發動機和機械制造技術

十八世紀后葉第一次技術革命以來機械制造逐步發展成為重要的基礎工業部門并為其他工業部門提供基本裝備機械制造的核心部分是發動機和機床十九世紀晚期以來發動機的發展十分迅速各種不同原理的新型發動機大量涌現并得到逐步地改進使發動機成為現代工農業生產和交通運輸不可缺少的動力裝置機床則已經成為制造整個工農業生產設備的工作母機并逐步實現了半自動化和自動化它與刀具和量具一起對提高生產率零部件的精密度和產品質量起了極其重要的作用

機械手和機器人的出現使機械制造業特別是勞動條件不良的各生產部門進入了高度自動化的階段上述這些發展大大推動了機械制造專業化和大生產的進程并提出了機械制造過程中的科學管理問題其中零部件的標準化通用化和產品的系列化起了關鍵作用蒸汽機的出現使蒸汽產生的動力逐步取代了人類過去長期直接使用的入力備力風力和水力這個本質性的轉變深刻地影響了社會生產技術的各個方面出現了第一次技術革命十九世紀中葉以后交通電力等工業發展迅速使效率較低機動性差又笨重的蒸汽機越來越難以適應日新月異的各種要求

于是各種新型的發動機應運而生從十九世紀中葉至第二次世界大戰結束的近百年中發動機基本上沿著三個方向發展（1）從用蒸汽推動活塞在氣缸中做往復運動轉變為蒸汽或燃氣直接推動渦輪旋轉因而先后出現蒸汽輪機燃氣輪機（2）從用蒸汽在汽缸內推動活塞作功轉變為將燃氣或霧狀液體燃料注入汽缸內燃燒膨脹和作功從而出現煤氣機汽油機和柴油機等內燃機（3）利用火箭向后噴射燃氣產生的反作用力和動量守恒原理設計和.制成的噴氣式發動機和現代火箭發動機發動機的發展過程也大致按這三個方向的先后分為蒸汽發動機內燃機燃氣輪機噴氣發動機和火箭發動機隨著技術的進步不斷地提高了功率和效率降低了重量功率比和燃料消耗率改進了附件性能和延長了發動機壽命等其中以前四個參數為主要指標

蒸汽發動機分為蒸汽機和汽輪機兩種蒸汽機是經過約百年的漫長時間內許多人的努力不斷得到改進后才出現的一項國際性的重大發明這項發明從紐可門于1712年發明第一臺可實用的蒸汽機開始至瓦特于1781-1784年制成雙作用式蒸汽機才基本上完成的在瓦特之后蒸汽機又經過多次較大的改進才取得很大的發展第一次改進是英國工程師兼發明家特里維西克于1802制成的高壓蒸汽機"他采用內壁lU形的筒式鍋護和把氣筒置入鍋爐內才從瓦特熱汽機的0.8個大氣壓的煮汽壓力提高到約3.5個大氣壓第二次改進是英國工程師沃爾夫于1811-1816年制成中低壓復合式法汽機比瓦特蒸汽機節省燃料約1/2蒸汽壓力約2.8-3個大氣壓1816年熱效率為7.5%

第三次是英國人瑪克現于1845年完成的高.低壓復合式蒸汽機蒸汽壓力為8.4-10.5個大氣壓燃料消耗只有瓦特蒸汽機的1/8器四次約在1887年英國人威蘭斯制成三級膨脹式高壓蒸汽機旅汽壓力為10.5個大氣壓1890-1900年功率達2400馬力至1906年熱效率提高至23%1890年培恩取得強迫潤滑專利為進一步提高蒸汽機的轉速創造了條件本世紀之前蒸汽機的改進主要靠增加蒸汽壓力多額分段膨脹和增加轉遞的方法

本世紀初進一步提高蒸汽機性能是提高蒸汽亂度取得的德國工程師堆密特和英國工程師庫克研制成的機車用的帶過熱器的高壓燕汽機使蒸汽壓力提高到20個大氣壓功事和熱效率都有了相應的較大的增加燃料消耗率降低約27%由子上述一系列改進在第一次世界大戰前的三十年中出現了燕汽機的大發展時期但是在本世紀二十年代以后由于汽油機柴油機和汽輪機的迅速發展蒸汽機固有的上述一些缺點日益突出在三四十年代已發展緩慢至五十年代以后就逐步被取代了汽輪機是在蒸汽機取得較大發展之后出現的一種在原理上與款汽機迥然不同的新型蒸汽動力裝置它利用煮汽壓力直接推渦輪葉片產生蛇轉運動具有可用低熱值燃料可連續平穩作功結構簡單能提供大功率及較高熱效率等優點

為了適應大型發電站的動力需要對蒸汽流動規律噴管和葉片的幾何形狀葉片的材料和加工等強度渦輪盤和高速軸承等技術間題的研究和基本解決的基礎上在十九世紀八十年代中期出現了汽輪機十九世紀八十年代初雖然曾有人研制過單級反作用式蒸汽渦輪但是真正選行設計和制造出可供實際使用的汽輪機的是英國發明家帕森漸首先完成的

他為了驅動自己設計的高速發電機于1884年制成功率為7.5千瓦和轉速18000轉/分的多級反作用式汽輪機奠定了汽輪機發展的基礎1897年他用自己制造的汽輪機驅動輪船航速達64公里/小時證明汽輪機是一種可供大功率連續驅動的新型動力裝置引起了廣泛的注意帕森斯早年曾先后在杜柏林大學和劍橋大學學習數學但是他的興趣卻在機械方面大學畢業后即與別人合作研制汽輪機他的數學才能使他成功地處理了與高速葉輪旋轉有關的力學問題以及沿葉片長度分布的蒸汽壓力問題

至1889年他又研制成具有徑向蒸汽渦輪的汽輪機井成立了帕森斯公可專門制造汽輪機發電機組先后為英國和德國制或當時世界上最大的汽輪機發電機組后來法國的拉式針對多級反作用蒸汽渦輪的頭幾級因氣壓高而淘氣多造成效率不高的缺點研制成靠蒸汽壓力直接沖擊葉片使潤輪旋轉的沖擊式汽輪機其葉片構造簡化經濟效益較好克服了反作用式汽輪機用作小功率動力裝置時在經濟上不利的缺點因而出現了至今這兩種汽輪機平行發展和二者組合的狀況