蒸汽机、内燃机、喷气式发动机工作原理江古

蒸汽机、内燃机、喷气式发动机工作原

理江古

蒸汽机、内燃机、喷气式发动机工作原理

000

蒸汽机

是将的能量转换为机械功的往复式动力机械。的出

蒸汽机蒸汽蒸汽机

现曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原

动机，

后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。

16世纪末到17世纪后期，英国的采矿业，特别是煤矿，已发展到相

当的规模，单靠人力、畜力已难以满足排除矿井地下水的要求，而现场又有丰

富而廉

价的煤作为燃料。现实的需要促使许多人，如英国的帕潘、萨弗里、

纽科门等就致力于"以火力提水"的探索和试验。

萨弗里制成的世界上第一台实用的提水机，在1698年取得标名为

蒸汽

"矿工之友"的英国专利。他将一个蛋形容器先充满，然后关闭进汽阀，在

蒸汽

容

器外喷淋冷水使容器内冷凝而形成真空。打开进水阀，矿井底的

蒸汽

水受大气压力作用经进水管吸入容器中；关闭进水阀，重开进汽阀，靠压

蒸汽

力将

容器中的水经排水阀压出。待容器中的水被排空而充满时，关闭

蒸汽

进汽阀和排水阀，重新喷水使冷凝。如此反复循环，用两个蛋形容器交替

蒸汽

工作，可连续排水。

萨弗里的提水机依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超过六米。为了

从几十米深的矿井汲水，须将提水机装在矿井深处，用较高的压力才能将

蒸汽

水压

到地面上，这在当时无疑是困难而又危险的。

纽科门及其助手卡利在1705年发明了大气式，用以驱动独立的

蒸汽机

提水泵，被称为纽科门大气式。这种先在英国，后来在欧洲大陆

蒸汽机蒸汽机

得到

迅速推广，它的改型产品直到19世纪初还在制造。纽科门大气式

蒸汽

机蒸汽

的热效率很低，这主要是由于进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上

冷凝

而损失掉大量热量，只在煤价低廉的产煤区才得到推广。

1764年，英国的仪器修理工瓦特为格拉斯哥大学修理纽科门模

蒸汽机

型时，注意到了这一缺点，并于1765年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的

蒸

汽

机，并于1769年取得了英国的专利。初期的瓦特仍用平衡杠杆

蒸汽机

和拉杆机构来驱动提水泵，为了从凝汽器中抽除凝结水和空气，瓦特装设了抽

气

泵。他还在汽缸外壁加装夹层，用加热汽缸壁，以减少冷凝损失。

蒸汽

1782年前后，瓦特将机器进一步改进，完成了两项重要发明：在活寒

工作行程的中途，关闭进汽阀，使膨胀作功以提高热效率；使在活塞

蒸汽蒸汽

两

面都作功(双作用式)，以提高输出功率。这时的活塞既要向下拉动杠

杆又要向上推动杠杆，扇形平衡杠杆和拉链已不再适用，瓦特使发明了平行四

边

形机构。瓦特还于18世纪末将曲柄连杆机构用在上。

蒸汽机

瓦特的创造性工作使迅速地发展，他使原来只能提水的机械，

蒸汽机

成为了可以普遍应用的，并使的热效率成倍提高，煤耗大大下降。

蒸汽机蒸汽机

因此瓦特是最主要的发明人。

蒸汽机

自18世纪晚期起，不仅在采矿业中得到广泛应用，在冶炼、纺

蒸汽机

织、机器制造等行业中也都获得迅速推广。它使英国的纺织品产量在20多年内

(

从1766年到1789年)增长了5倍，为市场提供了大量消费商品，加速

了资金的积累，并对运输业提出了迫切要求。

在船舶上采用作为推进动力的实验始于1776年,经过不断改进，

蒸汽机

至1807年，美国的富尔顿制成了第一艘实用的明轮推进的"克莱蒙脱"

蒸汽机船

号。此后，在船舶上作为推进动力历百余年之久。

蒸汽机

1801年，英国的特里维西克提出了可移动的的概念，1803年，

蒸汽机

这种利用轨道的可移动首先在煤矿区出现，这就是机车的雏型。英国的

蒸汽机

斯

蒂芬森将机车不断改进，于1829年创造了"火箭"号机车，该机车

蒸汽

拖带一节载有30位乘客的车厢，时速达46公里/时，引起了各国的重视，开创

了铁路时代。

19世纪末，随着电力应用的兴起，曾一度作为电站中的主要动

蒸汽机

力机械。1900年，美国纽约曾有单机功率达五兆瓦的电站。

蒸汽机

的发展在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆

蒸汽机

转、运行可靠、制造和维修方便等优点，因此曾被广泛用于电站、工厂、机车

和

船舶等各个领域中，特别在军舰上成了当时唯一的原动机。

按在活塞一侧或两侧工作，可分为单作用和双作用式；按

蒸汽机蒸汽

汽缸布置方式，可分为立和卧式；按是在一个汽缸中膨胀或依次连续在多

蒸汽

个

汽缸中膨胀，可分为单胀式和多胀式；按在汽缸中的流向，可分

蒸汽

为回流式和单流式；按排汽方式和排汽压力可分为凝汽式、大气式和背压式。

简单主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、

蒸汽机

调速机构和飞轮等部分组成，汽缸和底座是静止部分。从锅炉来的新，经

蒸汽

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。

的发展首先体现在功率和效率的提高，而这又主要取决于

蒸汽机蒸汽

参数的提高。初期的压力仅为0.11～0.13兆帕，19世纪初才达到

蒸汽机蒸汽

0.35

～0.7兆帕，20世纪20年代曾用到6～10兆帕。在温度上，19

蒸汽

世纪末还不超过250℃，而到20世纪30年代曾用到450～480℃。

至于效率，瓦特初期连续运转的，按燃料热值计总效率不超过

蒸汽机

3％；到1840年，最好的凝汽式总效率可达8％；到20世纪，最

蒸汽机蒸汽机

高效

率可达到20％以上。

在转速方面，18世纪末瓦特仅40～50转/分；20世纪初转速达

蒸汽机

到100～300转/分，个别曾达到2500转/分。在功率方面，最初单机功

蒸汽机

率仅

几马力，20世纪初的一台船用的功率可达25000马力。

蒸汽机

随着参数和功率的提高，已不可能在一个汽缸中继续膨胀，

蒸汽蒸汽

还必须在相连接的汽缸中继续膨胀，于是出现了多级膨胀的。因

蒸汽机蒸汽机

受

到润滑油闪点的限制，所用的最高温度一般都不超过400℃，机

蒸汽

车，船用等移动式还略低一些，多数不高于350℃。考虑到膨胀的可能

蒸汽机

性和

结构的经济性，常用压力在2.5兆帕以下。参数受到限制，从而

蒸汽

也限制了功率的进一步提高。

蒸汽机

的出现和改进促进了社会经济的发展，但同时经济的发展反过

蒸汽机

来又向提出了更高的要求，如要求功率大、效率高、重量轻、尺

蒸汽机蒸汽机

寸

小等。尽管人们对作过许多改进，不断扩大它的使用范围和改

蒸汽机

善它的性能，但是随着汽轮机和内燃机的发展，因存在不可克服的弱点

蒸汽机

而

逐渐衰落。

的弱点是：离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新的压

蒸汽机蒸汽

力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机

器，

惯性力限制了转速的提高；工作过程是不连续的，的流量受到限

蒸汽

制，也就限制了功率的提高。

因此，抛弃了笨重锅炉的内燃机，最终以其重量轻，体积小、热效率

高和操作灵活等优点，在船舶和机车上逐渐取代了。汽轮机则以其热效

接着电动机又以其使用方便，代替了在工业设备中的应用。然

蒸汽机

而小功率热效率比汽轮机高，所以在产煤区或只有劣质燃料的地区或某

蒸汽机

些

特殊场合，仍有发挥作用的余地。

蒸汽机

有很大的历史作用，它曾推动了机械工业甚至社会的发展。随

蒸汽机

着它的发展而建立的热力学和机构学为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础；汽

轮

机继承了以为工质的特点，和采用凝汽器以降低排汽压力

蒸汽机蒸汽

的优点，摒弃了往复运动和间断进汽的缺点；内燃机继承了的基本结构

蒸汽机

和

传动形式，采用了将燃油直接输入汽缸内燃烧的方式，形成了热效率

高得多的热力循环；同时，所采用的汽缸、活塞、飞轮、飞锤调速器，