三大动力机是怎么发明的？

世界上第一台蒸汽机是1世纪古希腊数学家亚历山大的希罗发明的一个空气球，但它只是一个玩具。大约1679年，法国物理学家丹尼斯·帕彭(Dennis Papen)在观察到蒸汽从他的高压锅中逸出后，制作了第一台蒸汽机的工作模型。大约在同时，塞缪尔·莫兰也提出了蒸汽机的想法。1698年的托马斯·塞维利亚、1712年的托马斯·纽科门和1769年的詹姆斯·瓦特制造了早期的工业蒸汽机，他们都为蒸汽机的发展做出了自己的贡献。1807年，罗伯特·富尔顿第一个成功地用蒸汽机驱动轮船。瓦特不是蒸汽机的发明者。在他之前，很久以前就出现了蒸汽机，纽科门蒸汽机，但它消耗大量的煤，效率很低。运用科学理论，瓦特逐渐发现了这台蒸汽机的毛病。从1765年到1790年，他做了一系列发明，如分离式冷凝器、汽缸外保温层、用油润滑活塞、行星齿轮、平行连杆机构、离心调速器、节流阀、压力表等。，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的三倍以上，最终发明了现代蒸汽机。

16年底到17年底，英国采矿业尤其是煤矿已经发展到相当规模，仅靠人力和畜力难以满足抽干地下水的要求，而现场有丰富廉价的煤炭作为燃料。现实的需要，促使英国的帕潘、萨弗里、纽科门等许多人投身于“火力提水”的探索和实验。

最初的真空蒸汽机是用来从矿井中抽水的。纽科门的蒸汽机将蒸汽引入汽缸，然后关闭阀门，再将冷水注入汽缸，蒸汽凝结时造成真空。活塞另一侧的空气压力推动活塞。把一根杆子深深地插进矿井里来驱动水泵。蒸汽机活塞的运动通过这根杆传递给泵的活塞，把水从井里抽出来。

第一个很大的改进是通过阀门把汽缸和冷凝缸分开。瓦特在伯明翰发明了这项改进。这项改进提高了蒸汽机的效率。下一个改进是自动操作阀门。

这些早期的真空蒸汽机效率有限，但相对安全，因为它们的压力相对较低，机器向内收缩而不是向外爆炸，以防材料损坏。它们的效率受到外部空气压力、气缸变形、燃烧和沸腾效率以及冷凝能力的限制。理论上的最大效率受限于水在普通大气压下相对较低的沸腾温度。高温高压蒸汽的使用大大提高了蒸汽机的效率。但这种蒸汽机比真空蒸汽机危险得多。锅炉和机器的爆炸造成了许多严重事故。安全阀在这里带来了很大的提升，压力过高时安全阀放气减压。但是安全的真正保证仅仅依赖于建造、操作和维护的经验和安全规则。

萨弗里制造的世界上第一台实用的蒸汽水泵于1698年获得名为“矿工之友”的英国专利。他先在一个蛋形容器中充入蒸汽，然后关闭蒸汽进气阀，向容器外喷射冷水，使容器内的蒸汽凝结形成真空。打开进水阀，矿井底部的水在大气压力的作用下通过进水管被吸入容器内；关闭进水阀，重新打开进汽阀，利用蒸汽压力将容器内的水通过排水阀压出。当容器内的水排干并充满蒸汽时，关闭蒸汽进口阀和排水阀，再次喷水使蒸汽凝结。如此反复循环，两个蛋形容器交替工作，可以不断排水。

萨弗里的水泵依靠真空吸力抽水，抽水深度不能超过六米。为了从几十米深的矿井中抽水，需要在矿井深处安装水泵，利用高蒸汽压力将水抽到地面，这在当时无疑是困难和危险的。

纽科门和他的助手卡利在1705年发明了大气蒸汽机来驱动独立水泵，被称为纽科门大气蒸汽机。这种蒸汽机首先在英国普及，然后在欧洲大陆推广，直到19世纪初仍在制造其改型产品。纽科门大气蒸汽机的热效率很低，这主要是由于蒸汽进入气缸后，凝结在刚被水冷却的气缸壁上，损失了大量的热量。只在煤价低的产煤区推广。

1764年，英国仪器修理工詹姆斯·瓦特在为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时注意到了这一缺点，并在1765年发明了冷凝器与缸壁分离的蒸汽机，并在1769年获得了英国专利。在早期，瓦特的蒸汽机仍然使用平衡杆和拉杆机构来驱动水泵。为了清除冷凝器中的冷凝物和空气，瓦特安装了一个空气泵。他还在汽缸外壁安装了夹层，并用蒸汽加热汽缸壁，以减少冷凝损失。

瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速发展。他把只能提水的机械变成了可以广泛使用的蒸汽机，蒸汽机的热效率提高了一倍，大大降低了煤耗。因此，瓦特是蒸汽机的改革家。

18世纪后期以来，蒸汽机不仅广泛应用于采矿，还广泛应用于冶炼、纺织、机械制造等行业。它使英国的纺织品产量在20多年间增加了5倍(从1766增加到1789)，为市场提供了大量的消费品，加速了资金的积累，对运输业提出了迫切的要求。

在船舶上使用蒸汽机作为推进动力的实验始于1776年，经过不断改进，美国富尔顿制造了第一艘实用的开轮推进蒸汽机船“克莱蒙特”号。从那以后，蒸汽机在船上用作推进动力已经有一百多年了。

1800年，英国的特里维西克设计了一台高压蒸汽机，可以安装在更大的车体上。1803年，他用它推动在环形轨道上运行的机车，找喜欢新奇的人骑，给他们充电。这是火车头的原型。英国的斯蒂芬·孙不断改进机车，于1829年创造了“火箭”号蒸汽机车。机车以46公里/小时的速度牵引着一节载有30名乘客的车厢，引起了各国的关注，开创了铁路时代。

19年底，随着电力应用的兴起，蒸汽机一度作为电站的主要动力机械。1900年，美国纽约有一个单机功率五兆瓦的蒸汽机电站。

蒸汽机的发展在20世纪初达到顶峰。它具有恒转矩、变速、可逆、运行可靠、制造维修方便等优点，因此被广泛应用于电站、工厂、机车、船舶等各个领域，特别是在军舰上，成为当时唯一的原动机。

需要注意的是，很多教科书(历史书和物理书)都说瓦特是蒸汽机的发明者。这是误传。蒸汽机是1698年英国人扎维利和1705年纽科门独立发明的，用于矿山抽水。那时候效率很低。1765年，瓦特在修复纽盖特机的基础上对蒸汽机进行了重大改进，将冷凝器与汽缸分离，发明了曲轴齿轮传动和离心调速器，使蒸汽机现代化，效率大大提高。瓦特的发明仍然用于现代蒸汽机。为了纪念瓦特的贡献，电力的单位名称以他的姓氏命名。

内燃机

19世纪中叶，科学家完善了通过燃烧气体、汽油和柴油产生的热量来转化机械动力的理论。这为内燃机的发明奠定了基础。活塞式内燃机自60年代问世以来，经过不断的改进和发展，已经是一种比较完善的机器。因其热效率高、功率和转速范围大、匹配方便、机动性好而得到广泛应用。世界各地的各种汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站、战车都是以内燃机为动力的。海洋商船、内河船舶和常规船舶，以及一些小型飞机也是由内燃机推进的。内燃机的数量居世界动力机械之首，在人类活动中占有非常重要的地位。

活塞式内燃机起源于火药爆炸获得动力，但由于火药燃烧难以控制，并不成功。1794年，英国人斯特里特(streeter)提出从燃料的燃烧中获取动力，并首次提出燃料与空气混合的概念。1833年，英国人莱特提出了直接利用燃烧压力推动活塞做功的设计。

之后人们提出了各种内燃机方案，但直到十九世纪中叶才付诸实施。直到1860年，法国人勒诺伊尔模仿蒸汽机的结构，设计制造了第一台实用的燃气发动机。这是一种无压缩、电点火、点燃煤气的内燃机。Lenoir首先在内燃机中采用了弹性活塞环。这种燃气机的热效率约为4%。

英国的Barnett曾主张在点火前压缩可燃混合气，随后有人撰文论述了压缩可燃混合气的重要作用，并指出压缩可以大大提高lenoir内燃机的效率。1862年，法国科学家罗莎从理论上分析了内燃机的热力过程后，提出了提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环。

1876年，德国发明家奥托成功制造出第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2 kW (4.4 HP)四冲程内燃机，仍以气体为燃料，采用火焰点火，转速156.7 rpm，压缩比2.66，热效率6544。当时无论是功率还是热效率都是最高的。

奥托内燃机已经普及，性能也在提高。1880年单机功率达到11 ~ 15 kW(15 ~ 20hp)，1893年增加到150 kW。随着压缩比的增加，热效率也增加。1886中热效率为15.5%，1897中已达到20 ~ 26%。1881年，英国工程师克拉克成功研制出第一台二冲程燃气发动机，并在巴黎博览会上展出。

随着石油的发展，比气体更容易运输和携带的汽油和柴油受到了人们的关注。首先，易挥发的汽油已经试用过了。1883年，德国戴姆勒公司成功制造了第一台立式汽油发动机，其特点是重量轻、速度快。当时其他内燃机的转速都不超过200转，却跳到了800转，特别适合运输机械的要求。1885 ~ 1886年间，汽油发动机作为汽车动力成功运转，极大地促进了汽车的发展。同时，汽车的发展促进了汽油机的改进和提高。不久，汽油发动机又被用作船的动力。

1892年，德国工程师迪塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气进行高度压缩，使其温度超过燃油的自燃温度，然后用高压空气将燃油吹入气缸，使其点燃。他的第一台压燃式内燃机(柴油机)于1897年研制成功，为内燃机的发展开辟了一条新路。

柴油机开始尝试让内燃机实现卡诺循环，以获得最高的热效率，但实际上却实现了热效率26%的近似等压燃烧。压燃式内燃机的问世引起了世界机械工业的极大兴趣，压燃式内燃机也以发明者的名字命名为柴油机。

这种内燃机将来多以柴油为燃料，所以也叫柴油机。1898年柴油机首次用于固定式发电机组，1903年用作商船动力，1904年安装在船舶上，1913年制成第一台柴油机驱动的内燃机车，1920年左右开始用于汽车和农业机械。

早在往复活塞式内燃机诞生之前，人们就试图制造旋转活塞式内燃机，但都失败了。直到1954年德国工程师汪克尔解决了密封问题，1957年才研制出旋转活塞发动机，称为汪克尔发动机。它有一个近似三角形的旋转活塞，在特定轮廓的气缸内旋转，按照奥托循环工作。这种发动机具有功率高、体积小、振动小、运行稳定、结构简单、维修方便等优点。但由于其燃油经济性差，低速扭矩低，排气性能不理想，仅在个别车型上使用。

蒸汽轮机

公元1世纪，亚历山大的希罗所描述的蒸汽旋转球，又称风神轮，是最早的反应式汽轮机的原型。在1629中，意大利的Gde Blanca提出了一种由蒸汽冲击叶片旋转的转轮。1882年，瑞典的C.G.Pde Laval制造了第一台5马力(3.67 kW)的单级冲动式汽轮机。1884年，英国的C.A. Parsons制造了第一台多级反应式汽轮机，功率为10马力(7.35千瓦)。1910，B. &瑞典；f .容克川兄弟制造了径向反应式汽轮机。

19年底，瑞典的拉瓦尔和英国的帕森斯分别造出了实用的汽轮机。拉瓦尔在1882年建造了第一台5马力(3.67 kW)的单级冲动式涡轮，解决了喷嘴设计和强度设计的相关问题。单级冲击式汽轮机功率很小，现在很少使用。

20世纪初，法国拉托和瑞士左莱分别制造了多级冲动式汽轮机。多级结构为提高汽轮机功率开辟了道路，并得到了广泛应用，机组功率也在不断增加。帕森斯于1884年获得英国专利，制造出第一台10马力多级反应式汽轮机，在当时的功率和效率上处于领先地位。

20世纪初，美国柯蒂斯制造了多速级汽轮机，每个速级一般有两排动叶片。在第一排动叶片之后，在汽缸上安装导向叶片，将蒸汽流导向第二排动叶片。目前，速度级汽轮机仅用于小型汽轮机，主要驱动泵、鼓风机等。，常用作中小型多级汽轮机的第一级。