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是續(xù)航力強(qiáng)，較三缸三脹機(jī)運(yùn)行更為平順；缺點(diǎn)是能提供的航速較慢、噪音大，較蒸汽輪機(jī)而言運(yùn)行過于顛簸