从气缸到气轮.docx

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1、从气缸到气轮在上期资料中我阐述了涡轮发动机的基本工作原理以及基本组成部分。但是在蒸汽（燃气）轮机出现之前，人类使用的动力系统往往是以锅炉、气缸为动力核心的活塞式往复推进动力系统。这种推进方式在人类工业史上的地位举足轻重，直到现在仍然有以其为动力核心的载具，诸如：汽车、活塞式发动机飞机、老式轮船，它们仍然在交通运输行业发挥着自己的作用。但是，气轮机的出现代表着一种全新的推进理念横空出世。气缸和汽轮机之间有些什么差异？各自有什么特点？这期资料带来解释。气缸（Cy1inder）,是引导活塞在缸内进行直线往复运动的圆筒形金属机件。空气在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能，属于热机的一种。一般来讲，

2、气缸有两套动力模式：蒸汽、燃气。蒸汽动力是一个极为庞大的系统，主体结构为：锅炉、气缸、活塞。大致原理如下：位于锅炉中的水受热沸腾蒸发产生水蒸气，通过管道输送到气缸，当蒸汽压力达到一定量后，活塞被推动，做往复运动。（这里对往复运动作出解释：早期气缸排列方式分为两种：垂直纵列（船舶多用）、水平横排（汽车多用）。1、垂直纵列式排列的气缸在蒸汽压力达到后上升，上升的过程中带动连杆（倾斜）运动，连杆连接曲柄做偏心运动，曲柄上的偏心轮在轮盘上将偏心运动转化为圆心运动，继而带动主轴旋转，主轴连接螺旋桨，螺旋桨旋转以达到向外输出功的目的。活塞在气缸内蒸汽压力下降后依托自身重力下降复位，锅炉向汽缸内充入蒸汽以完

3、成新一轮的往复运动。2、气缸水平横排排列的做功原理与前者并无差异，只不过在活塞复位的过程中依托偏心运动的时间差在对向气缸的往复运动下实现复位。）当然，往复式蒸汽机锅炉的结构也有一段很长的发展历史，这个我们后期来讲。燃气动力就相对于简约许多，省去了笨重的气缸，燃油以油雾的状态被喷入气缸里直接点燃产生高压气体带动活塞运动。相比之下，燃气动力所占用空间就要小得多，而且再加上燃油的热效应比烧水高太多，所以同等单位下，燃油能在短时间内提供非常澎湃的动力，所以往复式燃气机多被用在小型载具上，而动力输出更稳定、更持久、更经济实惠的往复式蒸汽机则多被用在大型船舶上。根据热力学第二定律可知，在一个往复式蒸汽（燃

4、气）机中，气体温差越高，热机热效率越高。所以在以一个锅炉为动力核心的往复式蒸汽（燃气）机中，人们为了提高热效率，往往在一套动力系统上加装多个气缸，典型代表三胀式蒸汽机（三缸）：气缸大小顺次排列，活塞的重量也顺次排列，前一个气缸的废气进入下一个气缸继续带动活塞运动，直到气体气压与温度降低至无法继续带动活塞运动时排出，这样可使能量利用最大化。但燃油气缸因为一个气缸就能构成一套独立的动力系统，且燃油气缸所占空间小，所以使用往复式燃气机的载具往往会携带多个气缸以提升动力，代表奥迪Q7V8（八缸）。往复式蒸汽（燃气）机结构复杂，能量磨损大，机械效率难以继续提升，轮机（MarineEngineering）

5、应运而生。轮机同样分为两类：蒸汽轮机、燃气轮机。轮机省去了结构复杂的活塞、传动系统部分。蒸汽轮机仍然保留有锅炉，不过锅炉中的高压蒸汽直接冲击涡轮，带动涡轮上的叶片旋转，达到热机做功目的。燃气轮机则照样省去了锅炉，燃油以油雾的形态在燃烧室内点燃，与压气机压入的高速气流结合形成燃气，冲击涡轮，带动涡轮上的叶片旋转，达到热机做功目的。但轮机的设计仍然深受热力学第二定律的影响，以螺旋桨转动达到输出功的目的的轮机要尽可能地增大螺旋桨转速。转子与定子的出现构建了现代涡轮机的样貌。转子为轴上运动部分，与气体接触后旋转。但转子就如同风扇一样有着对气体的扩散作用。定子为轴上固定部分，带有叶片，但与转子叶片的排列

6、方向相反，对扩散后的气体起收束作用，为下一个转子服务。一个转子，一个定子，构成一级涡轮。在一个轮机内，多级大小相仿的涡轮构成一组，称为涡轮机。但在航空发动机上（涡喷、涡扇），热机输出功的形式是喷气，所以主流航发往往携带两组涡轮机（高压、低压）。高压涡轮往往直径很小，而低压涡轮直径很大。英国的罗罗公司（Ro1IsRoycep1c.）研发了一款带有三组涡轮机的航发，为世界唯一。在航发上一组涡轮机被称为转子（#）,携带一组涡轮机的航发称单转子、两组为双转子、三组为三转子。目前世界上主流船舶都是以轮机为动力系统。柴油锅炉、重油锅炉、核子锅炉均为烧开水服务，蒸汽轮机主要是大型船舶使用；较小型船舶则使用燃气轮机；艇（50Ot）多用往复式燃气机。总体来讲，燃气涡轮没有蒸汽涡轮性能可靠，因为燃油在位于涡轮机前方的燃烧室中爆燃时，若燃烧不充分、不彻底，会造成燃油强氧化反应时出现紊流（气液混合状态）,极易产生压力脉动，进而发生振荡燃烧（OSCiI1atingcombustion）o振荡燃烧是一种极其危险的情况，轻则失控，重则爆缸。这一点在航空发动机上尤为明显。轮机有气缸，轮机的气缸指的是包含涡轮机在内的整体（除去蒸汽轮机的锅炉）。制作人：椰子2023年8月1日星期二