蒸汽机

蒸汽机,高压蒸汽被承认为一个往复式活塞总成(来回)。随着蒸汽的扩张降低压力,部分热能转化为票据的活塞运动。这个运动可以转移到旋转运动与crank-crankshaft组装类似于汽车。扩大蒸汽可能会被允许逃跑,或者,最大引擎效率、蒸汽可能会被发送到一个单独的一位condenser-at相对较低的温度和压力。有余热用于温暖的水将被用来制造更多的蒸汽。锅炉蒸汽通常是由一个发射与煤炭、石油、或自然气体。

自1900年代初以来,大多数蒸汽引擎都换成了汽轮机大电力植物(看到涡轮)。比蒸汽涡轮机更有效和更强大的引擎。在大多数地区,取代了蒸汽机车更加可靠和经济的柴油电动机车。早期蒸汽汽车取代了汽车由轻量级的,方便,更强大的汽油和柴油发动机。因为这一切,蒸汽机今天通常被视为博物馆的碎片。尽管如此,蒸汽机的发明在工业革命中扮演了主要角色通过创建一个社会减少对动物权力的依赖,水轮机,风车(看到工业革命)。

在1690年第一个蒸汽活塞发动机是由法国物理学家丹尼斯·帕潘抽水。在这个原油装置少量的水放在一个单缸在火中。水蒸发,蒸汽压力迫使活塞向上。热源被移除,允许蒸汽冷却和冷凝。这创建了一个局部真空(压力低于大气)。因为空气活塞上方的是在更高的压力(大气压),它将迫使活塞向下,执行工作。更实际的设备由蒸汽的蒸汽pump-patented 1698年由英国工程师托马斯Savery-and所谓大气蒸汽,托马斯·纽科门和约翰·卡利engine-first建于1712年。纽科门的引擎,生成蒸汽锅炉中被送入一个圆柱体位于锅炉的正上方。气缸的活塞顶部拉动抗衡。后汽缸充满蒸汽,水注入,使蒸汽冷凝。 This reduced the pressure inside the cylinder and allowed the outside air to push the piston back down. A chain-beam lever linkage was connected to a pump rod, which lifted the pump plunger as the piston moved downward. Some modified Newcomen engines were in service as late as 1800.

苏格兰仪器制造商詹姆斯·瓦特注意到使用相同的室为交变热蒸汽和冷凝结导致可怜的燃料利用率。1765年,他设计了一个单独的水冷式冷凝器。配备一个泵定期保持局部真空,蒸汽从汽缸美联储通过一个阀门。瓦和他的生意伙伴,马修·博尔顿出售这些引擎基础上,三分之一的燃料储蓄支付给他们。瓦特和博尔顿引擎的燃料成本低75%比类似的纽科门引擎。在瓦特的其他许多改进曲轴,用来产生旋转的力量;使用双作用活塞,蒸汽是交替注入的顶部和底部部分活塞总成接近给定的发动机输出功率的两倍;一个州长,发动机调节蒸汽的流动;和飞轮,消除了牛肉干气缸的动作。瓦特还认识到,使用高压蒸汽引擎将比使用蒸汽更经济外部大气压力。 Due to limitations in boiler design, however, his engines never operated at high pressures.

引擎后进一步提高锅炉的发展,可以运行在更高的压力。到18世纪,两种类型的高压锅炉在使用:热电锅炉、火管锅炉。外壳是铁做的盘子和铆钉固定在一起。在热电锅炉、水加热盘或垂直管中穿过燃烧室和接收热量从高温燃烧气体。顶部的蒸汽将收集的锅炉。这些锅炉是现代发电厂锅炉的前兆。在火管锅炉,水是维持在较低的部分的壳。的外壳是由大型管道穿越火的燃烧产品通过格栅的堆栈。顶部的蒸汽收集。

通过改进锅炉设计,英国工程师理查德•特里维西克建立了一个不能凝固的蒸汽运输在1801年和1803年第一台蒸汽机车,但后来其锅炉爆炸。1829年乔治·斯蒂芬森建立了他的成功火箭火车头。它导致了在英国铁路的快速扩张,之后,在其他国家。

蒸汽推进的船舶由美国在1787年成功的尝试约翰惠誉,他把一个汽船在特拉华河。在1807年,美国罗伯特。富尔顿建立了side-wheel桨轮船叫克莱蒙特。配备了瓦特和博尔顿引擎,富尔顿的克莱蒙特,比惠誉更经济成功的努力,走了从纽约到奥尔巴尼,引导时代的轮船。

大约在同一时间,不能凝固的引擎也正在开发的美国发明家奥利弗·埃文斯。很大程度上是由于埃文斯的倡议,采用高压蒸汽在美国比在欧洲更容易,虽然有时候会伴随着灾难性的后果。大量的锅炉爆炸困扰河航运在美国在1900年代早期。

英国发明家亚瑟·伍尔夫认为可以从静止的发动机获得更多的权力,是通过扩大蒸汽只有部分在第一气缸,然后进一步,低于大气压力在第二个气缸通过冷凝器。随着蒸汽压力持续增加,这种复合发动机最终从两倍到三倍——而且quadruple-compounding。19世纪最著名的发动机是由乔治·威廉姆森提出的双汽缸威廉姆森引擎在1876年纪念展览在费城,宾夕法尼亚州。其气缸直径40英寸(102厘米)。中风、活塞旅行的最大距离是10英尺(3米),飞轮直径30英尺(9米)。将在36转每分钟,威廉姆森引擎提供1400马力(1044千瓦)驱动8000机器机械大厅。在十年内船用发动机交付超过10000马力(7460千瓦)。蒸汽机发展继续积极50年。

1897年第一汽车驱动不能凝固的成功,是由蒸汽驱动的引擎弗朗西斯大肠和Freelan o . Stanley)马萨诸塞州的牛顿。(看到汽车)。这些蒸汽汽车更强大的比第一频道的车辆。他们最终使用锅炉压力高达1000磅每平方英寸(6895帕)。尽管冷凝器被添加到1915年,蒸汽汽车面对他们的灭亡之后不久,很大程度上是由于发动机的巨大重量,低效率,不断需要的关注。

出现之前的小电动马达,蒸汽机驱动的制造工厂。一个单一的、集中位于发动机输出功率机器通过轴、滑轮和皮带。农场在美国使用蒸汽拖拉机。自航蒸汽打谷机从农场搬到农场在收获季节,直到他们取而代之的是汽油或柴油驱动单元。

蒸汽发动机最终成为太大、沉重和缓慢,满足不断增加的需求更多的权力从一个单元。成功后的设计更强大的和紧凑的汽轮机由英国工程师1884年查尔斯·a·帕森斯及其应用船用推进1897年,大轮船发动机密封的命运,尽管这样的引擎继续生产在美国第二次世界大战。日益增长的电力需求也呼吁更大的蒸汽发电厂的单位。这里也汽轮机取代了蒸汽机在20世纪早期。今天一个蒸汽汽轮发电机单元可以产生超过100万千瓦的电力。

一个例子可以用来表示蒸汽产生的方式工作。如果1磅在锅炉蒸汽蒸发了450°F (232°C)成为所有蒸汽(饱和),那么它的压力将422.6磅每平方英寸(2914帕)绝对和它的体积是1.099立方英尺(0.031立方米)。如果蒸汽扩大最理想的是,如果没有摩擦,冷却,或其他损失大气压力,它会导致水和蒸汽的混合物,称为湿蒸汽,在温度为212°F (100°C),并允许187170英尺磅(254 kj)的提取工作。然而,它的体积将增加近甚为可观。另一方面,如果相同的蒸汽可以扩展磅低于大气压力2.0磅每平方英寸(13.8 kpa)绝对269760英尺磅(366 kj)的能源可以提取。最终温度为126°F (52°C)和最终体积129.8立方英尺(3.65立方米)。虽然在后者的情况下,获得更多的工作获得这个额外的工作从每磅的蒸汽需要使用冷凝器操作低于大气压力和冷却源,导致蒸汽凝结回液态形式。(这水就会抽回锅炉)。这个例子说明了一个理想的情况。在实际蒸汽扩张,包括冷却和其他损失,可以提炼出相对更少的工作和不同的排气状态的结果。

蒸汽机与冷凝器的效率比蒸汽机。例如,在机车蒸汽疲惫到外面的空气都被浪费了。更高的效率还可以,如果蒸汽膨胀到一个较低的温度和压力的引擎。最有效的表现是,最大的输出功与热量被获得通过使用较低的冷凝器温度和锅炉压力高。蒸汽可能会进一步加热通过通过对从锅炉过热器的引擎。常见的过热器是一组平行的管道表面暴露在高温燃气的锅炉。使用过热器、蒸汽可以加热到温度是由简单的压力下沸水。

在一个典型的蒸汽机、蒸汽流在一个双作用气缸。流可以由single-sliding D阀控制。当活塞在左侧油缸,高压蒸汽从蒸汽室承认。同时,扩大蒸汽的右侧气缸通过排气口逃。随着活塞右移,阀幻灯片在排气端口和端口连接蒸汽室和圆柱,防止更多的蒸汽进入汽缸。缸内的高压蒸汽然后扩展。蒸汽膨胀推动活塞杆,通常是连接到一个曲柄以产生旋转运动。当阀门到左边,左边部分的蒸汽排气缸逃脱。同时,右边部分的汽缸充满新鲜的高压蒸汽从蒸汽室。这蒸汽驱动活塞向左。 The position of the sliding D valve can be varied, depending on the position of an eccentric crank on the flywheel.

阀门传动装置中起着重要作用的蒸汽机车,因为需要一个广泛的努力的引擎。如果发动机上的负载增加,引擎会慢下来。发动机调速器移动的位置偏心为了增加的时间长度在蒸汽汽缸。随着越来越多的蒸汽承认,发动机输出功率也在不断增加。然而,发动机的效率降低,因为蒸汽完全不再扩大。

虽然半园阀是一种简单的机制,高压蒸汽的压力施加的摩擦滑动阀造成重大损失和磨损。这可以避免通过使用单独的圆柱弹簧轴阀门封闭在自己的房间,乔治·威廉姆森在1849年首次提出。

需要安排比一个简单的复杂偏心如果蒸汽机运行在不同的速度和负载以及向前和向后,一个蒸汽机车。这导致滑动阀杠杆的复杂排列,称为阀装置。

在一个简单的蒸汽机,扩张的蒸汽发生在只有一个汽缸。在复合引擎有两个或两个以上的缸增加蒸汽的大小更大的扩张和更高的效率。通过这些汽缸蒸汽流顺序。第一个和最小的活塞是由最初的高压蒸汽。随后的活塞是由低压蒸汽疲惫的从之前的缸。在每个气缸都有一个部分的扩张和压降。自从蒸汽体积随压力降低,低压缸的直径要大得多,如果发动机活塞冲程是相同的所有气瓶。在传统复合发动机各气缸并排安装和驱动曲轴相同。

汽轮机的基本操作雇佣了两个概念,这可能是一起使用。在一个冲动式汽轮机蒸汽通过喷嘴扩展,使它达到一个高速度。的高速、低压喷射蒸汽然后针对纺车的叶片,提炼出蒸汽的动能在执行工作。只有低速、低压蒸汽涡轮。

在反动式汽轮机蒸汽膨胀通过一系列的阶段,每一个都有一个环弯曲静叶和弯环旋转叶片。在旋转部分蒸汽膨胀部分,同时提供一个反作用力在切线方向转动涡轮机叶轮。固定部分可以允许一些扩张动能(增加),但主要用于重定向的蒸汽进入下一个旋转的叶片。在大多数现代大型汽轮机高压蒸汽首先通过一系列的扩张冲动stages-sets的喷嘴,立即降低涡轮壳的高初始压力所以不必承受高压锅炉产生的。接着是许多后续的冲动或反应阶段(20或更多),在每个蒸汽继续扩张。

第一个反馈式涡轮是由在1世纪亚历山大的英雄广告。汽转球,蒸汽被送入一个球体旋转作为蒸汽扩大通过两个无关地安装喷嘴。没有汽转球产生的有用的工作。直到19世纪被尝试了利用汽轮机实际用途。在1837年一个旋转蒸汽室和排气喷嘴建于推动棉花杜松子酒和环形锯。单级冲动式汽轮机是由瑞典设计工程师卡尔·古斯塔夫·德·拉伐尔于1882年。后来美国设计有多个脉冲轮安装在同一轴与喷嘴部分位于每个轮子。后续进展汽轮机和锅炉的设计允许更高的压力和温度。这些进步导致了巨大的、高效的现代机器,它有能力将超过40%的燃料中可用的能量转化为有用的工作。