16世纪末17世纪期英国采矿业特别煤矿已发展相当规模单靠人力、畜力已难满足排除矿井地下水要求而现场又有丰富而廉价煤作燃料现实需要促使许多人英国帕潘、萨弗里、纽科门等致力于火力提水探索和试验
萨弗里制成世界上第台实用蒸汽提水机1698年取得标名矿工之友英国专利蛋形容器先充满蒸汽关闭进汽阀容器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空打开进水阀矿井底水受大气压力作用经进水管吸入容器;关闭进水阀重开进汽阀靠蒸汽压力容器水经排水阀压出待容器水被排空而充满蒸汽时关闭进汽阀和排水阀重新喷水使蒸汽冷凝此反复循环用两蛋形容器交替工作连续排水
萨弗里提水机依靠真空吸力汲水汲水深度能超过六米了从几十米深矿井汲水须提水机装矿井深处用较高蒸汽压力才能水压地面上当时无疑困难而又危险
纽科门及其助手卡利1705年发明了大气式蒸汽机用驱动独立提水泵被称纽科门大气式蒸汽机种蒸汽机先英国来欧洲大陆得迅速推广改型产品直19世纪初还制造纽科门大气式蒸汽机热效率低主要由于蒸汽进入汽缸时刚被水冷却过汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量只煤价低廉产煤区才得推广
1764年英国仪器修理工瓦特格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时注意了缺点并于1765年发明了设有与汽缸壁分开凝汽器蒸汽机并于1769年取得了英国专利初期瓦特蒸汽机仍用平衡杠杆和拉杆机构来驱动提水泵了从凝汽器抽除凝结水和空气瓦特装设了抽气泵还汽缸外壁加装夹层用蒸汽加热汽缸壁减少冷凝损失
1782年前瓦特机器进步改进完成了两项重要发明:活寒工作行程途关闭进汽阀使蒸汽膨胀作功提高热效率;使蒸汽活塞两面都作功(双作用式)提高输出功率时活塞既要向下拉动杠杆又要向上推动杠杆扇形平衡杠杆和拉链已再适用瓦特使发明了平行四边形机构瓦特还于18世纪末曲柄连杆机构用蒸汽机上
瓦特创造性工作使蒸汽机迅速地发展使原来只能提水机械成了普遍应用蒸汽机并使蒸汽机热效率成倍提高煤耗大大下降因此瓦特蒸汽机主要发明人
自18世纪晚期起蒸汽机仅采矿业得广泛应用冶炼、纺织、机器制造等行业也都获得迅速推广使英国纺织品产量20多年内(从1766年1789年)增长了5倍市场提供了大量消费商品加速了资金积累并对运输业提出了迫切要求
船舶上采用蒸汽机作推进动力实验始于1776年,经过断改进至1807年美国富尔顿制成了第艘实用明轮推进蒸汽机船克莱蒙脱号此蒸汽机船舶上作推进动力历百余年之久
1801年英国特里维西克提出了移动蒸汽机概念1803年种利用轨道移动蒸汽机首先煤矿区出现机车雏型英国斯蒂芬森机车断改进于1829年创造了火箭号蒸汽机车该机车拖带节载有30位乘客车厢时速达46公里/时引起了各国重视开创了铁路时代
19世纪末随着电力应用兴起蒸汽机曾度作电站主要动力机械1900年美国纽约曾有单机功率达五兆瓦蒸汽机电站
蒸汽机发展20世纪初达了顶峰具有恒扭矩、变速、逆转、运行靠、制造和维修方便等优点因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各领域特别军舰上成了当时唯原动机
蒸汽机按蒸汽活塞侧或两侧工作分单作用和双作用式;按汽缸布置方式分立和卧式;按蒸汽汽缸膨胀或依次连续多汽缸膨胀分单胀式和多胀式;按蒸汽汽缸流向分回流式和单流式;按排汽方式和排汽压力分凝汽式、大气式和背压式
简单蒸汽机主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成汽缸和底座静止部分从锅炉来新蒸汽经主汽阀和节流阀进入滑阀室受滑阀控制交替地进入汽缸左侧或右侧推动活塞运动
蒸汽机发展首先体现功率和效率提高而又主要取决于蒸汽参数提高初期蒸汽机蒸汽压力仅0.11~0.13兆帕19世纪初才达0.35~0.7兆帕20世纪20年代曾用6~10兆帕蒸汽温度上19世纪末还超过250℃而20世纪30年代曾用450~480℃
至于效率瓦特初期连续运转蒸汽机按燃料热值计总效率超过3%;1840年好凝汽式蒸汽机总效率达8%;20世纪蒸汽机高效率达20%上
转速方面18世纪末瓦特蒸汽机仅40~50转/分;20世纪初转速达100~300转/分别蒸汽机曾达2500转/分功率方面初单机功率仅几马力20世纪初台船用蒸汽机功率达25000马力
随着蒸汽参数和功率提高蒸汽已能汽缸继续膨胀还必须相连接汽缸继续膨胀于出现了多级膨胀蒸汽机蒸汽机因受润滑油闪点限制所用蒸汽高温度般都超过400℃机车船用等移动式蒸汽机还略低些多数高于350℃考虑膨胀能性和结构经济性常用压力2.5兆帕下蒸汽参数受限制从而也限制了蒸汽机功率进步提高
蒸汽机出现和改进促进了社会经济发展同时经济发展反过来又向蒸汽机提出了更高要求要求蒸汽机功率大、效率高、重量轻、尺寸小等尽管人们对蒸汽机作过许多改进断扩大使用范围和改善性能随着汽轮机和内燃机发展蒸汽机因存克服弱点而逐渐衰落
蒸汽机弱点:离开锅炉整装置既笨重又庞大;新蒸汽压力和温度能过高排气压力能过低热效率难提高;种往复式机器惯性力限制了转速提高;工作过程连续蒸汽流量受限制也限制了功率提高
因此抛弃了笨重锅炉内燃机终其重量轻体积小、热效率高和操作灵活等优点船舶和机车上逐渐取代了蒸汽机汽轮机则其热效率高、单机功率大、转速高、单位功率重量轻和运行平稳等优点蒸汽机排挤出了电站
接着电动机又其使用方便代替了蒸汽机工业设备应用而小功率蒸汽机热效率比汽轮机高所产煤区或只有劣质燃料地区或某些特殊场合蒸汽机仍有发挥作用余地
蒸汽机有大历史作用曾推动了机械工业甚至社会发展随着发展而建立热力学和机构学汽轮机和内燃机发展奠定了基础;汽轮机继承了蒸汽机蒸汽工质特点和采用凝汽器降低排汽压力优点摒弃了往复运动和间断进汽缺点;内燃机继承了蒸汽机基本结构和传动形式采用了燃油直接输入汽缸内燃烧方式形成了热效率高得多热力循环;同时蒸汽机所采用汽缸、活塞、飞轮、飞锤调速器阀门和密封件等均构成多种现代机械基本元件
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