蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理江古

蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)工作原

理江古

蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

000

蒸汽機(jī)

是將的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械。的出

蒸汽機(jī)蒸汽蒸汽機(jī)

現(xiàn)曾引起了18世紀(jì)的工業(yè)革命。直到20世紀(jì)初，它仍然是世界上最重要的原

動(dòng)機(jī)，

后來(lái)才逐漸讓位于內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)等。

16世紀(jì)末到17世紀(jì)后期，英國(guó)的采礦業(yè)，特別是煤礦，已發(fā)展到相

當(dāng)?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(chǎng)又有豐

富而廉

價(jià)的煤作為燃料。現(xiàn)實(shí)的需要促使許多人，如英國(guó)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(yàn)。

薩弗里制成的世界上第一臺(tái)實(shí)用的提水機(jī)，在1698年取得標(biāo)名為

蒸汽

"礦工之友"的英國(guó)專利。他將一個(gè)蛋形容器先充滿，然后關(guān)閉進(jìn)汽閥，在

蒸汽

容

器外噴淋冷水使容器內(nèi)冷凝而形成真空。打開(kāi)進(jìn)水閥，礦井底的

蒸汽

水受大氣壓力作用經(jīng)進(jìn)水管吸入容器中；關(guān)閉進(jìn)水閥，重開(kāi)進(jìn)汽閥，靠壓

蒸汽

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時(shí)，關(guān)閉

蒸汽

進(jìn)汽閥和排水閥，重新噴水使冷凝。如此反復(fù)循環(huán)，用兩個(gè)蛋形容器交替

蒸汽

工作，可連續(xù)排水。

薩弗里的提水機(jī)依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超過(guò)六米。為了

從幾十米深的礦井汲水，須將提水機(jī)裝在礦井深處，用較高的壓力才能將

蒸汽

水壓

到地面上，這在當(dāng)時(shí)無(wú)疑是困難而又危險(xiǎn)的。

紐科門及其助手卡利在1705年發(fā)明了大氣式，用以驅(qū)動(dòng)獨(dú)立的

蒸汽機(jī)

提水泵，被稱為紐科門大氣式。這種先在英國(guó)，后來(lái)在歐洲大陸

蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)

得到

迅速推廣，它的改型產(chǎn)品直到19世紀(jì)初還在制造。紐科門大氣式

蒸汽

機(jī)蒸汽

的熱效率很低，這主要是由于進(jìn)入汽缸時(shí)，在剛被水冷卻過(guò)的汽缸壁上

冷凝

而損失掉大量熱量，只在煤價(jià)低廉的產(chǎn)煤區(qū)才得到推廣。

1764年，英國(guó)的儀器修理工瓦特為格拉斯哥大學(xué)修理紐科門模

蒸汽機(jī)

型時(shí)，注意到了這一缺點(diǎn)，并于1765年發(fā)明了設(shè)有與汽缸壁分開(kāi)的凝汽器的

蒸

汽

機(jī)，并于1769年取得了英國(guó)的專利。初期的瓦特仍用平衡杠桿

蒸汽機(jī)

和拉桿機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)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，用加熱汽缸壁，以減少冷凝損失。

蒸汽

1782年前后，瓦特將機(jī)器進(jìn)一步改進(jìn)，完成了兩項(xiàng)重要發(fā)明：在活寒

工作行程的中途，關(guān)閉進(jìn)汽閥，使膨脹作功以提高熱效率；使在活塞

蒸汽蒸汽

兩

面都作功(雙作用式)，以提高輸出功率。這時(shí)的活塞既要向下拉動(dòng)杠

桿又要向上推動(dòng)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(jī)構(gòu)。瓦特還于18世紀(jì)末將曲柄連桿機(jī)構(gòu)用在上。

蒸汽機(jī)

瓦特的創(chuàng)造性工作使迅速地發(fā)展，他使原來(lái)只能提水的機(jī)械，

蒸汽機(jī)

成為了可以普遍應(yīng)用的，并使的熱效率成倍提高，煤耗大大下降。

蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)

因此瓦特是最主要的發(fā)明人。

蒸汽機(jī)

自18世紀(jì)晚期起，不僅在采礦業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在冶煉、紡

蒸汽機(jī)

織、機(jī)器制造等行業(yè)中也都獲得迅速推廣。它使英國(guó)的紡織品產(chǎn)量在20多年內(nèi)

(

從1766年到1789年)增長(zhǎng)了5倍，為市場(chǎng)提供了大量消費(fèi)商品，加速

了資金的積累，并對(duì)運(yùn)輸業(yè)提出了迫切要求。

在船舶上采用作為推進(jìn)動(dòng)力的實(shí)驗(yàn)始于1776年,經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，

蒸汽機(jī)

至1807年，美國(guó)的富爾頓制成了第一艘實(shí)用的明輪推進(jìn)的"克萊蒙脫"

蒸汽機(jī)船

號(hào)。此后，在船舶上作為推進(jìn)動(dòng)力歷百余年之久。

蒸汽機(jī)

1801年，英國(guó)的特里維西克提出了可移動(dòng)的的概念，1803年，

蒸汽機(jī)

這種利用軌道的可移動(dòng)首先在煤礦區(qū)出現(xiàn)，這就是機(jī)車的雛型。英國(guó)的

蒸汽機(jī)

斯

蒂芬森將機(jī)車不斷改進(jìn)，于1829年創(chuàng)造了"火箭"號(hào)機(jī)車，該機(jī)車

蒸汽

拖帶一節(jié)載有30位乘客的車廂，時(shí)速達(dá)46公里/時(shí)，引起了各國(guó)的重視，開(kāi)創(chuàng)

了鐵路時(shí)代。

19世紀(jì)末，隨著電力應(yīng)用的興起，曾一度作為電站中的主要?jiǎng)?/span>

蒸汽機(jī)

力機(jī)械。1900年，美國(guó)紐約曾有單機(jī)功率達(dá)五兆瓦的電站。

蒸汽機(jī)

的發(fā)展在20世紀(jì)初達(dá)到了頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆

蒸汽機(jī)

轉(zhuǎn)、運(yùn)行可靠、制造和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，因此曾被廣泛用于電站、工廠、機(jī)車

和

船舶等各個(gè)領(lǐng)域中，特別在軍艦上成了當(dāng)時(shí)唯一的原動(dòng)機(jī)。

按在活塞一側(cè)或兩側(cè)工作，可分為單作用和雙作用式；按

蒸汽機(jī)蒸汽

汽缸布置方式，可分為立和臥式；按是在一個(gè)汽缸中膨脹或依次連續(xù)在多

蒸汽

個(gè)

汽缸中膨脹，可分為單脹式和多脹式；按在汽缸中的流向，可分

蒸汽

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(jiǎn)單主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、滑閥配汽機(jī)構(gòu)、

蒸汽機(jī)

調(diào)速機(jī)構(gòu)和飛輪等部分組成，汽缸和底座是靜止部分。從鍋爐來(lái)的新，經(jīng)

蒸汽

主

汽閥和節(jié)流閥進(jìn)入滑閥室，受滑閥控制交替地進(jìn)入汽缸的左側(cè)或右側(cè)，

推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。

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

蒸汽機(jī)蒸汽

參數(shù)的提高。初期的壓力僅為0.11～0.13兆帕，19世紀(jì)初才達(dá)到

蒸汽機(jī)蒸汽

0.35

～0.7兆帕，20世紀(jì)20年代曾用到6～10兆帕。在溫度上，19

蒸汽

世紀(jì)末還不超過(guò)250℃，而到20世紀(jì)30年代曾用到450～480℃。

至于效率，瓦特初期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，按燃料熱值計(jì)總效率不超過(guò)

蒸汽機(jī)

3％；到1840年，最好的凝汽式總效率可達(dá)8％；到20世紀(jì)，最

蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)

高效

率可達(dá)到20％以上。

在轉(zhuǎn)速方面，18世紀(jì)末瓦特僅40～50轉(zhuǎn)/分；20世紀(jì)初轉(zhuǎn)速達(dá)

蒸汽機(jī)

到100～300轉(zhuǎn)/分，個(gè)別曾達(dá)到2500轉(zhuǎn)/分。在功率方面，最初單機(jī)功

蒸汽機(jī)

率僅

幾馬力，20世紀(jì)初的一臺(tái)船用的功率可達(dá)25000馬力。

蒸汽機(jī)

隨著參數(shù)和功率的提高，已不可能在一個(gè)汽缸中繼續(xù)膨脹，

蒸汽蒸汽

還必須在相連接的汽缸中繼續(xù)膨脹，于是出現(xiàn)了多級(jí)膨脹的。因

蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)

受

到潤(rùn)滑油閃點(diǎn)的限制，所用的最高溫度一般都不超過(guò)400℃，機(jī)

蒸汽

車，船用等移動(dòng)式還略低一些，多數(shù)不高于350℃。考慮到膨脹的可能

蒸汽機(jī)

性和

結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，常用壓力在2.5兆帕以下。參數(shù)受到限制，從而

蒸汽

也限制了功率的進(jìn)一步提高。

蒸汽機(jī)

的出現(xiàn)和改進(jìn)促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但同時(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展反過(guò)

蒸汽機(jī)

來(lái)又向提出了更高的要求，如要求功率大、效率高、重量輕、尺

蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)

寸

小等。盡管人們對(duì)作過(guò)許多改進(jìn)，不斷擴(kuò)大它的使用范圍和改

蒸汽機(jī)

善它的性能，但是隨著汽輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展，因存在不可克服的弱點(diǎn)

蒸汽機(jī)

而

逐漸衰落。

的弱點(diǎn)是：離不開(kāi)鍋爐，整個(gè)裝置既笨重又龐大；新的壓

蒸汽機(jī)蒸汽

力和溫度不能過(guò)高，排氣壓力不能過(guò)低，熱效率難以提高；它是一種往復(fù)式機(jī)

器，

慣性力限制了轉(zhuǎn)速的提高；工作過(guò)程是不連續(xù)的，的流量受到限

蒸汽

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(jī)，最終以其重量輕，體積小、熱效率

高和操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，在船舶和機(jī)車上逐漸取代了。汽輪機(jī)則以其熱效

接著電動(dòng)機(jī)又以其使用方便，代替了在工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用。然

蒸汽機(jī)

而小功率熱效率比汽輪機(jī)高，所以在產(chǎn)煤區(qū)或只有劣質(zhì)燃料的地區(qū)或某

蒸汽機(jī)

些

特殊場(chǎng)合，仍有發(fā)揮作用的余地。

蒸汽機(jī)

有很大的歷史作用，它曾推動(dòng)了機(jī)械工業(yè)甚至社會(huì)的發(fā)展。隨

蒸汽機(jī)

著它的發(fā)展而建立的熱力學(xué)和機(jī)構(gòu)學(xué)為汽輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；汽

輪

機(jī)繼承了以為工質(zhì)的特點(diǎn)，和采用凝汽器以降低排汽壓力

蒸汽機(jī)蒸汽

的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了往復(fù)運(yùn)動(dòng)和間斷進(jìn)汽的缺點(diǎn)；內(nèi)燃機(jī)繼承了的基本結(jié)構(gòu)

蒸汽機(jī)

和

傳動(dòng)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(shí)，所采用的汽缸、活塞、飛輪、飛錘調(diào)速器，