蒸汽机
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蒸汽机是一个能够将蒸汽中的動能转换为功的热机。泵、火車頭和轮船曾使用蒸汽机驱动。蒸汽机在工业革命中起了基本的作用。今天人们还使用蒸汽渦輪發動機来发电。
蒸汽机需要一个使水沸腾产生高压蒸汽的锅炉，这个锅炉可以使用木头、煤、石油或天然气甚至垃圾作为热源。蒸汽膨胀推动活塞做功。
目录 |
发明 [编辑]
世界上第一台蒸汽机是由古希臘數學家亚历山大港的希罗于1世纪发明的汽轉球，但它只不过是个玩具而已。 约1679年法国物理学家丹尼斯·巴本在观察蒸汽冒出他的高压锅后制造了第一台蒸汽机的工作模型。约与此同时萨缪尔·莫兰也提出了蒸汽机的主意。1698年托马斯·塞维利、1712年托马斯·纽科门和1769年詹姆斯·瓦特改良出早期的工业蒸汽机，他们对蒸汽机的发展都做出了自己的贡献。1807年罗伯特·富尔顿第一个成功地用蒸汽机来驱动轮船。
使用和发展 [编辑]
早期的蒸汽机使用蒸汽凝结时产生的真空来做功能，后来的则使用蒸汽膨胀来做功能。
最初的真空蒸汽机被用来将矿井里的水抽出来。纽科门的蒸汽机将蒸汽引入气缸后阀门被关闭，然后冷水被撒入汽缸，蒸汽凝结时造成真空。活塞另一面的空气压力推动活塞。在矿井中联结一根深入竖井的杆来驱动一个泵。蒸汽机活塞的运动通过这根杆传到泵的活塞来将水抽到井外。
第一个巨大的改善是将气缸与凝结缸通过一个阀门分开。瓦特在伯明翰发明了这个改进。这个改进提高了蒸汽机的效率。下一个改进是将阀门的操作自动化。
这些早期的真空蒸汽机的效率有限，但它们比较安全，因为它们的压力比较低，在物质发生损坏的情况下机器向内收缩，而不是向外爆炸。它们的效率受外部气压、气缸变形、燃烧和沸腾的效率和凝结能力的限制。理论最高效率受水在普通大气压下比较低的沸腾温度限制。使用高温高压的蒸汽为蒸汽机的效率带来了巨大的提高。但这种蒸汽机比真空蒸汽机危险得多。锅炉和机器的爆炸造成了许多大事故。安全阀在这里带来了很大的改进，在压力过高的情况下安全阀放气减压。但真正保证安全只有依靠建造、运行和维护的经验和安全规则。
技术 [编辑]
锅炉 [编辑]
锅炉分两种：
- 火管造型被用在早期的船只和蒸汽机车的锅炉中。在火管式锅炉中，从燃烧室出来的热烟通过烟道由烟囱排出。这种锅炉需要一个比较高的烟囱。
- 水管造型的水由热气通过多个管道加热。这些管道在交换器的顶部流入一个蒸汽集合腔。水管锅炉的一个重要优点是它在破坏时造成的危险比较小，原因是因为锅炉里的水的量比较小，此外锅炉里没有多少会被磨损的运动的机械组成部分，一些水管锅炉在排烟道上还有一个热交换器来提高整个锅炉的热效率。
引擎 [编辑]
往复式 [编辑]
双动 [编辑]
带压蒸汽技术被发明后下一个重要的改进是使用双动活塞，带压蒸汽在一个汽缸压力降低到普通大气压或在其凝结过程中可以推动另一个汽缸。大多数往复式引擎今天使用这个技术。汽缸完全封闭来防止蒸汽逃散。一根滑杆通过一根摇臂轴和曲壁将往复运动转换为旋转运动。另一个曲壁和轴承用来控制阀门。
假如两个双动活塞同时被使用时，一般它们的曲壁的相正好差90度，这样一个引擎在任何时候都做功。
多胀式蒸汽机 [编辑]
红色是从锅炉引过来的高温蒸汽，依次通过三个汽缸做功后，进入冷凝器。
另一种蒸汽机由多个直径不断增大的单动汽缸组成。一般由三个汽缸组成。称为三胀式蒸汽机。
从锅炉出来的高压蒸汽首先推动第一个和最小的一个活塞（蒸汽首先在高压气缸做功）。当这个活塞开始回退时一部分扩张的蒸气被驱入第二个汽缸推动它的活塞（高压缸排出的蒸汽在中压气缸继续做功），这样继续使用在第一个汽缸膨胀的蒸汽。第三个汽缸则使用在第二个汽缸中膨胀的蒸汽（中压缸排出的蒸汽在低压气缸继续做功）。这些分级做功的方式是为了更加有效的利用蒸汽的内能。
有时人们也使用两个面积总和与最大的那个活塞的面积相同的小一些的活塞来取代最大的那个活塞，这样的引擎可以四步工作，比较平稳。
这种蒸汽机尤其对海上的轮船非常重要，因为它的蒸汽在做功的过程中不断减压后可以重新进入锅炉加热。海上的轮船必须节约用水，因为它可能很长时间无法补充水，而陆上的蒸汽机则可以不断加水。一直到第二次世界大战大多数商船都使用这种蒸汽机。1905年以前所有的战舰也使用这种蒸汽机。缺点是它的效率稍低。
单流蒸汽机 [编辑]
另一种往复式蒸汽机是单流蒸汽机。在这些蒸汽机中阀门由凸轮来控制。汽缸容积最小时入汽阀门打开。然后入汽阀门关闭，蒸汽膨胀。汽缸容积最大时汽缸侧面的排气阀门打开。这些排气口与凝结腔相连，它们使汽缸内的压力降低到大气压以下。轴承的惯性使活塞重新向上运动。单流蒸汽机总是组成蒸汽机组一起运行。单流蒸汽机入气口和出气口的温度恒定，不像其它蒸汽机那样不断变化。
汽轮机 [编辑]
高压汽轮机由一系列带有螺旋桨式的桨叶的转盘组成。这些旋轮与不动的定轮交替，定轮的作用是导引气流的方向。这样的蒸汽机比往复蒸汽机要平稳。
旋转式 [编辑]
旋转蒸汽机是一种比较新的蒸汽机设计。
一、1883年瑞典工程师拉瓦尔设计制造出了第一台单级冲动式汽轮机，随后在1884年英国工程师帕森斯设计制造了第一台单级反动式汽轮机，虽然当时的汽轮机和我们现在的汽轮机相比结构非常简单，但是从此推动了汽轮机在世界范围内的应用，被广泛应用在电站、航海和大型工业中。
二、在60年代，世界工业发达的国家生产的汽轮机已经达到500—600MW等级水平。1972年瑞士BBC公司制造的1300MW双轴全速汽轮机在美国投入运行，设计参数达到24Mpa，蒸汽温度538°C，3600rpm；1974年西德KWU公司制造的1300MW单轴半速（1500 rpm）饱和蒸汽参数汽轮机投入运行，；1982年世界上最大的1200MW单轴全速汽轮机在前苏联投入运行，压力24 Mpa，蒸汽温度540°C。
三、目前世界各国都在研究大容量、高参数汽轮机的研究和开发，如俄罗斯正在研究2000MW汽轮机。主要是大容量汽轮机有如下特点：
- 降低单位功率投资成本。如800MW机组比500MW汽轮机的千瓦造价低17%；1200MW机组比800MW机组的千瓦造价低15%—20%。
- 提高运行经济性。如法国的600MW机组比国产的125MW机组的热耗率低276kj/kW.h，每年可节约燃煤4万吨。
- 加快电网建设速度，满足经济发展需要。
- 提高电网的调峰能力。
四、汽轮机按照工作原理分为冲动式汽轮机和反动式汽轮机。汽轮机是一种以蒸汽为动力，并将蒸气的热能转化为机械功的旋转机械，是现代火力发电厂中应用最广泛的原动机。汽轮机具有单机功率大、效率高、寿命长等优点。
- 冲动式汽轮机蒸汽主要在静叶中膨胀，在动叶中只有少量的膨胀。
- 反动式汽轮机蒸汽在静叶和动叶中膨胀，而且膨胀程度相同。
由于反动级不能作成部分进汽，因此第一级调节级通常采用单列冲动级或双列速度级。如中国引进美国西屋（WH）技术生产的300MW、600MW机组。 目前世界上生产冲动式汽轮机的企业有：美国通用公司（GE）、英国通用公司（GEC）、日本的东芝（TOSHIBA）和日立、俄罗斯的列宁格勒金属工厂等。制造反动式汽轮机的有美国西屋公司（WH）、日本三菱、英国帕森斯公司、法国电器机械公司（CMR）等，德国（SIEMENS）。 冲动式汽轮机为隔板型，如中国产的300MW高中压合缸汽轮机；反动式汽轮机为转鼓型（或筒型），如中国上海汽轮机厂引进的300MW、600MW汽轮机。
五、汽轮机按照蒸汽参数（压力和温度）分为：
- 低压汽轮机：主蒸汽压力小于1.47Mpa；
- 中压汽轮机：主蒸汽压力在1.96—3.92Mpa；
- 高压汽轮机：主蒸汽压力在5.88—9.8Mpa；
- 超高压汽轮机：主蒸汽压力在11.77—13.93Mpa；
- 亚临界压力汽轮机：主蒸汽压力在15.69—17.65Mpa；
- 超临界压力汽轮机：主蒸汽压力大于22.15Mpa；
- 超超临界压力汽轮机：主蒸汽压力大于32Mpa；
六、由于冶金技术的不断发展，使得汽轮机结构也有了很大改进。目前的大机组普遍采用了高中压合缸的双层结构，高中压转子采用一根转子结构，高、中、低压转子全部采用整锻结构，轴承较多地采用了可倾瓦结构。目前各国都在进行大容量、高参数机组的开发和设计，如俄罗斯正在开发的2000MW汽轮机。日本正在开发一种新的合金材料，将使高中、低压转子一体化成为可能。
蒸汽机驱动的运输工具 [编辑]
1769年尼古拉·约瑟夫·居纽首次用他的“蒸汽车”展示了自动的蒸汽车的可行性。这辆车可以说是第一辆汽车。这辆车作为运输工具不太有用，但用来拖农具却很不错。
一直到20世纪初蒸汽机汽车依然可以与其它驱动方式的汽车抗衡。今天大多数汽车是用内燃机驱动的。蒸汽机汽车最大的缺点是它至少需要30秒钟时间来获得足够的压力。
世界上第一列蒸汽机火车是1804年2月21日理查德·特拉维斯克在威尔士展示的。
优点 [编辑]
现代蒸汽机的最大的优点是它几乎可以利用所有的燃料将热能转化为机械能。不像内燃机那样对其燃料很挑剔。此外没有蒸汽机的话原子能无法被使用。原子反应堆既不直接产生机械能，又不直接产生电能，原子反应堆实际上只是加热水，这个水被沸腾后的蒸汽通过蒸汽机来转化为有用的功。蒸汽不一定需要通过燃烧来产生，比如使用太阳能聚热器也可以产生蒸汽推动蒸汽机。
另一种有类似优点的小巧的外燃机是斯特林发动机。其缺点是它在许多情况下难以运行。现代的混合动力汽车就是为了弥补这个缺点而设计的。
尤其在高山上蒸汽机机车的优点显著，因为它们也可以在比较低的气压下运行。当南美洲将用柴油-电力机车取代它们的蒸汽机车后这一点就被发现了。在高山上他们不得不使用功率比较高的柴油机车。
在瑞士和奥地利新的齿轨铁路使用现代的蒸汽机，这些蒸汽机只需要一个人来运行，比起过去的蒸汽机它节省60%的燃料，比起电力机和柴油机它轻50%，因此对齿轨的磨损小得多。在日内瓦湖上也有一艘新的蒸汽机船，它是世界上第一艘遥控的蒸汽机船。
效率 [编辑]
显然任何纯的热机的效率无法超过卡诺循环的效率。而卡诺循环的效率与循环中的温差有关。因此蒸汽机的蒸汽温度越高，而其做功后蒸汽温度越低，它的效率就越高。
实际上一个将使用后的蒸汽直接排入大气的蒸汽机（包括锅炉）的效率可以达到5%，加上冷凝器效率可以提高到25%或更好。一个使用废气加热的发电站可以达到30%的效率。首先让燃气推动一个燃气轮机后再进入锅炉的装置可以达到60%的效率。热电联产装置利用余热供暖，综合热效率可达90%。
降级效率的原因之一是冷凝器的温度比周围温度高。通过使用热交换器使用余热来预热空气可以降低这个损失。
蒸汽机不一定需要蒸汽来操作，任何高压气可以用来操作蒸汽机。有时人们用高压气来操作小的模型来测试一个新型式的可行性。
