十月底,长安城已经入了深秋。
格物院东侧新建的“讲学堂”里,坐了五十多人。
有格物院的学士,有将作监的工匠,有工部的年轻官员,还有十几个从各地选拔来的聪明学徒。
天还没大亮,屋里点着二十多盏油灯,把每个人的脸都照得亮堂堂的。
李默站在最前面的木台子上,身后是一块巨大的黑板。
他今天没穿官服,就一身简单的青布长衫,袖子挽到小臂,手上还沾着些炭灰。
石磊坐在第一排。
他的双手裹着厚厚的纱布,医官说至少还得养半个月才能拆。
但他坚持要来听课,纱布包不住的手指露在外面,不时无意识地弯曲一下,像是急着想动手做什么。
张衡和祖冲之坐在他旁边,两人面前摊着纸笔,已经做好了记录的准备。
“今天不讲复杂的。”
李默开口,声音不大,但屋里立刻安静下来,
“咱们讲个最简单的——烧开水。”
有人愣了一下,互相看看,不明白李司徒怎么突然讲起这个。
李默也不解释,转头对旁边的学徒说:“把东西拿上来。”
学徒搬上来一个小炉子,炉子上放着一把铜壶。
炉火生起来,壶里的水很快开始冒热气。
“都见过烧开水吧?”
李默指着壶嘴冒出的白气,
“水烧开了,变成气,从壶嘴喷出来。力气大的,能把壶盖顶得噗噗响。”
他顿了顿,环视众人:
“可有人想过,这气为什么能顶起壶盖?”
一个年轻工匠举手:
“因为气胀开了?水变成气,占的地方大了,没处去,就往外顶。”
“说得对。”
李默点头,
“水变成蒸汽,体积能膨胀一千多倍。如果把这股力量关在一个密闭的容器里,只留一个出口,那这股力能有多大?”
他拿起一根细竹管,插进壶嘴。
蒸汽顺着竹管喷出来,吹得前面一张油纸哗啦啦响。
“如果我们在出口装个轮子,让蒸汽吹着轮子转呢?”
李默在黑板画了个简单的示意图:一个锅炉,一根管子,管子尽头装个带叶片的小轮子。
“蒸汽吹动轮子,轮子带动轴,轴就能带动机器——纺车、磨盘、抽水的水车,甚至船。”
屋里响起低低的议论声。
“李司徒的意思是,用蒸汽代替人力、畜力、水力?”
一个工部官员眼睛发亮。
“不止代替,是超越。”
李默说,
“人力有极限,畜力要喂养,水力要看天时。但蒸汽力,只要你有燃料,有水,就能源源不断地产出。而且力气可以很大——非常大。”
他看向石磊:
“石磊,你感应能量最敏感。你过来,感受一下这蒸汽里蕴含的‘力’。”
石磊起身走到炉子旁,伸出裹着纱布的手,虚悬在壶嘴上方。
额头印记微微发热。
他闭眼,集中精神。
在以往的感知中,火焰是活跃而躁动的能量,水是平和流动的能量,风是飘忽不定的能量。
但此刻,从壶嘴喷出的蒸汽,却是一种被约束、被压缩、急于释放的能量。
它不像星纹钢能量那样稳定,也不像火焰能量那样散乱。
它有一种“方向性”——只朝一个方向冲,带着一种近乎固执的冲动。
“感觉到了。”
石磊睁开眼,
“像被关在笼子里的猛兽,只想往外冲。如果我们能给它做个合适的‘笼子’,让它按我们的规矩冲,它就能为我们干活。”
“就是这个意思。”
李默拍拍他的肩,
“坐下吧。”
他转向所有人:
“从今天起,格物院成立‘蒸汽机攻关小组’。石磊任组长,张衡、祖冲之协助。工部、将作监、格物院各抽调十名精干人手,一个月内,我要看到第一台能稳定运转的蒸汽机原型。
他顿了顿,加重语气:
“这不是可有可无的闲棋。有了蒸汽机,我们的船就能逆风航行,矿山排水就能日夜不停,工坊的机器就能十倍百倍地提高效率。这是大唐强盛的另一块基石。”
十月二十八,攻关小组正式成立。
三十多人在格物院后院划出了一片独立区域,周围用木板围起来,门口挂了个“蒸汽坊”的木牌。
里面堆满了铁料、铜料、木料、工具,水力锻锤两台,还有三座临时搭起的炉子。
第一件事是确定方案。
张衡把李默画的那个简单示意图放大,贴在最显眼的墙上。
“李司徒说了原理,但具体怎么做,得靠我们自己。”
他指着图,
“锅炉、汽缸、活塞、连杆、曲轴、飞轮每一个部件都得设计、试制、测试。”
祖冲之拿着炭笔在另一块木板上计算:
“按李司徒给的数据,水变成蒸汽,体积膨胀一千七百倍。如果我们做一个一尺见方的锅炉,里面装十斤水,全部汽化,产生的压力”
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他写下一串数字,然后停住了。
“算出来了吗?”
石磊问。他的双手还不能动,只能用下巴夹着炭笔,在纸上歪歪扭扭地画着什么。
“算出来了,但数字太大,我怀疑算错了。”
祖冲之摇头,
“按这个算,蒸汽的压力能把半尺厚的铁板都顶弯。我们哪来那么结实的材料?”
“用海神钢。”
石磊说,
“第一批海神钢下个月就能试产。虽然量不大,但做个小模型应该够。”
“可海神钢的冶炼工艺还在摸索,不一定来得及。”
张衡皱眉。
三人陷入了沉默。
窗外秋风呼啸,吹得木板墙呜呜作响。
油灯的火苗摇曳不定,把三个人的影子拉得忽长忽短。
良久,石磊开口:
“要不咱们先做个小的?不用海神钢,就用普通熟铁。压力小点没关系,先验证结构可行不可行。等海神钢出来了,再做大的。”
“也只能这样了。”
张衡点头,
“那就定个尺寸:锅炉直径一尺,高两尺。汽缸直径三寸,行程一尺。先做一台最小号的,试试看。”
方案定了,接下来是分工。
张衡负责机械结构设计。
他带着五个将作监的匠人,开始画详细的零件图。
齿轮的齿形、连杆的长度、曲轴的偏心距每一个尺寸都要反复计算、核对。
祖冲之负责热力计算和材料选择。
锅炉的壁厚要多少才能承受压力?
管路的直径多大才不影响蒸汽流量?
密封用什么材料?
他整天泡在格物院的资料库里,翻找各种关于金属性能、耐热材料、密封胶的记录。
石磊因为手伤,暂时做不了精细活,但他也没闲着。
他带着两个学徒,开始收集长安城里各种锅炉、压力容器的使用情况——酒楼的大汤锅、药铺的蒸馏器、染坊的蒸锅
凡是和蒸汽、压力沾边的,他都去看了,记下它们的结构、材料、常见问题。
“石先生,您这手还没好,就别到处跑了。”
一个学徒劝他。
“手不能动,眼睛还能看,脑子还能想。”
石磊摇头,
“李司徒说了,这蒸汽机是个新东西,没现成的例子可抄。咱们得多看、多想,别人的失败经验,说不定就是咱们的成功窍门。”
十一月初十,第一台原型机开始组装。
零件摆了一地:
熟铁锻打的锅炉,像个大水缸;
铜制的汽缸,内壁磨得锃亮;
硬木做的活塞,外面包了两层浸过油的牛皮做密封;
铁制的连杆和曲轴;还有一大一小两个铸铁飞轮。
二十多个工匠围在一起,按照张衡画的装配图,小心翼翼地把零件拼起来。
石磊站在一旁,额头布带下的印记微微发热。
他在感应每个零件的能量状态——有没有暗伤?
应力集中在哪里?
组装时会不会产生意外的内应力?
“刘奇,停一下。”
他突然开口。
正在拧螺栓的叫刘奇工匠停下手。
“这根连杆,中间有一段内部有裂纹。”
石磊说,
“虽然现在看不出来,但一受力就会断。换一根。”
刘奇把连杆取下来,对着光仔细看,果然在某个角度能看到一条细如发丝的暗纹。
“神了!”
刘奇惊叹,
“石先生,您这眼睛比咱们的探伤锤还准!”
“不是眼睛,是感应。”
石磊没多解释,
“继续吧,小心点。”
组装从清晨持续到黄昏。
当最后一个螺栓拧紧时,这台怪模怪样的机器终于完整地呈现在众人面前。
它长约六尺,宽三尺,高四尺,像个巨大的铁螃蟹趴在地上。
锅炉在后,汽缸在侧,连杆曲轴飞轮在前,结构裸露,没有任何装饰,只有金属和木头最原始的颜色。
“加水,生火。”
张衡下令。
学徒们往锅炉里加了三十斤水,炉膛里塞进干柴,点着。
火苗舔着锅炉底,铜制的压力表指针开始缓慢移动。
所有人都退到安全线后,眼睛死死盯着机器。
一炷香后,锅炉里的水烧开了。
压力表的指针跳到了“五”的位置——这是他们预设的安全线。
“压力够了。”
祖冲之看了眼温度计,
“开阀门!”
负责操作的工匠扳动阀门。
嗤——!
一股白汽从管路中冲出,冲进汽缸。
活塞被推动,向后移动。
连杆跟着动,带动曲轴旋转。
飞轮开始转动,起初很慢,然后越来越快。
“转了!转了!”
有人激动地喊起来。
飞轮呼呼作响,带动着整个传动系统运转。
活塞在汽缸里来回滑动,阀门按照预设的节奏开合,蒸汽有规律地喷出,在空气中凝结成白色的雾气。
成功了?
这个念头刚升起——
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砰!!!
一声闷响。
汽缸盖突然炸开,碎片四处飞溅!
滚烫的蒸汽像失控的野兽般喷涌而出,把最近的几个工匠烫得哇哇大叫。
飞轮在惯性下又转了几圈,然后歪歪扭扭地停下来,连杆已经弯成了奇怪的形状。
现场一片混乱。
医官冲上来救治烫伤的人。
幸好伤得不重,只是皮外伤。
张衡脸色铁青,走到机器旁检查。
汽缸盖的固定螺栓断了三根,剩下的也都变形了。
连杆弯了,活塞卡死在汽缸里,牛皮密封烧焦了大半。
“压力太大了。”
祖冲之看着压力表——指针已经打到了顶,超过了最大量程,
“我们的阀门调节不够灵敏,蒸汽进来太多太快,汽缸承受不住。”
石磊蹲下身,用没受伤的手指碰了碰炸裂的汽缸盖边缘。
切口很新,断口呈脆性断裂的特征。
“材料也不行。”
他低声说,
“熟铁太脆,承受不了循环冲击。得用韧性更好的材料,或者改变结构,让受力更均匀。”
第一次试机,以失败告终。
接下来的半个月,是不断失败的半个月。
第二台原型机,改进了阀门设计,用了更厚的汽缸壁。
结果蒸汽压力不够,飞轮转了几圈就停了。
第三台,加大了锅炉,结果热效率太低,烧了半个时辰水还没开。
第四台,改进了密封,但活塞和汽缸的摩擦太大,机器自己把自己卡死了。
第五台、第六台、第七台
问题一个接一个:密封漏气、冷凝效率低、传动损耗大、燃料消耗惊人
蒸汽坊里堆满了失败品的零件。
工匠们的情绪从最初的兴奋,逐渐变成了疲惫,甚至有些沮丧。
十二月中旬,长安下了第一场雪。
夜里,蒸汽坊还亮着灯。
石磊、张衡、祖冲之三人围着火盆,面前摊着几十张失败记录。
“李司徒给的原理没错,可为什么就是做不出来?”
张衡揉着发酸的眼睛,
“每个零件单独看都没问题,合在一起就不行。”
“因为我们对‘力’的理解还不够。”
石磊盯着火盆里跳动的火苗,
“蒸汽之力不像人力,可以随时调整。它一旦产生,就必须有去处。如果我们不能精准控制它的产生、输送、转化,它就会在薄弱环节爆发出来。”
他顿了顿:
“我一直在想我们能不能换个思路?不追求一口气做出完美的机器,而是先解决最核心的问题。”
“什么问题?”
“蒸汽的稳定产生和精准控制。”
石磊说,
“咱们之前的锅炉,都是烧开了就拼命产汽,压力高了就放掉,浪费不说,还忽高忽低不稳定。能不能做个能调节产汽量的锅炉?需要多少汽,就产多少?”
祖冲之眼睛一亮:
“就像水车,水流大了转得快,小了转得慢。如果我们能让锅炉的产汽量和机器的需求匹配”
“那就能稳定运行。”
张衡接话,
“可怎么匹配?机器转得快慢是变化的,锅炉烧水快慢是固定的,这怎么配?”
三个人又沉默了。
火盆里的炭噼啪作响。
窗外,雪越下越大,把整个格物院都染白了。
十一月二十八,距离腊月只剩三天。
李默来了蒸汽坊。
他仔细看了每一台失败的原型机,听了详细的失败报告,然后问了一个问题:
“你们有没有试过,把锅炉和汽缸分开?”
三人一愣。
“分开?”
“对。”
李默走到黑板前,画了个新的示意图,
“锅炉专门产汽,产出的蒸汽存到一个‘储汽罐’里。机器需要多少,就从罐子里取多少。这样锅炉可以稳定燃烧,机器也可以稳定运行。”
他顿了顿,又画了个小装置:
“还有这个——‘离心调速器’。飞轮转得快了,这两个小球会因为离心力飞起来,带动阀门关小,减少蒸汽进入。飞轮慢了,小球落下,阀门开大。这样机器就能自己调节速度,保持稳定。”
石磊盯着那个简单的装置,眼睛越来越亮。
这么简单为什么他们没想到?
“李司徒,这调速器您是怎么想出来的?”
张衡问。
“观察。”
李默说,
“水车上的闸板,磨坊里的离心离合,都是类似原理。你们太执着于蒸汽本身,忽略了机械控制的智慧。”
他拍了拍三人的肩:
“别灰心。失败是正常的,我从没指望你们一次成功。但每次失败,都要学到东西。现在你们知道熟铁不行,知道密封要耐高温耐油,知道传动要减少摩擦,知道控制要灵敏这些都是宝贵的经验。”
他看向窗外的大雪:
“休息三天。调整好,重新开始。我相信你们能成。”
李默走了。
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蒸汽坊里,三个人互相看了看。
“重新开始。”
石磊说。
“重新开始。”
张衡和祖冲之点头。
腊月初一,长安城已经有了年味了,百姓开始购置年货了。
休息两天的格物院蒸汽坊又开始热火朝天地干了起来。
这一次,他们完全推翻了之前的设计。
新的锅炉更大、更厚,内部加了盘管,提高热效率。
旁边立起了一个巨大的铜制储汽罐,像个倒扣的大钟。
汽缸重新设计,内壁做了精细的研磨,光滑得像镜子。活塞改成黄铜,外面包了多层浸过特殊油脂的麻布和皮革,既密封又耐磨。
传动系统全部重做:
齿轮加了斜齿,减少噪音和冲击;
连杆用了韧性更好的钢材;
曲轴做了动平衡,转动起来几乎没振动。
最关键的是那个“离心调速器”——两个铜制的小球,用连杆连着阀门。
飞轮一转,小球就飞起来,像两个跳舞的精灵。
腊月十五,第八台原型机组装完成。
这一次,所有人都很平静。
加水,生火,等待。
压力表缓慢上升。
当时针指向“十”的位置时,张衡深吸一口气:“开阀。”
阀门打开。
蒸汽从储汽罐平稳地流入汽缸。
活塞动了。
连杆动了。
曲轴转了。
飞轮开始旋转,起初很慢,然后逐渐加速。
离心调速器的小球飞了起来,在某个高度稳定住,随着飞轮转速微微起伏。
机器运转起来了。
没有爆炸,没有卡死,没有漏气。
只有规律的“嗤——嗤——”声,活塞的滑动声,飞轮的呼啸声,还有齿轮咬合的轻微咔哒声。
它转了十圈,一百圈,一千圈
一个时辰过去了,机器还在转。
两个时辰,三个时辰
天黑了,点起油灯继续看。
机器就这么转着,稳定得让人不敢相信。
“成了。”
石磊低声说,声音有些发颤。
张衡和祖冲之没说话,只是死死盯着机器,眼睛都不敢眨,生怕一眨眼它就会停下来。
但它没停。
一直转到第二天清晨,锅炉里的水烧干了,压力下降,机器才慢慢停下来。
整整十二个时辰。
“测功率。”祖冲之哑着嗓子说。
他们用李默教的简易测功方法:
在飞轮上缠绳子,绳子另一头吊重物,看机器能提起多重的物体,再换算成功率。
测试做了三次。
最后一次,飞轮带动绳子,把一块三百斤的铁锭提了起来,离地三尺,稳稳悬住。
“换算下来”
祖冲之在纸上计算,
“大约五十马力。”
五十马力。
什么概念?
一匹好马持续输出的力量,大约一马力。
这台机器,相当于五十匹马同时拉车,而且不知疲倦,不吃草料,只要添煤加水,就能一直干下去。
蒸汽坊里爆发出震天的欢呼。
工匠们抱在一起,又跳又笑,有人甚至哭了出来。
这一个多月的煎熬,数十次的失败,无数个不眠之夜,终于在这一刻得到了回报。
石磊走到机器旁,伸手摸了摸还在微微发烫的汽缸。
额头印记传来稳定的、有节奏的能量波动。
这一次,蒸汽之力被驯服了,乖乖地在管道和汽缸里流动,按着他们设定的规矩,推动活塞,转动飞轮,输出力量。
他抬头,看向窗外。
天亮了,朝阳把雪地染成了金色。
更远处,是长安城的轮廓,是大唐的万里河山。
而在这台机器之后,他仿佛看到了更远的东西——装着蒸汽机的铁木战船,劈波斩浪,远航万里;蒸汽机带动的矿山抽水机,日夜不停,挖掘深埋地底的矿藏;蒸汽机驱动的纺车、磨坊、锻锤,让工坊的效率十倍百倍地提升
这一切,都从今天开始。
从这台还在冒着淡淡白汽的机器开始。
“给李司徒报喜吧。”
张衡走过来,脸上带着笑,眼圈却是红的。
“不着急。”
石磊摇头,
“等我们把图纸完善,把制造工艺标准化,造出第二台、第三台,确保不是偶然成功,再报喜不迟。”
他顿了顿:
“而且这只是一个开始。”
他看向那台机器,眼神坚定:
“五十马力,够用了。但李司徒说过,将来我们需要五百马力、五千马力的机器,去推动更大的船,去驱动更重的机械。”
“那时候,这台机器就是我们的起点。”
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