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1、发动机的发展历程 蒸汽机与蒸汽轮机燃气轮机与内燃机喷气发动机与火箭无工质发动机 展望 1310737化学学院胡志鹏 蒸汽机与蒸汽轮机 蒸汽机是将热能转换为机械功的往复式动力机械 蒸汽机的出现引起了18世纪的工业革命 曾是世界上最重要的热机 后来内燃机和汽轮机的出现才使其逐渐退出了历史舞台 蒸汽机需要一个使水沸腾产生高压蒸汽的锅炉 利用蒸汽膨胀推动活塞做功 最早的蒸汽机将蒸汽引入气缸后阀门被关闭 然后将冷水撒入气缸 蒸汽凝结时造成真空 活塞另一面的大气正压推动活塞 这种蒸汽机虽然安全可靠 但是效率极为有限 这主要是由于蒸汽进入气缸时 在刚被冷却过的气缸壁上冷凝 损失大量热量 瓦特注意到这点 发明
2、了设有与气缸壁分离开的凝气器的蒸汽机 大大减少了能量的损失 尽管如此 当时的蒸汽机按燃料热值计总效率不超过3 直至20世纪 蒸汽机的效率才达到20 尽管当时的蒸汽机效率较低 仍然促成了一场工业大革命 但经济的发展又向发动机提出了更高的要求 人们对蒸汽机做过许多改进 改善其性能 但随着内燃机和汽轮机的发展 蒸汽机因其无法克服的缺点而逐渐衰落 蒸汽机与蒸汽轮机 全称蒸汽涡轮发动机 是利用水蒸汽推动涡轮转动的机械 相较于瓦特发明的单级往复式蒸汽机 涡轮蒸汽机大幅提高了热效率 更接近热力学中理想的可逆过程 至今它几乎取代了所有的往复式蒸汽机 涡轮蒸汽机特别适用于火力或核能发电 世界上大约80 的电是涡
3、轮蒸汽机所产生 涡轮式蒸汽机的出现暂时满足了工业生产上的需要 但热机效率仍然十分有限 为此人们又发明了燃气 蒸汽轮机联合循环 二者的结合以利用燃气机的排热来加热蒸汽 同时取得了燃气及加热温度觉噶和蒸汽轮机排热较低的优点 大幅节约了能源 燃气轮机与内燃机 通常所说的内燃机指的是活塞式发动机 广义上的内燃机不仅包括往复式活塞内燃机 旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机 也包括燃气轮机 喷气式发动机等 这是继蒸汽机以来人类工业上的又一大技术突破 至今仍广泛应用于各类型汽车 工业和农业机械以及某些小型移动电站 内燃机的工作原理并不十分复杂 主要由进气 压缩 做功 排气为一个工作循环 但内燃机热能利用率高
4、 功率范围广 体积小重量轻启动快等优点使其迅速被相当广泛地应用在生产生活当中 但是内燃机一般利用汽油或轻柴油作为燃料 对环境污染日益严重成为限制其发展的重要因素 随着时代的发展 人们对发动机的要求不仅局限于功率和效率 而是愈发注重资源节约和环境友好 可持续发展 燃气轮机与内燃机 燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转 将燃料转变为有用功的内燃式动力机械 大多数燃气轮机采用简单循环方案 即在空气和燃气的主要流程中 只有压气机 燃烧室 燃气透平三大部件组成的循环 这种简单循环具有结构简单 体积小 重量轻 启动快 少用或不用冷却水等优点 压气机从外界大气环境吸入空气 并经过轴流式压气机逐级
5、压缩使之增压 同时空气温度也相应提高 压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的燃气 然后再进入到透平中膨胀做功 推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转 实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功 并输出电功 从透平中排出的废气排至大气自然放热 这样 燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能 又把部分热能转变成机械能 通常在燃气轮机中 压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的 它是透平的负载 在简单循环中 透平发出的机械功有1 2到2 3左右用来带动压气机 其余的1 3左右的机械功用来驱动发电机 在燃气轮机起动的时候 首先需要外界动力 一般是起动机带动压气机 直到燃气透平发出的机械功大
6、于压气机消耗的机械功时 外界起动机脱扣 燃气轮机才能自身独立工作 喷气发动机与火箭 喷气式发动机是通过排出高速流体利用其反作用力做有用功的热机 是使燃料燃烧时产生的气体高速喷射而产生动力 喷气推进是牛顿第三定律的实际应用 这种推进方式非常适合应用于各类飞行器 喷气发动机分为冲压喷气 脉冲喷气 涡轮喷气等种类 其差别仅在于 推力提供者 即发动机供应能量并将能量转化为飞行动力的方式 火箭可以看作自备燃料用氧的多级涡轮驱动式的喷气发动机 其动力是由燃烧室中燃料和液氧的燃烧提供的 由于其燃气温度可达3500 在燃气进入涡轮前需要额外的燃油喷入燃烧室以供冷却 这种发动机比以往的涡轮喷气发动机体积更小 但
7、是其能耗更高 这种特性使它比较适合要求高加速性能而无须较强续航能力的飞行器 比如航天器或导弹 截击机等 无工质发动机 每个时代的发展都伴随着各个领域的技术革命 而机械动力的改革则是改变以往工业生产结构 提高生产效率和投入产出比的重要技术变革 虽然现有的发动机可以满足人类生产生活的大部分要求 但是在我们可以预计的未来仅凭现在的技术是远远不够的 从物理意义上来讲 现有的发动机的发展只是一定程度上提高了热机的效率 并没有从根本上改变内能转化为动能的模式 我们仍然依靠三百年前的牛顿第三定律来走向太空 然而现在的航空航天技术只是靠蛮力提高航天器的载重能力以携带更多的燃料和工质以达到较远距离的宇宙航行 可
8、见这种手段并不高明 如果人类真的想走出地球迈向宇宙 发动机的又一次革命势在必行 而我们大致可以知道革命的方向 无工质发动机 无工质发动机 基于目前的理论物理基础 无工质发动机靠什么驱动尚未可知 也很难以设想 不过我们可以大胆猜测 无工质微波推进无工质微波推进属于新概念 具有无烧蚀 性能不受环境影响 推力功耗比宽的特点 并分析了不同模态 不同腔体结构下的具体特征 结果表明 在TE011 TE012 TE111和TM0114个模态中 TE012模品质因数和推力最大 其次是TE011针对1000W微波功率输入 以黄铜为腔体材料 基于经典电动力学理论计算出TE011和TE012模产生的最大理论推力值分
9、别为411mN和456mN 摘自网络 太阳帆 就现有的对宇宙的理解我们也知道 宇宙并不是 真空 的 就像磁场一样 我们看不见但它却真实存在 而宇宙中的电磁波 引力波是否可以为人所用呢 利用宇宙中的引力波推动航天器前进就像帆船靠风前行 是否可行也未知 总结 从蒸汽机到内燃机 从化石燃料到核能 从蒸汽机车到载人航天器 人类发展的每一步都与发动机的进步息息相关 不同的时代向发动机的性能提出越来越高的要求 发动机的发展依赖着基础理论的发展和技术革新 以现在的标准评价过去的发明或许过于严苛 以现在的眼光预测未来的发展也很不现实 但我相信发动机的发展一定会随人类文明的进步而代代更新 Thanksforlooking
