蒸汽機、內燃機、噴氣式發動機工作原理江古

蒸汽機、內燃機、噴氣式發動機工作原

理江古

蒸汽機、內燃機、噴氣式發動機工作原理

000

蒸汽機

是將的能量轉換為機械功的往復式動力機械。的出

蒸汽機蒸汽蒸汽機

現曾引起了18世紀的工業革命。直到20世紀初，它仍然是世界上最重要的原

動機，

后來才逐漸讓位于內燃機和汽輪機等。

16世紀末到17世紀后期，英國的采礦業，特別是煤礦，已發展到相

當的規模，單靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求，而現場又有豐

富而廉

價的煤作為燃料。現實的需要促使許多人，如英國的帕潘、薩弗里、

紐科門等就致力于"以火力提水"的探索和試驗。

薩弗里制成的世界上第一臺實用的提水機，在1698年取得標名為

蒸汽

"礦工之友"的英國專利。他將一個蛋形容器先充滿，然后關閉進汽閥，在

蒸汽

容

器外噴淋冷水使容器內冷凝而形成真空。打開進水閥，礦井底的

蒸汽

水受大氣壓力作用經進水管吸入容器中；關閉進水閥，重開進汽閥，靠壓

蒸汽

力將

容器中的水經排水閥壓出。待容器中的水被排空而充滿時，關閉

蒸汽

進汽閥和排水閥，重新噴水使冷凝。如此反復循環，用兩個蛋形容器交替

蒸汽

工作，可連續排水。

薩弗里的提水機依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超過六米。為了

從幾十米深的礦井汲水，須將提水機裝在礦井深處，用較高的壓力才能將

蒸汽

水壓

到地面上，這在當時無疑是困難而又危險的。

紐科門及其助手卡利在1705年發明了大氣式，用以驅動獨立的

蒸汽機

提水泵，被稱為紐科門大氣式。這種先在英國，后來在歐洲大陸

蒸汽機蒸汽機

得到

迅速推廣，它的改型產品直到19世紀初還在制造。紐科門大氣式

蒸汽

機蒸汽

的熱效率很低，這主要是由于進入汽缸時，在剛被水冷卻過的汽缸壁上

冷凝

而損失掉大量熱量，只在煤價低廉的產煤區才得到推廣。

1764年，英國的儀器修理工瓦特為格拉斯哥大學修理紐科門模

蒸汽機

型時，注意到了這一缺點，并于1765年發明了設有與汽缸壁分開的凝汽器的

蒸

汽

機，并于1769年取得了英國的專利。初期的瓦特仍用平衡杠桿

蒸汽機

和拉桿機構來驅動提水泵，為了從凝汽器中抽除凝結水和空氣，瓦特裝設了抽

氣

泵。他還在汽缸外壁加裝夾層，用加熱汽缸壁，以減少冷凝損失。

蒸汽

1782年前后，瓦特將機器進一步改進，完成了兩項重要發明：在活寒

工作行程的中途，關閉進汽閥，使膨脹作功以提高熱效率；使在活塞

蒸汽蒸汽

兩

面都作功(雙作用式)，以提高輸出功率。這時的活塞既要向下拉動杠

桿又要向上推動杠桿，扇形平衡杠桿和拉鏈已不再適用，瓦特使發明了平行四

邊

形機構。瓦特還于18世紀末將曲柄連桿機構用在上。

蒸汽機

瓦特的創造性工作使迅速地發展，他使原來只能提水的機械，

蒸汽機

成為了可以普遍應用的，并使的熱效率成倍提高，煤耗大大下降。

蒸汽機蒸汽機

因此瓦特是最主要的發明人。

蒸汽機

自18世紀晚期起，不僅在采礦業中得到廣泛應用，在冶煉、紡

蒸汽機

織、機器制造等行業中也都獲得迅速推廣。它使英國的紡織品產量在20多年內

(

從1766年到1789年)增長了5倍，為市場提供了大量消費商品，加速

了資金的積累，并對運輸業提出了迫切要求。

在船舶上采用作為推進動力的實驗始于1776年,經過不斷改進，

蒸汽機

至1807年，美國的富爾頓制成了第一艘實用的明輪推進的"克萊蒙脫"

蒸汽機船

號。此后，在船舶上作為推進動力歷百余年之久。

蒸汽機

1801年，英國的特里維西克提出了可移動的的概念，1803年，

蒸汽機

這種利用軌道的可移動首先在煤礦區出現，這就是機車的雛型。英國的

蒸汽機

斯

蒂芬森將機車不斷改進，于1829年創造了"火箭"號機車，該機車

蒸汽

拖帶一節載有30位乘客的車廂，時速達46公里/時，引起了各國的重視，開創

了鐵路時代。

19世紀末，隨著電力應用的興起，曾一度作為電站中的主要動

蒸汽機

力機械。1900年，美國紐約曾有單機功率達五兆瓦的電站。

蒸汽機

的發展在20世紀初達到了頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆

蒸汽機

轉、運行可靠、制造和維修方便等優點，因此曾被廣泛用于電站、工廠、機車

和

船舶等各個領域中，特別在軍艦上成了當時唯一的原動機。

按在活塞一側或兩側工作，可分為單作用和雙作用式；按

蒸汽機蒸汽

汽缸布置方式，可分為立和臥式；按是在一個汽缸中膨脹或依次連續在多

蒸汽

個

汽缸中膨脹，可分為單脹式和多脹式；按在汽缸中的流向，可分

蒸汽

為回流式和單流式；按排汽方式和排汽壓力可分為凝汽式、大氣式和背壓式。

簡單主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機構、滑閥配汽機構、

蒸汽機

調速機構和飛輪等部分組成，汽缸和底座是靜止部分。從鍋爐來的新，經

蒸汽

主

汽閥和節流閥進入滑閥室，受滑閥控制交替地進入汽缸的左側或右側，

推動活塞運動。

的發展首先體現在功率和效率的提高，而這又主要取決于

蒸汽機蒸汽

參數的提高。初期的壓力僅為0.11～0.13兆帕，19世紀初才達到

蒸汽機蒸汽

0.35

～0.7兆帕，20世紀20年代曾用到6～10兆帕。在溫度上，19

蒸汽

世紀末還不超過250℃，而到20世紀30年代曾用到450～480℃。

至于效率，瓦特初期連續運轉的，按燃料熱值計總效率不超過

蒸汽機

3％；到1840年，最好的凝汽式總效率可達8％；到20世紀，最

蒸汽機蒸汽機

高效

率可達到20％以上。

在轉速方面，18世紀末瓦特僅40～50轉/分；20世紀初轉速達

蒸汽機

到100～300轉/分，個別曾達到2500轉/分。在功率方面，最初單機功

蒸汽機

率僅

幾馬力，20世紀初的一臺船用的功率可達25000馬力。

蒸汽機

隨著參數和功率的提高，已不可能在一個汽缸中繼續膨脹，

蒸汽蒸汽

還必須在相連接的汽缸中繼續膨脹，于是出現了多級膨脹的。因

蒸汽機蒸汽機

受

到潤滑油閃點的限制，所用的最高溫度一般都不超過400℃，機

蒸汽

車，船用等移動式還略低一些，多數不高于350℃。考慮到膨脹的可能

蒸汽機

性和

結構的經濟性，常用壓力在2.5兆帕以下。參數受到限制，從而

蒸汽

也限制了功率的進一步提高。

蒸汽機

的出現和改進促進了社會經濟的發展，但同時經濟的發展反過

蒸汽機

來又向提出了更高的要求，如要求功率大、效率高、重量輕、尺

蒸汽機蒸汽機

寸

小等。盡管人們對作過許多改進，不斷擴大它的使用范圍和改

蒸汽機

善它的性能，但是隨著汽輪機和內燃機的發展，因存在不可克服的弱點

蒸汽機

而

逐漸衰落。

的弱點是：離不開鍋爐，整個裝置既笨重又龐大；新的壓

蒸汽機蒸汽

力和溫度不能過高，排氣壓力不能過低，熱效率難以提高；它是一種往復式機

器，

慣性力限制了轉速的提高；工作過程是不連續的，的流量受到限

蒸汽

制，也就限制了功率的提高。

因此，拋棄了笨重鍋爐的內燃機，最終以其重量輕，體積小、熱效率

高和操作靈活等優點，在船舶和機車上逐漸取代了。汽輪機則以其熱效

接著電動機又以其使用方便，代替了在工業設備中的應用。然

蒸汽機

而小功率熱效率比汽輪機高，所以在產煤區或只有劣質燃料的地區或某

蒸汽機

些

特殊場合，仍有發揮作用的余地。

蒸汽機

有很大的歷史作用，它曾推動了機械工業甚至社會的發展。隨

蒸汽機

著它的發展而建立的熱力學和機構學為汽輪機和內燃機的發展奠定了基礎；汽

輪

機繼承了以為工質的特點，和采用凝汽器以降低排汽壓力

蒸汽機蒸汽

的優點，摒棄了往復運動和間斷進汽的缺點；內燃機繼承了的基本結構

蒸汽機

和

傳動形式，采用了將燃油直接輸入汽缸內燃燒的方式，形成了熱效率

高得多的熱力循環；同時，所采用的汽缸、活塞、飛輪、飛錘調速器，