蒸汽机是什么(蒸汽机原理)

蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初,它仍然是世界上最重要的原动机,后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。蒸汽机需要一个使水沸腾产生高压蒸汽的锅炉,这个锅炉可以使用木头、煤、石油或天然气甚至垃圾作为热源。蒸汽膨胀推动活塞做功。

蒸汽机是一个能够将动能转换为功的热机。泵、火车头和现代轮船曾使用蒸汽机驱动。蒸汽机在工业革命中起了基本的作用。今天人们还使用蒸汽涡轮发动机来发电。

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蒸汽机为所有早期火车头、汽船和工厂提供动力,因此是工业革命的基础。在本文中我们将学习蒸汽机是如何工作的。

下面的示意图展示了活塞式蒸汽机的主要部件。这是用在蒸汽机车中的典型蒸汽机。

蒸汽机是什么(蒸汽机原理)

图中所示的是双动式蒸汽机,因为它的阀门使高压蒸汽交替作用于活塞的两面。下面演示了运行中的发动机:

蒸汽机是什么(蒸汽机原理)

你能够看到,滑动阀负责让高压蒸汽进入汽缸两面。而阀门的控制杆通常钩在连接十字头的联动装置上,因此十字头的运动也使阀门滑动。

你在这幅图中可以看到废蒸汽被简单地排放到了空气中。这就解释了关于蒸汽机车的两件事:

它解释了为什么蒸汽机车需要在车站加水——随着蒸汽的消耗,水不断地在损失。

它解释了火车“呼哧”声的来源。当阀门打开汽缸释放废蒸汽时,蒸汽以很大的压力冲出来而产生“哧”的声音。当火车刚启动的时候,活塞移动得很慢,而后火车开始变快,活塞运动也在加快。这就产生了我们在火车启动时常常听到的效果:“呼…哧…呼哧…哧哧哧”。

在蒸汽机车中,十字头通常与传动杆相连,从那里连到联杆,由联杆驱动机车的轮子。结构通常如下所示:

蒸汽机是什么(蒸汽机原理)

在这个示意图中,十字头与传动杆连接,而传动杆则与火车的三个驱动轮中的一个连接。这三个轮子通过联杆连接在一起,所以它们同步转动。

锅炉

蒸汽机所需的高压蒸汽来自锅炉。锅炉的任务是加热水来产生蒸汽。有两种实现方法:火管和水管。

火管锅炉在19世纪初更为常见。它由一个被很多管子穿过的水箱组成。由煤或木柴烧热所得的热气体从这些管子中通过加热水箱中的水,如下所示:

蒸汽机是什么(蒸汽机原理)

在火管锅炉中,整个水箱都处于高压之下,因此一旦水箱破裂将造成大爆炸。

现在,更常见的是水管锅炉,在这种锅炉中,水流过位于由火加热的气体中的一排管子。下面的简化示意图描绘了水管锅炉的典型构造:

蒸汽机是什么(蒸汽机原理)

在真正的锅炉中,结构将会复杂得多,因为锅炉的目的就是尽最大可能从燃烧的燃料中吸取热量以提高效率。

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