三大動力機是怎樣發(fā)明的

【專家解說】：蒸汽機 世界上第一臺蒸汽機是由古希臘數(shù)學家亞歷山大港的希羅（Hero of Alexandria）于1世紀發(fā)明的汽轉(zhuǎn)球（Aeolipile），不過它只不過是一個玩具而已。 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后制造了第一臺蒸汽機的工作模型。約與此同時薩繆爾·莫蘭也提出了蒸汽機的主意。1698年托馬斯·塞維利、1712年托馬斯·紐科門和1769年詹姆斯·瓦特制造了早期的工業(yè)蒸汽機，他們對蒸汽機的發(fā)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(qū)動輪船。瓦特并不是蒸汽機的發(fā)明者，在他之前，早就出現(xiàn)了蒸汽機，即紐科門蒸汽機，但它的耗煤量大、效率低。瓦特運用科學理論，逐漸發(fā)現(xiàn)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(fā)明，比如分離式冷凝器、汽缸外設置絕熱層、用油潤滑活塞、行星式齒輪、平行運動連桿機構、離心式調(diào)速器、節(jié)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(fā)明出了現(xiàn)代意義上的蒸汽機。 16世紀末到17世紀后期，英國的采礦業(yè)，特別是煤礦，已發(fā)展到相當?shù)囊?guī)模，單靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求，而現(xiàn)場又有豐富而廉價的煤作為燃料?，F(xiàn)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。 最初的真空蒸汽機被用來將礦井里的水抽出來。紐科門的蒸汽機將蒸汽引入氣缸后閥門被關閉，然后冷水被撒入汽缸，蒸汽凝結時造成真空?；钊硪幻娴目諝鈮毫ν苿踊钊?。在礦井中聯(lián)結一根深入豎井的桿來驅(qū)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(fā)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(zhì)發(fā)生損壞的情況下機器向內(nèi)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制。理論最高效率受水在普通大氣壓下比較低的沸騰溫度限制。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。安全閥在這里帶來了很大的改進，在壓力過高的情況下安全閥放氣減壓。但真正保證安全只有依靠建造、運行和維護的經(jīng)驗和安全規(guī)則。 薩弗里制成的世界上第一臺實用的蒸汽提水機，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，然后關閉進汽閥，在容器外噴淋冷水使容器內(nèi)蒸汽冷凝而形成真空。打開進水閥，礦井底的水受大氣壓力作用經(jīng)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(jīng)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。如此反復循環(huán)，用兩個蛋形容器交替工作，可連續(xù)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(fā)明了大氣式蒸汽機，用以驅(qū)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，后來在歐洲大陸得到迅速推廣，它的改型產(chǎn)品直到19世紀初還在制造。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，只在煤價低廉的產(chǎn)煤區(qū)才得到推廣。 1764年，英國的儀器修理工詹姆斯·瓦特為格拉斯哥大學修理紐可門蒸汽機模型時，注意到了這一缺點，并于1765年發(fā)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。初期的瓦特蒸汽機仍用平衡杠桿和拉桿機構來驅(qū)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。 瓦特的創(chuàng)造性工作使蒸汽機迅速地發(fā)展，他使原來只能提水的機械，成為了可以普遍應用的蒸汽機，并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，蒸汽機不僅在采礦業(yè)中得到廣泛應用，在冶煉、紡織、機器制造等行業(yè)中也都獲得迅速推廣。它使英國的紡織品產(chǎn)量在20多年內(nèi)(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(yè)提出了迫切要求。 在船舶上采用蒸汽機作為推進動力的實驗始于1776年,經(jīng)過不斷改進，至1807年，美國的富爾頓制成了第一艘實用的明輪推進的蒸汽機船“克萊蒙”號。此后，蒸汽機在船舶上作為推進動力歷百余年之久。 1800年，英國的特里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(huán)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(chuàng)造了“火箭”號蒸汽機車，該機車拖帶一節(jié)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(chuàng)了鐵路時代。 19世紀末，隨著電力應用的興起，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(fā)展在20世紀初達到了頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆轉(zhuǎn)、運行可靠、制造和維修方便等優(yōu)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。 需要特別注意的是，許多教科書上（歷史書、物理書）說瓦特是蒸汽機的發(fā)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(fā)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(fā)明曲軸和齒輪傳動以及離心調(diào)速器等，使蒸汽機實現(xiàn)了現(xiàn)代化，大大提高了蒸汽機的效率。瓦特的這些發(fā)明，仍使用在現(xiàn)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。 內(nèi)燃機 19世紀中期，科學家完善了通過燃燒煤氣，汽油和柴油等產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)化機械動力的理論。這為內(nèi)燃機的發(fā)明奠定了基礎。活塞式內(nèi)燃機自19世紀60年代問世以來，經(jīng)過不斷改進和發(fā)展，已是比較完善的機械。它熱效率高、功率和轉(zhuǎn)速范圍寬、配套方便、機動性好，所以獲得了廣泛的應用。全世界各種類型的汽車、拖拉機、農(nóng)業(yè)機械、工程機械、小型移動電站和戰(zhàn)車等都以內(nèi)燃機為動力。海上商船、內(nèi)河船舶和常規(guī)艦艇，以及某些小型飛機也都由內(nèi)燃機來推進。世界上內(nèi)燃機的保有量在動力機械中居首位，它在人類活動中占有非常重要的地位。 活塞式內(nèi)燃機起源于用火藥爆炸獲取動力，但因火藥燃燒難以控制而未獲成功。1794年，英國人斯特里特提出從燃料的燃燒中獲取動力，并且第一次提出了燃料與空氣混合的概念。1833年，英國人賴特提出了直接利用燃燒壓力推動活塞作功的設計。 之后人們又提出過各種各樣的內(nèi)燃機方案，但在十九世紀中葉以前均未付諸實用。直到1860年，法國的勒努瓦模仿蒸汽機的結構，設計制造出第一臺實用的煤氣機。這是一種無壓縮、電點火、使用照明煤氣的內(nèi)燃機。勒努瓦首先在內(nèi)燃機中采用了彈力活塞環(huán)。這臺煤氣機的熱效率為4%左右。 英國的巴尼特曾提倡將可燃混合氣在點火之前進行壓縮，隨后又有人著文論述對可燃混合氣進行壓縮的重要作用，并且指出壓縮可以大大提高勒努瓦內(nèi)燃機的效率。1862年，法國科學家羅沙對內(nèi)燃機熱力過程進行理論分析之后，提出提高內(nèi)燃機效率的要求，這就是最早的四沖程工作循環(huán)。 1876年，德國發(fā)明家奧托（Otto）運用羅沙的原理，創(chuàng)制成功第一臺往復活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦(4.4馬力)的四沖程內(nèi)燃機，仍以煤氣為燃料，采用火焰點火，轉(zhuǎn)速為156.7轉(zhuǎn)/分，壓縮比為2.66，熱效率達到14%，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在當時，無論是功率還是熱效率，它都是最高的。 奧托內(nèi)燃機獲得推廣，性能也在提高。1880年單機功率達到11～15千瓦(15～20馬力)，到1893年又提高到150千瓦。由于壓縮比的提高，熱效率也隨之增高，1886年熱效率為15.5%，1897年已高達20～26%。1881年，英國工程師克拉克研制成功第一臺二沖程的煤氣機，并在巴黎博覽會上展出。 隨著石油的開發(fā)，比煤氣易于運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意，首先獲得試用的是易于揮發(fā)的汽油。1883年，德國的戴姆勒（Daimler）創(chuàng)制成功第一臺立式汽油機，它的特點是輕型和高速。當時其他內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速不超過200轉(zhuǎn)/分，它卻一躍而達到800轉(zhuǎn)/分，特別適應交通動輸機械的要求。1885～1886年，汽油機作為汽車動力運行成功，大大推動了汽車的發(fā)展。同時，汽車的發(fā)展又促進了汽油機的改進和提高。不久汽油機又用作了小船的動力。 1892年，德國工程師狄塞爾（Diesel）受面粉廠粉塵爆炸的啟發(fā)，設想將吸入氣缸的空氣高度壓縮，使其溫度超過燃料的自燃溫度，再用高壓空氣將燃料吹入氣缸，使之著火燃燒。他首創(chuàng)的壓縮點火式內(nèi)燃機(柴油機)于1897年研制成功，為內(nèi)燃機的發(fā)展開拓了新途徑。 狄塞爾開始力圖使內(nèi)燃機實現(xiàn)卡諾循環(huán)，以求獲得最高的熱效率，但實際上做到的是近似的等壓燃燒，其熱效率達26%。壓縮點火式內(nèi)燃機的問世，引起了世界機械業(yè)的極大興趣，壓縮點火式內(nèi)燃機也以發(fā)明者而命名為狄塞爾引擎。 這種內(nèi)燃機以后大多用柴油為燃料，故又稱為柴油機。1898年，柴油機首先用于固定式發(fā)電機組，1903年用作商船動力，1904年裝于艦艇，1913年第一臺以柴油機為動力的內(nèi)燃機車制成，1920年左右開始用于汽車和農(nóng)業(yè)機械。 早在往復活塞式內(nèi)燃機誕生以前，人們就曾致力于創(chuàng)造旋轉(zhuǎn)活塞式的內(nèi)燃機，但均未獲成功。直到1954年，聯(lián)邦德國工程師汪克爾（Wankel）解決了密封問題后，才于1957年研制出旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機，被稱為汪克爾發(fā)動機。它具有近似三角形的旋轉(zhuǎn)活塞，在特定型面的氣缸內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運動，按奧托循環(huán)工作。這種發(fā)動機功率高、體積小、振動小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結構簡單、維修方便，但由于它燃料經(jīng)濟性較差、低速扭矩低、排氣性能不理想，所以還只是在個別型號的轎車上得到采用。 汽輪機 公元1世紀，亞歷山大的希羅記述的利用蒸汽反作用力而旋轉(zhuǎn)的汽轉(zhuǎn)球，又稱為風神輪，是最早的反動式汽輪機的雛形。1629年，意大利的Gde布蘭卡提出由一股蒸汽沖擊葉片而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪。1882年，瑞典的C.G.Pde拉瓦爾制成第一臺5馬力（3.67千瓦）的單級沖動式汽輪機。1884年，英國的C.A.帕森斯制成第一臺10馬力（7.35千瓦）的多級反動式汽輪機。1910年，瑞典的B.& F.容克斯川兄弟制成輻流的反動式汽輪機。 19世紀末，瑞典拉瓦爾和英國帕森斯分別創(chuàng)制了實用的汽輪機。拉瓦爾于1882年制成了第一臺5馬力(3.67千瓦)的單級沖動式汽輪機，并解決了有關的噴嘴設計和強度設計問題。單級沖動式汽輪機功率很小，現(xiàn)在已很少采用。 20世紀初，法國拉托和瑞士佐萊分別制造了多級沖動式汽輪機。多級結構為增大汽輪機功率開拓了道路，已被廣泛采用，機組功率不斷增大。帕森斯在1884年取得英國專利，制成了第一臺10馬力的多級反動式汽輪機，這臺汽輪機的功率和效率在當時都占領先地位。 20世紀初，美國的柯蒂斯制成多個速度級的汽輪機，每個速度級一般有兩列動葉，在第一列動葉后在汽缸上裝有導向葉片，將汽流導向第二列動葉。現(xiàn)在速度級的汽輪機只用于小型的汽輪機上，主要驅(qū)動泵、鼓風機等，也常用作中小型多級汽輪機的第一級。