蒸汽機

蒸汽機

蒸汽機是將蒸汽的能量轉換為機械功的往復式動力機械。蒸汽機的出現曾引起了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,後來才逐漸讓位于內燃機汽輪機等。

蒸汽機需要一個使水沸騰產生高壓蒸汽的鍋爐,這個鍋爐可以使用木頭、煤、石油天然氣甚至垃圾作為熱源。蒸汽膨脹推動活塞做功。

  • 中文名稱
    蒸汽機
  • 原理
    將蒸汽的能量轉換為機械功
  • 發明人
    希羅
  • 發明時間
    1世紀

發明歷史

世界上第一台蒸汽機是由古希臘數學亞歷山大港的希羅(Hero of Alexandria)于1世紀發明的汽轉球(Aeolipile),是蒸汽機的雛形。

約1679年法國物理學家丹尼斯·巴本在觀察蒸汽逃離他的高壓鍋後製造了第一台蒸汽機的工作模型。約與此同時薩繆爾·莫蘭也提出了蒸汽機的主意。

詹姆斯·瓦特(James Watt).詹姆斯·瓦特(James Watt).

1698年托馬斯·塞維利、1712年托馬斯·紐科門和1769年詹姆斯·瓦特製造了早期的工業蒸汽機,他們對蒸汽機的發展都做出了自己的貢獻。1807年羅伯特·富爾頓第一個成功地用蒸汽機來驅動輪船。瓦特運用科學理論,逐漸發現了這種蒸汽機的毛病所在。從1765年到1790年,他進行了一系列發明,比如分離式冷凝器、汽缸外設定絕熱層、用油潤滑活塞、行星式齒輪、平行運動連桿機構、離心式調速器、節氣閥、壓力計等等,使蒸汽機的效率提高到原來紐科門機的3倍多,最終發明出了現代意義上的蒸汽機。

16世紀末到17世紀後期,英國的採礦業,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、薩弗裏、紐科門等就致力于"以火力提水"的探索和試驗。

最初的真空蒸汽機被用來將礦井裏的水抽出來。紐科門的蒸汽機將蒸汽引入氣缸後閥門被關閉,然後冷水被撒入汽缸,蒸汽凝結時造成真空。活塞另一面的空氣壓力推動活塞。在礦井中聯結一根深入豎井的桿來驅動一個泵。蒸汽機活塞的運動通過這根桿傳到泵的活塞來將水抽到井外。

第一個巨大的改善是將氣缸與凝結缸通過一個閥門分開。瓦特在伯明翰發明了這個改進。這個改進提高了蒸汽機的效率。下一個改進是將閥門的操作自動化。

這些早期的真空蒸汽機的效率有限,但它們比較安全,因為它們的壓力比較低,在物質發生損壞的情況下機器向內收縮,而不是向外爆炸。它們的效率受外部氣壓、氣缸變形、燃燒和沸騰的效率和凝結能力的限製。理論最高效率受水在普通大氣壓下比較低的沸騰溫度限製。使用高溫高壓的蒸汽為蒸汽機的效率帶來了巨大的提高。但這種蒸汽機比真空蒸汽機危險得多。鍋爐和機器的爆炸造成了許多大事故。安全閥在這裏帶來了很大的改進,在壓力過高的情況下安全閥放氣減壓。但真正保證安全隻有依靠建造、運行和維護的經驗和安全規則。

薩弗裏製成的世界上第一台實用的蒸汽提水機,在1698年取得標名為"礦工之友"的英國專利。他將一個蛋形容器先充滿蒸汽,然後關閉進汽閥,在容器外噴淋冷水使容器內蒸汽冷凝而形成真空。開啟進水閥,礦井底的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,靠蒸汽壓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蒸汽時,關閉進汽閥和排水閥,重新噴水使蒸汽冷凝。如此反復迴圈,用兩個蛋形容器交替工作,可連續排水。

薩弗裏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,用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地面上,這在當時無疑是困難而又危險的。

紐可門及其助手卡利在1705年發明了大氣式蒸汽機,用以驅動獨立的提水泵,被稱為紐科門大氣式蒸汽機。這種蒸汽機先在英國,後來在歐洲大陸得到迅速推廣,它的改型產品直到19世紀初還在製造。紐科門大氣式蒸汽機的熱效率很低,這主要是由于蒸汽進入汽缸時,在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量,隻在煤價低廉的產煤區才得到推廣。1764年,英國的儀器修理工詹姆斯·瓦特格拉斯哥大學修理紐可門蒸汽機模型時,註意到了這一缺點,並于1765年發明了設有與汽缸壁分開的凝汽器的蒸汽機,並于1769年取得了英國的專利。初期的瓦特蒸汽機仍用平衡杠桿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,用蒸汽加熱汽缸壁,以減少冷凝損失。

蒸汽機火車頭蒸汽機火車頭

瓦特的創造性工作使蒸汽機迅速地發展,他使原來隻能提水的機械,成為了可以普遍套用的蒸汽機,並使蒸汽機的熱效率成倍提高,煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽機的改良者。

自18世紀晚期起,蒸汽機不僅在採礦業中得到廣泛套用,在冶煉、紡織、機器製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)成長了5倍,為市場提供了大量消費商品,加速了資金的積累,並對運輸業提出了迫切要求。

船舶上採用蒸汽機作為推進動力的實驗始于1776年,經過不斷改進,至1807年,美國的富爾頓製成了第一艘實用的明輪推進的蒸汽機船"克萊蒙"號。此後,蒸汽機在船舶上作為推進動力歷百餘年之久。

1800年,英國的特裏維西克設計了可安裝在較大車體上的高壓蒸汽機。1803年,他把它用來推動在一條環形軌道上開動的機車,找來喜歡新奇玩意兒的人乘坐,向他們收費,這就是機車的雛型。英國的史蒂芬孫將機車不斷改進,于1829年創造了"火箭"號蒸汽機車,該機車拖帶一節載有30位乘客的車廂,時速達46公裏/時,引起了各國的重視,開創了鐵路時代。

19世紀末,隨著電力套用的興起,蒸汽機曾一度作為電站中的主要動力機械。1900年,美國紐約曾有單機功率達五兆瓦的蒸汽機電站。

蒸汽機的發展在20世紀初達到了頂峰。它具有恆扭矩、可變速、可逆轉、運行可靠、製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。

需要特別註意的是,許多教科書上(歷史書、物理書)說瓦特是蒸汽機的發明者。這是誤傳。蒸汽機是英國人薩維利(Savery)于1698年、紐可門(Newcomen)于1705年各自獨立發明的,用于礦井抽水。當時效率很低。1765年,瓦特在修理紐可門機的基礎上,對蒸汽機做了重大改進,使冷凝器與汽缸分離,發明曲軸和齒輪傳動以及離心調速器等,使蒸汽機實現了現代化,大大提高了蒸汽機的效率。瓦特的這些發明,仍使用在現代蒸汽機中,為紀念瓦特的貢獻,功率的單位名稱以其姓氏命名。(《物理學(第五版)》)

史蒂芬孫

概述

在陸路交通方面,人們開始研製一種能以蒸汽機推動車輛快速行進的運輸工具。其中,英國的史蒂芬孫(George Stephenson,1781-1848)率先取得了突破性成果。

史蒂芬孫是一位煤礦工人的兒子,從小熟悉礦井裏用來抽水的蒸汽機,後來立志從事交通工具的發明創造。1814年,他研製的第一輛蒸汽機車"布拉策號"(以普魯士將軍布拉策的名字命名,他曾經幫助英國打擊拿破崙軍隊)試運行成功。1825年9月27日,史蒂芬孫親自駕駛他同別人合作設計製造的"旅行者號"蒸汽機車在新鋪設的鐵路上試車,並獲得成功。蒸汽機在交通運輸業中的套用,使人類邁入了"火車時代",迅速的擴大了人類的活動範圍。

史蒂芬遜的蒸汽機車發展史

1814年史蒂芬遜在試運行"布拉策號"機車時,雖然取得了成功,但也暴露出許多問題,如噪音太大,振動強烈,蒸汽機隨時都有爆炸的可能。火車開動時,濃煙滾滾,車輪摩擦鐵軌時火星四濺;坐在車上的人則滿面煙塵,被顛得筋疲力盡。蒸汽機冒出的火焰把附近的樹木都燒焦了,這也許就是當時人們把它稱為"火車"的緣故吧。但是,史蒂芬孫沒有氣餒,而是不斷進行改進。他在車廂下面加裝了減震的彈簧,用熟鐵代替生鐵作鐵軌的材料,在枕木下加鋪了小石子,增加車頭和車廂的車輪數量,把蒸汽機安裝在車頭以減少發生危險時的損害等。到1825年史蒂芬孫試運行"旅行者號"機車時,情況已經有了相當大的改善。"旅行者號"牽引著6節煤車、20節擠滿乘客的車廂,載重達90噸,時速15英裏。這一壯觀場面吸引了眾多的人前來觀看。鐵路兩旁人山人海;還有人騎著馬,打著紅旗走在火車前面開道。隨著火車的一聲鳴叫,它向全世界宣告了鐵路時代的到來。

1829年,史蒂芬孫試製成功了更為先進的"火箭號"機車。

(以上【史蒂芬孫與蒸汽機車】內容來自于北師大版歷史教科書)

發展提高

功效

蒸汽機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參數的提高。初期蒸汽機的蒸汽壓力僅為0.11~0.13兆帕,19世紀初才達到0.35~0.7兆帕,20世紀20年代曾用到6~10兆帕。在蒸汽溫度上,19世紀末還不超過250℃,而到20世紀30年代曾用到450~480℃。

效率

至于效率,瓦特初期連續運轉的蒸汽機,按燃料熱值計總效率不超過3%;到1840年,最好的凝汽式蒸汽機總效率可達8%;到20世紀,蒸汽機最高效率可達到20%以上。

轉速

在轉速方面,18世紀末瓦特蒸汽機僅40~50轉/分;20世紀初轉速達到100~300轉/分,個別蒸汽機曾達到2500轉/分。在功率方面,最初單機功率僅幾馬力,20世紀初的一台船用蒸汽機的功率可達25000馬力。

隨著蒸汽參數和功率的提高,蒸汽已不可能在一個汽缸中繼續膨脹,還必須在相連線的汽缸中繼續膨脹,于是出現了多級膨脹的蒸汽機。蒸汽機因受到潤滑油閃點的限製,所用蒸汽的最高溫度一般都不超過400℃,機車,船用等移動式蒸汽機還略低一些,多數不高于350℃。考慮到膨脹的可能性和結構的經濟性,常用壓力在2.5兆帕以下。蒸汽參數受到限製,從而也限製了蒸汽機功率的進一步提高。

意義

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來又向蒸汽機提出了更高的要求,如要求蒸汽機功率大、效率高、重量輕、尺寸小等。盡管人們對蒸汽機作過許多改進,不斷擴大它的使用範圍和改善它的性能,但是隨著汽輪機和內燃機的發展,蒸汽機因存在不可克服的弱點而逐漸衰落。

構造

蒸汽機主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機構、滑閥配汽機構、調速機構和飛輪等部分組成。汽缸和底座是靜止部分。

蒸汽機結構圖蒸汽機結構圖

在蒸汽鍋爐中,通過燃燒過程水沸騰為蒸汽。通過通路蒸汽被送到汽缸。閥門控製蒸汽到達汽缸的時間,經主汽閥和節流閥進入滑閥室,受滑閥控製交替地進入汽缸的左側或右側,推動活塞運動。蒸汽在汽缸內推動活塞做功,冷卻的蒸汽通過通路被引入冷凝器重新凝結為水。這個過程在蒸汽機運動時不斷重復。

一般的蒸汽機有三個汽缸組成一個組。蒸汽機直接將活塞的上下運動轉化為船軸的旋轉運動。新造的蒸汽機中還包含了一個小的渦輪機,從汽缸中出來的蒸汽還可以利用它的餘熱在推動這個渦輪機來提高整個驅動裝置的效率。這個渦輪機也與船的螺旋漿軸相連。

分類

鍋爐分類

火管造型被用在早期的船隻和蒸汽機車的鍋爐中。在火管式鍋爐中,從燃燒室出來的熱煙通過煙道由煙囪排出。這種鍋爐需要一個比較高的煙囪。

水管造型的水由熱氣通過多個通路加熱。這些通路在交換器的頂部流入一個蒸汽集合腔。水管鍋爐的一個重要優點是它在破壞時造成的危險比較小,原因是因為鍋爐裏的水的量比較小,此外鍋爐裏沒有多少會被磨損的運動的機械組成部分,一些水管鍋爐在排煙道上還有一個熱交換器來提高整個鍋爐的熱效率。

蒸汽機分類

按蒸汽在活塞一側或兩側工作,蒸汽機可分為單作用和雙作用式兩種;

按汽缸布置方式,可分為立式和臥式;按蒸汽是在一個汽缸中膨脹或依次連續在多個汽缸中膨脹,可分為單脹式和多脹式;按蒸汽在汽缸中的流向,可分為回流式和單流式;

按排汽方式和排汽壓力可分為凝汽式、大氣式和背壓式。

引擎附屬檔案

簡介

高壓蒸汽機引擎有多種造型,但最主要的是往復活塞和汽輪機。

往復式

雙動

帶壓蒸汽技術被發明後下一個重要的改進是使用雙動活塞,帶壓蒸汽在一個汽缸壓力降低到普通大氣壓或在其凝結過程中可以推動另一個汽缸。大多數往復式引擎今天使用這個技術。汽缸完全封閉來防止蒸汽逃散。一根滑桿通過一根搖臂軸和曲壁將往復運動轉換為旋轉運動。另一個曲壁和軸承用來控製閥門。

假如兩個雙動活塞同時被使用時,一般它們的曲壁的相正好差90度,這樣一個引擎在任何時候都做功。

多脹式蒸汽機

另一種蒸汽機由多個直徑不斷增大的單動汽缸組成。一般由三個汽缸組成。

從鍋爐出來的高壓蒸汽首先推動第一個和最小的一個活塞。當這個活塞開始回退時一部分擴張的蒸氣被驅入第二個汽缸推動它的活塞,這樣繼續使用在第一個汽缸膨脹的蒸汽。第三個汽缸使用在第二個汽缸中膨脹的蒸汽。

有時人們也使用兩個面積總和與最大的那個活塞的面積相同的小一些的活塞來取代最大的那個活塞,這樣的引擎可以四步工作,比較平穩。

這種蒸汽機尤其對海上的輪船非常重要,因為它的蒸汽在做功的過程中不斷減壓後可以重新進入鍋爐加熱。海上的輪船必須節約用水,因為它可能很長時間無法補充水,而陸上的蒸汽機則可以不斷加水。一直到第二次世界大戰大多數商船都使用這種蒸汽機。1905年以前所有的戰艦也使用這種蒸汽機。缺點是它的效率稍低。

單流蒸汽機

另一種往復式蒸汽機是單流蒸汽機。在這些蒸汽機中閥門由凸輪來控製。汽缸容積最小時入汽閥門開啟。然後入汽閥門關閉,蒸汽膨脹。汽缸容積最大時汽缸側面的排氣閥門開啟。這些排氣口與凝結腔相連,它們使汽缸內的壓力降低到大氣壓以下。軸承的慣性使活塞重新向上運動。單流蒸汽機總是組成蒸汽機組一起運行。單流蒸汽機入氣口和出氣口的溫度恆定,不象其它蒸汽機那樣不斷變化。

汽輪機

高壓汽輪機由一系列帶有螺旋槳式的槳葉的轉盤組成。這些旋輪與不動的定輪交替,定輪的作用是導引氣流的方向。這樣的蒸汽機比往復蒸汽機要平穩。

旋轉式

旋轉蒸汽機是一種比較新的蒸汽機設計。

運輸工具

1769年尼古拉·約瑟夫·居紐首次用他的"蒸汽車"展示了自動的蒸汽車的可行性。這輛車可以說是第一輛汽車。這輛車作為運輸工具不太有用,但用來拖農具卻很不錯。

一直到20世紀初蒸汽機汽車依然可以與其它驅動方式的汽車抗衡。今天大多數汽車是用內燃機驅動的。蒸汽機汽車最大的缺點是它至少需要30秒鍾時間來獲得足夠的壓力。

世界上第一列蒸汽機火車是1804年2月21日理查德·特拉維斯克在威爾士展示的。

優點

現代蒸汽機的最大的優點是它幾乎可以利用所有的燃料將熱能轉化為機械能。不像內燃機那樣,它對其燃料不挑剔。此外沒有蒸汽機的話原子能無法被使用。原子反應堆即不直接產生機械能,又不直接產生電能,原子反應堆實際上隻是加熱水,這個水被沸騰後的蒸汽通過蒸汽機來轉化為有用的功。蒸汽不一定需要通過燃燒來產生,比如使用太陽能聚熱器也可以產生蒸汽推動蒸汽機。

另一種有類似優點的小巧的外燃機是斯特林發動機。其缺點是它在許多情況下難以運行。現代的混合動力汽車就是為了彌補這個缺點而設計的。

尤其在高山上蒸汽機機車的優點顯著,因為它們也可以在比較低的氣壓下運行。當南美洲將用柴油-電力機車取代它們的蒸汽機車後這一點就被發現了。在高山上他們不得不放棄使用功率比較高的柴油機車,取而代之的還是功率雖然不如柴油機車但不受海拔限製的蒸汽機車。

在瑞士和奧地利新的齒軌鐵路使用現代的蒸汽機,這些蒸汽機隻需要一個人來運行,比起過去的蒸汽機它節省60%的燃料,比起電力機和柴油機它輕50%,因此對齒軌的磨損小得多。在日內瓦湖上也有一艘新的蒸汽機船,它是世界上第一艘遙控的蒸汽機船。

缺點

蒸汽機的弱點是:離不開鍋爐,整個裝置既笨重又龐大;新蒸汽的壓力和溫度不能過高,排氣壓力不能過低,熱效率難以提高;它是一種往復式機器,慣性限製了轉速的提高;工作過程是不連續的,蒸汽的流量受到限製,也就限製了功率的提高。

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蒸汽機。汽輪機則以其熱效率高、單機功率大、轉速高、單位功率重量輕和運行平穩等優點,將蒸汽機排擠出了電站。

接著電動機又以其使用方便,代替了蒸汽機在工業設備中的套用。然而小功率蒸汽機熱效率比汽輪機高,所以在產煤區或隻有劣質燃料的地區或某些特殊場合,蒸汽機仍有發揮作用的餘地。

發明過程

1764年,學校請瓦特修理一台紐可門式蒸汽機,在修理的過程中,瓦特熟悉了蒸汽機的構造和原理,並且發現了這種蒸汽機的兩大缺點:活塞動作不連續而且慢;蒸汽利用率低,浪費原料。以後,瓦特開始思考改進的辦法。直到1765年的春天,在一次散步時,瓦特想到,既然紐可門蒸汽機的熱效率低是蒸汽在缸內冷凝造成的,那麽為什麽不能讓蒸汽在缸外冷凝呢?瓦特產生了採用分離冷凝器的最初構想。

在產生這種構想以後,瓦特在同年設計了一種帶有分離冷凝器的蒸汽機。按照設計,冷凝器與汽缸之間有一個調節閥門相連,使他們既能連通又能分開。這樣,既能把做工後的蒸汽引入汽缸外的冷凝器,又可以使汽缸內產生同樣的真空,避免了汽缸在一冷一熱過程中熱量的消耗,據瓦特理論計算,這種新的蒸汽機的熱效率將是紐可門蒸汽機的三倍。從理論上說,瓦特的這種帶有分離器冷凝器的蒸汽機顯然優于紐可門蒸汽機,但是,要把理論上的東西變為實際上的東西,把圖紙上的蒸汽機變為實在的蒸汽機,還要走很長的路。瓦特辛辛苦苦造出了幾台蒸汽機,但效果反而不如紐可門蒸汽機,甚至四處漏氣,無法開動。盡管耗資巨大的試驗使他債台高築,但他沒有在困難面前怯步,繼續進行試驗。當布萊克知道瓦特的奮鬥目標和困難處境時,他把瓦特介紹給了自己一個十分富有的朋友--化工技師羅巴克。當時羅巴克是一個十分富有的企業家,他在蘇格蘭的卡隆開辦了第一座規模較大的煉鐵廠。雖然當時羅巴克已近50歲,但對科學技術的新發明仍然傾註著極大的熱情。他對當時隻有三十來歲的瓦特的新裝置很是贊許,當即與瓦特簽訂契約,贊助瓦特進行新式蒸汽機的試製。

從1766年開始,在三年多的時間裏,瓦特克服了在材料和工藝等各方面的困難,終于在1769年製出了第一台樣機。同年,瓦特因發明冷凝器而獲得他在革新紐可門蒸汽機的過程中的第一項專利。第一台帶有冷凝器的蒸汽機雖然試製成功了,但它同紐可門蒸汽機相比,除了熱效率有顯著提高外,在作為動力機來帶動其他工作機的性能方面仍未取得實質性進展。就是說,瓦特的這種蒸汽機還是無法作為真正的動力機。

歷史作用

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,解決了大機器生產中最關鍵的問題,推動了交通運輸空前的進步。隨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;汽輪機繼承了蒸汽機以蒸汽為工質的特點,和採用凝汽器以降低排汽壓力的優點,摒棄了往復運動和間斷進汽的缺點;內燃機繼承了蒸汽機的基本結構和傳動形式,採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迴圈;同時,蒸汽機所採用的汽缸、活塞、飛輪、飛錘調速器,閥門和密封件等,均是構成多種現代機械的基本元件。

瓦特在改良蒸汽機瓦特在改良蒸汽機

瓦特

工業革命的產生一部分原因是因為蒸汽機的改良(瓦特沒有發明蒸汽機,他隻是改良),而蒸汽機車的產生也是因為蒸汽機的改良以及後人的應有而產生的,當時英國鼓勵發明,並且在人口增加需要增加生產速度之時,便開始有人努力的改進當時的生產設備,瓦特便是其中之一,而瓦特改良蒸汽機導致一系列技術革命引起了從手工勞動向動力機器生產轉變。因此蒸汽機的改良絕對是促成工業革命的原因之一。而蒸汽機車是一種以蒸汽引擎作為動力來源的鐵路機車,因此若沒有蒸汽機的改良便不可能有這項交通工具的誕生。

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