瓦特發(fā)明的蒸汽機的特點

【專家解說】：">蒸汽機蒸汽能量轉(zhuǎn)換機械功往復(fù)式動力機械蒸汽機出現(xiàn)曾引起了18世紀工業(yè)革命直20世紀初仍世界上重要原動機來才逐漸讓位于內(nèi)燃機和汽輪機等

16世紀末17世紀期英國采礦業(yè)特別煤礦已發(fā)展相當(dāng)規(guī)模單靠人力、畜力已難滿足排除礦井地下水要求而現(xiàn)場又有豐富而廉價煤作燃料現(xiàn)實需要促使許多人英國帕潘、薩弗里、紐科門等致力于火力提水探索和試驗

薩弗里制成世界上第臺實用蒸汽提水機1698年取得標(biāo)名礦工之友英國專利蛋形容器先充滿蒸汽關(guān)閉進汽閥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水受大氣壓力作用經(jīng)進水管吸入容器;關(guān)閉進水閥重開進汽閥靠蒸汽壓力容器水經(jīng)排水閥壓出待容器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此反復(fù)循環(huán)用兩蛋形容器交替工作連續(xù)排水

薩弗里提水機依靠真空吸力汲水汲水深度能超過六米了從幾十米深礦井汲水須提水機裝礦井深處用較高蒸汽壓力才能水壓地面上當(dāng)時無疑困難而又危險

紐科門及其助手卡利1705年發(fā)明了大氣式蒸汽機用驅(qū)動獨立提水泵被稱紐科門大氣式蒸汽機種蒸汽機先英國來歐洲大陸得迅速推廣改型產(chǎn)品直19世紀初還制造紐科門大氣式蒸汽機熱效率低主要由于蒸汽進入汽缸時剛被水冷卻過汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量只煤價低廉產(chǎn)煤區(qū)才得推廣

1764年英國儀器修理工瓦特格拉斯哥大學(xué)修理紐科門蒸汽機模型時注意了缺點并于1765年發(fā)明了設(shè)有與汽缸壁分開凝汽器蒸汽機并于1769年取得了英國專利初期瓦特蒸汽機仍用平衡杠桿和拉桿機構(gòu)來驅(qū)動提水泵了從凝汽器抽除凝結(jié)水和空氣瓦特裝設(shè)了抽氣泵還汽缸外壁加裝夾層用蒸汽加熱汽缸壁減少冷凝損失

1782年前瓦特機器進步改進完成了兩項重要發(fā)明:活寒工作行程途關(guān)閉進汽閥使蒸汽膨脹作功提高熱效率;使蒸汽活塞兩面都作功(雙作用式)提高輸出功率時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世紀末曲柄連桿機構(gòu)用蒸汽機上

瓦特創(chuàng)造性工作使蒸汽機迅速地發(fā)展使原來只能提水機械成了普遍應(yīng)用蒸汽機并使蒸汽機熱效率成倍提高煤耗大大下降因此瓦特蒸汽機主要發(fā)明人

自18世紀晚期起蒸汽機僅采礦業(yè)得廣泛應(yīng)用冶煉、紡織、機器制造等行業(yè)也都獲得迅速推廣使英國紡織品產(chǎn)量20多年內(nèi)(從1766年1789年)增長了5倍市場提供了大量消費商品加速了資金積累并對運輸業(yè)提出了迫切要求

船舶上采用蒸汽機作推進動力實驗始于1776年,經(jīng)過斷改進至1807年美國富爾頓制成了第艘實用明輪推進蒸汽機船克萊蒙脫號此蒸汽機船舶上作推進動力歷百余年之久

1801年英國特里維西克提出了移動蒸汽機概念1803年種利用軌道移動蒸汽機首先煤礦區(qū)出現(xiàn)機車雛型英國斯蒂芬森機車斷改進于1829年創(chuàng)造了火箭號蒸汽機車該機車拖帶節(jié)載有30位乘客車廂時速達46公里/時引起了各國重視開創(chuàng)了鐵路時代

19世紀末隨著電力應(yīng)用興起蒸汽機曾度作電站主要動力機械1900年美國紐約曾有單機功率達五兆瓦蒸汽機電站

蒸汽機發(fā)展20世紀初達了頂峰具有恒扭矩、變速、逆轉(zhuǎn)、運行靠、制造和維修方便等優(yōu)點因此曾被廣泛用于電站、工廠、機車和船舶等各領(lǐng)域特別軍艦上成了當(dāng)時唯原動機

蒸汽機按蒸汽活塞側(cè)或兩側(cè)工作分單作用和雙作用式;按汽缸布置方式分立和臥式;按蒸汽汽缸膨脹或依次連續(xù)多汽缸膨脹分單脹式和多脹式;按蒸汽汽缸流向分回流式和單流式;按排汽方式和排汽壓力分凝汽式、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靜止部分從鍋爐來新蒸汽經(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左側(cè)或右側(cè)推動活塞運動

蒸汽機發(fā)展首先體現(xiàn)功率和效率提高而又主要取決于蒸汽參數(shù)提高初期蒸汽機蒸汽壓力僅0.11~0.13兆帕19世紀初才達0.35~0.7兆帕20世紀20年代曾用6~10兆帕蒸汽溫度上19世紀末還超過250℃而20世紀30年代曾用450~480℃

至于效率瓦特初期連續(xù)運轉(zhuǎn)蒸汽機按燃料熱值計總效率超過3%;1840年好凝汽式蒸汽機總效率達8%;20世紀蒸汽機高效率達20%上

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100~300轉(zhuǎn)/分別蒸汽機曾達2500轉(zhuǎn)/分功率方面初單機功率僅幾馬力20世紀初臺船用蒸汽機功率達25000馬力

隨著蒸汽參數(shù)和功率提高蒸汽已能汽缸繼續(xù)膨脹還必須相連接汽缸繼續(xù)膨脹于出現(xiàn)了多級膨脹蒸汽機蒸汽機因受潤滑油閃點限制所用蒸汽高溫度般都超過400℃機車船用等移動式蒸汽機還略低些多數(shù)高于350℃考慮膨脹能性和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性常用壓力2.5兆帕下蒸汽參數(shù)受限制從而也限制了蒸汽機功率進步提高

蒸汽機出現(xiàn)和改進促進了社會經(jīng)濟發(fā)展同時經(jīng)濟發(fā)展反過來又向蒸汽機提出了更高要求要求蒸汽機功率大、效率高、重量輕、尺寸小等盡管人們對蒸汽機作過許多改進斷擴大使用范圍和改善性能隨著汽輪機和內(nèi)燃機發(fā)展蒸汽機因存克服弱點而逐漸衰落

蒸汽機弱點:離開鍋爐整裝置既笨重又龐大;新蒸汽壓力和溫度能過高排氣壓力能過低熱效率難提高;種往復(fù)式機器慣性力限制了轉(zhuǎn)速提高;工作過程連續(xù)蒸汽流量受限制也限制了功率提高

因此拋棄了笨重鍋爐內(nèi)燃機終其重量輕體積小、熱效率高和操作靈活等優(yōu)點船舶和機車上逐漸取代了蒸汽機汽輪機則其熱效率高、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)點蒸汽機排擠出了電站

接著電動機又其使用方便代替了蒸汽機工業(yè)設(shè)備應(yīng)用而小功率蒸汽機熱效率比汽輪機高所產(chǎn)煤區(qū)或只有劣質(zhì)燃料地區(qū)或某些特殊場合蒸汽機仍有發(fā)揮作用余地

蒸汽機有大歷史作用曾推動了機械工業(yè)甚至社會發(fā)展隨著發(fā)展而建立熱力學(xué)和機構(gòu)學(xué)汽輪機和內(nèi)燃機發(fā)展奠定了基礎(chǔ);汽輪機繼承了蒸汽機蒸汽工質(zhì)特點和采用凝汽器降低排汽壓力優(yōu)點摒棄了往復(fù)運動和間斷進汽缺點;內(nèi)燃機繼承了蒸汽機基本結(jié)構(gòu)和傳動形式采用了燃油直接輸入汽缸內(nèi)燃燒方式形成了熱效率高得多熱力循環(huán);同時蒸汽機所采用汽缸、活塞、飛輪、飛錘調(diào)速器閥門和密封件等均構(gòu)成多種現(xiàn)代機械基本元件