蒸汽機的發(fā)明和應用？

【專家解說】：">蒸汽機是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機械功的往復式動力機械。蒸汽機的出現(xiàn)曾引起了18世紀的工業(yè)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(nèi)燃機和汽輪機等。

【發(fā)明歷史】
世界上第一臺蒸汽機是古希臘的亞歷山大利亞城的希羅于1世紀發(fā)明的風光管，不過它只不過是一個玩具而已。

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。

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(guān)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(guān)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(guān)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。

紐科門及其助手卡利在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(shè)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(gòu)來驅(qū)動提水泵，為了從凝汽器中抽除凝結(jié)水和空氣，瓦特裝設(shè)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。

1782年前后，瓦特將機器進一步改進，完成了兩項重要發(fā)明：在活寒工作行程的中途，關(guān)閉進汽閥，使蒸汽膨脹作功以提高熱效率；使蒸汽在活塞兩面都作功(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(fā)明了平行四邊形機構(gòu)。瓦特還于18世紀末將曲柄連桿機構(gòu)用在蒸汽機上。

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“克萊蒙脫”號。此后，蒸汽機在船舶上作為推進動力歷百余年之久。

1801年，英國的特里維西克提出了可移動的蒸汽機的概念，1803年，這種利用軌道的可移動蒸汽機首先在煤礦區(qū)出現(xiàn)，這就是機車的雛型。英國的斯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(lǐng)域中，特別在軍艦上成了當時唯一的原動機。

【原理】

蒸汽機按蒸汽在活塞一側(cè)或兩側(cè)工作，可分為單作用和雙作用式；按汽缸布置方式，可分為立和臥式；按蒸汽是在一個汽缸中膨脹或依次連續(xù)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。

簡單蒸汽機主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機構(gòu)、滑閥配汽機構(gòu)、調(diào)速機構(gòu)和飛輪等部分組成，汽缸和底座是靜止部分。從鍋爐來的新蒸汽，經(jīng)主汽閥和節(jié)流閥進入滑閥室，受滑閥控制交替地進入汽缸的左側(cè)或右側(cè)，推動活塞運動。

蒸汽機的發(fā)展首先體現(xiàn)在功率和效率的提高，而這又主要取決于蒸汽參數(shù)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℃。

至于效率，瓦特初期連續(xù)運轉(zhuǎn)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。

在轉(zhuǎn)速方面，18世紀末瓦特蒸汽機僅40～50轉(zhuǎn)/分；20世紀初轉(zhuǎn)速達到100～300轉(zhuǎn)/分，個別蒸汽機曾達到2500轉(zhuǎn)/分。在功率方面，最初單機功率僅幾馬力，20世紀初的一臺船用蒸汽機的功率可達25000馬力。

隨著蒸汽參數(shù)和功率的提高，蒸汽已不可能在一個汽缸中繼續(xù)膨脹，還必須在相連接的汽缸中繼續(xù)膨脹，于是出現(xiàn)了多級膨脹的蒸汽機。蒸汽機因受到潤滑油閃點的限制，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(shù)不高于350℃?？紤]到膨脹的可能性和結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，常用壓力在2.5兆帕以下。蒸汽參數(shù)受到限制，從而也限制了蒸汽機功率的進一步提高。

蒸汽機的出現(xiàn)和改進促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展，但同時經(jīng)濟的發(fā)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，不斷擴大它的使用范圍和改善它的性能，但是隨著汽輪機和內(nèi)燃機的發(fā)展，蒸汽機因存在不可克服的弱點而逐漸衰落。

【技術(shù)】
鍋爐
鍋爐分兩種：
火管造型被用在早期的船只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管道加熱。這些管道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(yōu)點是它在破壞時造成的危險比較小，原因是因為鍋爐里的水的量比較小，此外鍋爐里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。

【引擎】

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(shù)被發(fā)明后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(jié)過程中可以推動另一個汽缸。大多數(shù)往復式引擎今天使用這個技術(shù)。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(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。另一個曲壁和軸承用來控制閥門。

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
[編輯本段]

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(qū)入第二個汽缸推動它的活塞，這樣繼續(xù)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(wěn)。

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后可以重新進入鍋爐加熱。海上的輪船必須節(jié)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(zhàn)大多數(shù)商船都使用這種蒸汽機。1905年以前所有的戰(zhàn)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制。汽缸容積最小時入汽閥門打開。然后入汽閥門關(guān)閉，蒸汽膨脹。汽缸容積最大時汽缸側(cè)面的排氣閥門打開。這些排氣口與凝結(jié)腔相連，它們使汽缸內(nèi)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恒定，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(zhuǎn)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(wěn)。

旋轉(zhuǎn)式

旋轉(zhuǎn)蒸汽機是一種比較新的蒸汽機設(shè)計。

【蒸汽機驅(qū)動的運輸工具】
[編輯本段]
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(nóng)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(qū)動方式的汽車抗衡。今天大多數(shù)汽車是用內(nèi)燃機驅(qū)動的。蒸汽機汽車最大的缺點是它至少需要30秒鐘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(yōu)點】
現(xiàn)代蒸汽機的最大的優(yōu)點是它幾乎可以利用所有的燃料將熱能轉(zhuǎn)化為機械能。不象內(nèi)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(chǎn)生機械能，又不直接產(chǎn)生電能，原子反應堆實際上只是加熱水，這個水被沸騰后的蒸汽通過蒸汽機來轉(zhuǎn)化為有用的功。蒸汽不一定需要通過燃燒來產(chǎn)生，比如使用太陽能聚熱器也可以產(chǎn)生蒸汽推動蒸汽機。

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

尤其在高山上蒸汽機機車的優(yōu)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后這一點就被發(fā)現(xiàn)了。在高山上他們不得不使用功率比較高的柴油機車。

在瑞士和奧地利新的齒軌鐵路使用現(xiàn)代的蒸汽機，這些蒸汽機只需要一個人來運行，比起過去的蒸汽機它節(jié)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(nèi)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，慣性力限制了轉(zhuǎn)速的提高；工作過程是不連續(xù)的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。

因此，拋棄了笨重鍋爐的內(nèi)燃機，最終以其重量輕，體積小、熱效率高和操作靈活等優(yōu)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(zhuǎn)速高、單位功率重量輕和運行平穩(wěn)等優(yōu)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(yè)設(shè)備中的應用。然而小功率蒸汽機熱效率比汽輪機高，所以在產(chǎn)煤區(qū)或只有劣質(zhì)燃料的地區(qū)或某些特殊場合，蒸汽機仍有發(fā)揮作用的余地。

【歷史作用】

蒸汽機有很大的歷史作用，它曾推動了機械工業(yè)甚至社會的發(fā)展。隨著它的發(fā)展而建立的熱力學和機構(gòu)學為汽輪機和內(nèi)燃機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；汽輪機繼承了蒸汽機以蒸汽為工質(zhì)的特點，和采用凝汽器以降低排汽壓力的優(yōu)點，摒棄了往復運動和間斷進汽的缺點；內(nèi)燃機繼承了蒸汽機的基本結(jié)構(gòu)和傳動形式，采用了將燃油直接輸入汽缸內(nèi)燃燒的方式，形成了熱效率高得多的熱力循環(huán)；同時，蒸汽機所采用的汽缸、活塞、飛輪、飛錘調(diào)速器，閥門和密封件等，均是構(gòu)成多種現(xiàn)代機械的基本元件。