蒸汽機(jī)
關(guān)注創(chuàng)建者：余冰 創(chuàng)建時(shí)間：2016-02-12
蒸汽機(jī)的實(shí)例教程
1698年英國(guó)發(fā)明家和工程師托馬斯·塞維利（ThomasSavery，1650-1715）發(fā)明了工業(yè)蒸汽機(jī)。他設(shè)計(jì)了兩個(gè)部分：一是鍋爐，二是密閉的工作容器。先通過(guò)鍋爐把水加熱，使蒸汽充滿工作容器，然后關(guān)閉入汽孔，使工作容器中水蒸氣冷凝，形成局部真空，當(dāng)該容器與礦井下水相連時(shí)，通過(guò)外部大氣壓，就可以把水“吸”到高處，其原理是靠大氣壓力把水壓上來(lái)的，所以水的提升高度和大氣壓力有關(guān)，在9m左右。這就是塞維利機(jī)，被命名為“礦山之友”，并申請(qǐng)了世界上第一個(gè)蒸汽機(jī)專利。
圖5 塞維利的發(fā)明
法國(guó)物理學(xué)家德尼·帕潘（Denis Papin，1647—1713）意識(shí)到塞維利機(jī)的不足，于1707年將蒸汽引入汽缸中（圖6從右往左第2個(gè)容器），靠活塞推動(dòng)水升高。帕潘和塞維利的差別主要在于使用還是不使用活塞結(jié)構(gòu)。
圖6 帕潘改進(jìn)的裝置
托馬斯·紐可門（ThomasNewcomen，1664–1729）于1712年綜合了帕潘的氣缸活塞和塞維利靠冷凝蒸汽形成真空抽水的優(yōu)點(diǎn)，將抽水的工作機(jī)構(gòu)和提供動(dòng)力的蒸汽機(jī)完全分開，這一分離標(biāo)志著紐可門蒸汽機(jī)的完成。最初的蒸汽機(jī)被用來(lái)將礦井里的水抽出來(lái)。紐可門的蒸汽機(jī)將蒸汽引入氣缸后閥門被關(guān)閉，然后冷水被撒入汽缸，蒸汽凝結(jié)時(shí)造成真空。活塞另一面的空氣壓力推動(dòng)活塞。在礦井中聯(lián)結(jié)一根深入豎井的桿來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)泵。蒸汽機(jī)活塞的運(yùn)動(dòng)通過(guò)這根桿傳到泵的活塞來(lái)將水抽到井外。
圖7 托馬斯·紐可門的蒸汽機(jī)
紐可門機(jī)的出現(xiàn)標(biāo)志著蒸汽機(jī)革新中第一階段工作的完成，紐可門機(jī)一直使用到18世紀(jì)60年代，瓦特對(duì)紐可門機(jī)的改進(jìn)標(biāo)志著蒸汽機(jī)的演變進(jìn)入第二階段。
瓦特（James Watt，1736-1819）在維修紐可門機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了蒸汽機(jī)效率不高的問(wèn)題。
展開 蒸汽壓縮機(jī)系統(tǒng)控制簡(jiǎn)介
蒸汽壓縮機(jī)系統(tǒng)機(jī)組1#、2#兩套機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)風(fēng)機(jī)539C09A/B是由威海豪頓華工程有限公司集成，由西門子電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩套機(jī)組系統(tǒng)分別獨(dú)立控制。
現(xiàn)以1#機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)風(fēng)機(jī)539C09A為例介紹其控制流程，如圖2所示。
可以看出，蒸發(fā)濃縮段采用MVR蒸發(fā)工藝，每次開車時(shí)需要新的一次低壓蒸汽（0.33MPa、133℃）作為降膜蒸發(fā)器的熱源，1#機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)風(fēng)機(jī)和2#機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)風(fēng)機(jī)的作用是將低品質(zhì)的二次蒸汽（10kPa±5kPa/98℃±2℃）壓縮為高品質(zhì)的加熱蒸汽（30kPa±5kPa/105℃±2℃），達(dá)到逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡的目的，待系統(tǒng)平衡之后，不需要或僅需要少量的一次蒸汽作為補(bǔ)充蒸汽。
機(jī)組主要參數(shù)包括電機(jī)軸承溫度、電機(jī)繞組溫度、齒輪箱軸振動(dòng)、齒輪箱軸轉(zhuǎn)速及蒸汽壓縮機(jī)電流等，在DCS中實(shí)現(xiàn)控制與聯(lián)鎖。其中，電機(jī)電流信號(hào)C09A-CE和油箱壓力PS-010開關(guān)量信號(hào)直接通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)接線箱送至控制系統(tǒng)，其他蝸殼振動(dòng)等11個(gè)信號(hào)均集中到現(xiàn)場(chǎng)儀表箱，通過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成4~20mA信號(hào)送到DCS。
539C09A機(jī)組風(fēng)機(jī)蝸殼振動(dòng)傳感器VE-010（量程0~20mm/s）檢測(cè)的是速度信號(hào)，選用德國(guó)申克B&KVIBROAS-062型產(chǎn)品，兩線制。振動(dòng)速度信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)儀表箱內(nèi)的VC-920振動(dòng)控制器輸出4~20mA信號(hào)到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和聯(lián)鎖功能，如圖3所示。
圖中溫度等參數(shù)標(biāo)注的數(shù)值是機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中某個(gè)時(shí)段正常時(shí)的實(shí)際顯示值（取整），同時(shí)各參數(shù)均注明了聯(lián)鎖值，TC101即為1#機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)風(fēng)機(jī)。
展開 專用葉片設(shè)計(jì)工具CFX-BladeGen
專用葉片網(wǎng)格劃分工具CFX-TurboGrid
蒸汽/燃?xì)廨?em>機(jī)中的動(dòng)靜葉片干涉
蒸汽/燃?xì)廨?em>機(jī)中的非均勻進(jìn)汽條件、流固耦合、真實(shí)氣體問(wèn)題
蒸汽輪機(jī)中冷凝器里的相變、渦輪葉片冷卻、燃燒穩(wěn)定性問(wèn)題
CFX準(zhǔn)確模擬結(jié)果
CFX實(shí)現(xiàn)快速可靠的收斂性能
如何加快大規(guī)模問(wèn)題的計(jì)算速度
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（我曾經(jīng)參觀過(guò)我國(guó)以汽輪機(jī)為動(dòng)力的驅(qū)逐艦，該艦的減速齒輪箱和汽輪機(jī)一樣大了。。。。。。。）
看了這么多我們感覺(jué)貌似還是覺(jué)得柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)多，貌似唯一制約它的問(wèn)題就是單機(jī)功率太小了。其實(shí)不然，船舶在動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)選擇上，是需要綜合考慮的。
就拿美國(guó)航母來(lái)說(shuō)，采用的是蒸汽彈射，蒸汽彈射需要大量的蒸汽，如果采用柴油機(jī)，那就意為著需要單獨(dú)設(shè)置一個(gè)大的鍋爐，無(wú)論從成本考慮還是空間考慮都是不劃算的。
彈射起飛
再有咱們船舶人都知道，主機(jī)燒重油是省錢，但是重油粘度很高，需要蒸汽盤管加熱才能流動(dòng)，一般船舶會(huì)設(shè)置一個(gè)燃油廢棄組合鍋爐，而采用汽輪機(jī)為動(dòng)力的船，使用本身動(dòng)力鍋爐的蒸汽就可以了，這樣自然方便不少。
船舶油艙內(nèi)的蒸汽/熱油加熱盤管
還有航母屬于全球部署的艦船，在寒帶地區(qū)航母開敞的甲板很容易結(jié)冰，這樣會(huì)影響飛機(jī)起降，這時(shí)候就需要蒸汽除冰，
航母甲板結(jié)冰了
最后航母就像個(gè)移動(dòng)的城市，上面有幾千船員，就洗漱的熱水和冬天的取暖就是一個(gè)大問(wèn)題，而蒸汽就是個(gè)很好的熱源。
當(dāng)然蒸汽在船上還有很多用途，比如海底門吹洗，噴射泵動(dòng)力源，各種雜用等等（比如最近抖音每天都有人展示的蒸汽洗車，航母上可以來(lái)個(gè)蒸汽洗飛機(jī)啥的，或者來(lái)個(gè)桑拿啥的。當(dāng)然這只是說(shuō)笑而已）。
燃?xì)廨?em>機(jī)
綜合各種原因，航母選擇蒸汽輪機(jī)作為動(dòng)力。但是隨著電磁彈射和電磁炮的發(fā)展，未來(lái)航母很有可能電推化，常規(guī)動(dòng)力航母很有可能采用燃?xì)廨?em>機(jī)做原動(dòng)力，核動(dòng)力航母。。。。。。。當(dāng)然依舊用汽輪機(jī)，只是汽輪機(jī)不再用來(lái)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，而是用來(lái)發(fā)電。
展開 ▲星型發(fā)動(dòng)機(jī)
星型發(fā)動(dòng)機(jī)是一種氣缸環(huán)繞曲軸排列的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，其活塞通過(guò)一根主連桿連接到曲軸上，最上方活塞連接的連桿即為主連桿，其它活塞的連桿則被稱為活節(jié)式連桿，它們通過(guò)梢孔連接在主連桿中央位置的環(huán)上。
▲星型發(fā)動(dòng)機(jī)
星型發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性高，重量輕，功率提升潛力大，維修性和生存性也不錯(cuò)，一般星型發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸組數(shù)是奇數(shù)個(gè)，有5缸，7缸，9缸，為了增加功率還可以將其多排疊加，將多個(gè)汽缸組排成好幾排，最多竟然能到4排×7缸，普·惠公司的巨黃蜂R-4360達(dá)到28個(gè)汽缸。
▲普·惠巨黃蜂R-4360發(fā)動(dòng)機(jī)
在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)之前，活塞式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用星型設(shè)計(jì)，因其曲軸短戰(zhàn)場(chǎng)生存性強(qiáng)，再因其結(jié)構(gòu)緊湊占用飛機(jī)空間小而被艦載機(jī)廣泛使用，其余發(fā)動(dòng)機(jī)則采用V型設(shè)計(jì)。
▲星型發(fā)動(dòng)機(jī)
老式蒸汽機(jī)是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械。蒸汽機(jī)需要一個(gè)使水沸騰產(chǎn)生高壓蒸汽的鍋爐，這個(gè)鍋爐可以使用木頭、煤、石油或天然氣甚至垃圾作為熱源，蒸汽膨脹推動(dòng)活塞做功。
▲老式蒸汽機(jī)
蒸汽機(jī)出現(xiàn)引起了18世紀(jì)的工業(yè)革命，直到20世紀(jì)初，它仍然是世界上最重要的原動(dòng)機(jī)，后來(lái)才逐漸讓位于內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)等。
▲老式蒸汽機(jī)
蒸汽機(jī)主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、滑閥配汽機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)和飛輪等部分組成，汽缸和底座是靜止部分。
▲蒸汽機(jī)結(jié)構(gòu)圖
在蒸汽鍋爐中，通過(guò)燃燒使水沸騰為蒸汽，再通過(guò)管道蒸汽被送到汽缸。閥門控制蒸汽到達(dá)汽缸的時(shí)間，經(jīng)主氣閥和節(jié)流閥進(jìn)入滑閥室，受滑閥控制交替地進(jìn)入汽缸的左側(cè)或右側(cè)，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。
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蒸汽機(jī)的最新內(nèi)容
她說(shuō)：“這使我們能夠準(zhǔn)確設(shè)計(jì)并確定風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)和蒸汽輸送系統(tǒng)的尺寸。此外，它還可以根據(jù)CFD結(jié)果為蒸汽調(diào)節(jié)設(shè)備的實(shí)施提供決策支持。”
工程師還使用Ansys Rocky顆粒動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行離散單元法（DEM）-CFD耦合，以確定吸附劑接觸器材料在以不同速度與空氣相互作用時(shí)的行為。
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蒸汽渦輪機(jī)
全球大多數(shù)發(fā)電廠都使用蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電。對(duì)水進(jìn)行加熱，會(huì)導(dǎo)致相變，從而獲取大量能量。這種熱能的來(lái)源通常是化石燃料的燃燒，但也可以來(lái)自核反應(yīng)堆。還有一種發(fā)展中的方法，是利用可再生能源，即利用集中的太陽(yáng)能，為大型發(fā)電廠的蒸汽渦輪機(jī)的水提供熱量。
風(fēng)力機(jī)
人類制造了風(fēng)車和后來(lái)的風(fēng)力機(jī)，以利用風(fēng)能替代人類和動(dòng)物的勞動(dòng)。
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其是各種工程問(wèn)題的核心，包括化學(xué)加工和制藥（例如混合、過(guò)濾和分離），發(fā)電（蒸汽輪機(jī)和燃燒建模）以及石油和天然氣（減少燃燒和排氣）。工程師使用歐拉-拉格朗日、歐拉-歐拉或流體體積（VOF）等方法來(lái)解決這些問(wèn)題。
流體流動(dòng)的數(shù)值仿真
在中等雷諾數(shù)下，可以根據(jù)納維-斯托克斯方程（不包括湍流建模）對(duì)湍流進(jìn)行直接數(shù)值仿真（DNS）。
縱觀歷史，從步行、馬車到蒸汽機(jī)車、汽車和飛機(jī)，每一次交通工具的革命都深刻重塑了人類出行方式與社會(huì)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)著社會(huì)進(jìn)步。
我們使用Ansys和Concepts NREC的產(chǎn)品來(lái)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證用于從熱泵產(chǎn)生高溫蒸汽的高溫壓縮機(jī)。此次新的軟件集成，將在我們研發(fā)用于蒸汽脫碳的技術(shù)并減少全球化石燃料鍋爐排放的過(guò)程中，幫助我們的團(tuán)隊(duì)節(jié)省大量時(shí)間和資源。”
展望未來(lái)，Ansys和Concepts NREC計(jì)劃擴(kuò)展集成功能，以涵蓋更廣泛的流體，并使用戶能夠捕獲系統(tǒng)不斷變化的動(dòng)態(tài)行為。
使用的動(dòng)力也從最早的蒸汽機(jī)，變成后面的內(nèi)燃機(jī)，再到今天的電力，“火車”和“火”逐漸失去了聯(lián)系。
時(shí)速也從最初的幾十公里一步步提高到如今的三百多公里，磁懸浮的速度更是能到四百多。
如今，各國(guó)普遍把時(shí)速超過(guò)200公里的鐵路稱為高鐵。1964年，時(shí)速200公里的日本新干線通車，世界首條高鐵開始運(yùn)營(yíng)。
幾十年時(shí)間，中國(guó)后來(lái)居上。
通過(guò)聚光和反射裝置集中太陽(yáng)光來(lái)加熱工作流體，產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。
4.太陽(yáng)能光化學(xué)：利用太陽(yáng)能進(jìn)行光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。例如，光合作用中植物通過(guò)光能轉(zhuǎn)化二氧化碳和水為氧氣和有機(jī)化合物。
以上幾種常見方式中，光伏發(fā)電近幾年受到政府的大力支持，得到了快速的發(fā)展，如何使其達(dá)到最大利益？
1.合理利用光照資源
組件布局需要合理規(guī)劃，最大限度地提高太陽(yáng)能的接收效率。
我國(guó)是以火力發(fā)電為主，是指利用煤炭、石油、天然氣等化石燃料燃燒產(chǎn)生的熱能，通過(guò)蒸汽輪機(jī)等設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式。火力發(fā)電雖然穩(wěn)定，但會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體和有毒物質(zhì)，對(duì)環(huán)境和人類健康造成威脅。因此，國(guó)家大力提倡光伏發(fā)電。
光伏發(fā)電主要有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？
其中，常規(guī)工業(yè)汽輪機(jī)和高背壓工業(yè)汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)差異極大，需要針對(duì)不同項(xiàng)目的不同參數(shù)進(jìn)行定制化生產(chǎn)[8];但是，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈及技術(shù)的進(jìn)步，整個(gè)工業(yè)汽輪機(jī)的制造周期不斷縮短。工業(yè)汽輪機(jī)從開始設(shè)計(jì)到產(chǎn)品制造完畢，最短可達(dá)6個(gè)月，平均生產(chǎn)周期為8～10個(gè)月，設(shè)計(jì)周期從2個(gè)月被壓縮到2周左右。
加熱的高壓水隨后流向蒸汽發(fā)生器，將其熱能轉(zhuǎn)移到產(chǎn)生蒸汽的二次系統(tǒng)的低壓水中，然后蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)。
在壓水堆中，冷卻劑質(zhì)量流量取決于蒸汽發(fā)生器的熱功率、熱端和冷端的溫度以及反應(yīng)堆冷卻泵吸收的電能，因此對(duì)壓水堆冷卻劑流量的監(jiān)測(cè)十分重要，不準(zhǔn)確的流量監(jiān)測(cè)可能會(huì)導(dǎo)致功率下降。
