上回书说道，瓦特改进了蒸气机，将蒸汽提水机变成了可作为动力机的活塞蒸汽机，在此基础上出现了蒸汽动力机车等蒸汽驱动设备，就此拉开了第一次产业革命的序幕。瓦特的蒸汽机是具有划时代意义的，但是大家应该也发现了，现实生活中我们已经见不到瓦特蒸汽机了。究其原因就是由于技术的进步活塞蒸汽机已经被淘汰了。在瓦特的时代，蒸汽机主要用于蒸汽火车，蒸气轮船，蒸汽汽车以及其他动力设备上。到了现在，火车基本上实现了电气化，轮船的动力也以蒸汽轮机为主，至于汽车的动力则变为了内燃机。而这一切的根源归根到底还是因为蒸汽机的效率非常低，最高不超过20%，现在的内燃机，汽轮机效率可以提升到30%-40%。

今天我们就来说说汽轮机也就是透平的历史，汽轮机现在仍在使用，主要作为船用动力和发电机组使用。在化工生产中主要用于大量气体或液体的压缩，也作为大型制冷机组的动力使用。汽轮机在大石化中使用较多，在精细化学品生产中使用较少。

在蒸汽机不断进行改进的时候，对于蒸汽的发生设备，也就是锅炉的改进也从未停止。锅炉改进的一个主导思想就是尽可能的提高锅炉产生蒸汽的压力。热力学告诉我们，锅炉出口蒸汽压力越高，锅炉的能量利用率越高（大家暂时记住这个结论，以后讲到热力学的时候我会再详细的说）。在瓦特那个时代，锅炉产生的蒸气压力只是略高于大气压，基本上和我们现在做饭的高压锅压力相当。究其原因就在于当时的锅炉用钢质量不行，我们之前曾经说过大规模炼钢的时代在十七世纪中期，恰好就是瓦特的时代，由于钢铁工业刚开始发展，对于锅炉用钢的研究还不是很透彻。实际上到了今天锅炉用钢也是一个非常特殊的钢种，主要的要求就是在高温下具有一定的强度，我们之前介绍的310S就是一种锅炉用钢。材料不过关导致锅炉耐压不足因此无法发生高压蒸汽。直到是19世纪中期，就是鸦片战争前后，锅炉钢的技术才有所突破，锅炉的蒸汽压力提高到了1MPa左右，实际上这在现在也只能算低压锅炉，但是在当时却是一个相当大的进步。到了现在，随着压力容器技术和燃烧技术的进步，用于火电的锅炉其压力已经可以做到22MPa以上，超过了水的临界点，这就是我们说的超临界发电机组。

有了高压蒸汽了，现在我们尝试一下用高压蒸汽驱动活塞式蒸汽机吧，我们来看看如果提高蒸汽压力能带来什么好处。首先，我们来看一看蒸汽推开活塞做功的过程，在这个过程中进入气缸的首先是高压蒸汽，蒸汽体积膨胀推开活塞后，蒸汽压力和温度降低。热力学告诉我们，进入气缸的蒸汽温度越高，做功以后的蒸汽温度越低，膨胀做功过程的热效率就越高。因此高压蒸汽可以提高瓦特蒸汽机的效率。但不要忘了，蒸汽机做工还有一个活塞退回的过程，这个过程中蒸汽压力越高，活塞的动作频率也会加快。但是非常遗憾的是，活塞动作频率加快了，反过来制约气缸内蒸汽的冷却过程，导致做功以后的蒸汽无法充分冷却，这对于蒸汽机的效率提高是负效应，这样一正一负导致再怎么提高蒸汽压力，瓦特蒸汽机的最大效率都在25%左右。

一种提高活塞蒸汽机效率的方法就是蒸汽的多级利用，在一套机组里配置多个气缸与活塞，进入第一个气缸的是高压蒸汽，蒸汽在推动气缸后蒸汽压力下降，然后进入第二级气缸推动气缸内的活塞运动，出口蒸汽经过膨胀后压力进一步降低，进入第三级气缸。这就是我们说的三膨胀式蒸汽机。理论上气缸数量越多，蒸气利用效率越高，如果气缸无限多的话，热效率可以接近40%左右。

另外活塞结构本身也制约了蒸汽机的发展。首先就是活塞做不大，活塞这种东西越大越难加工，如果活塞变大，气缸直径也要增大。在达到相同压力等级的条件下，气缸直径越大，其厚度也越大，耗费的材料明显变多。另外还有配合公差的问题，活塞结构要求活塞外径与气缸内径有一定的配合公差等级。相同公差等级下，活塞越大，活塞气缸之间的缝隙越大，密封越难以保证。这导致气缸内部的压力注定是不能太高的。

鉴于活塞结构的局限性，为了利用高压蒸汽，我们就必须采用其他的动力系统。这时候，我们的老朋友，希罗球再次登场。上一章说过，这种转动结构在几千年来没有得到应用，主要的原因就是蒸汽压力不足。现在这个问题被克服了，那么这种结构自然而然地登上了历史舞台，最终发展成了我们所说的汽轮机。

汽轮机有几大好处：首先，它可以利用高压蒸汽，理论上可以证明，汽轮机热效率相当于无限级气缸。其次，汽轮机可以做的非常大，这适用于大量做功的场合，而且汽轮机是越大越经济。所以今天我们看到大型动力设备都采用汽轮机，比如说轮船，火力电站等。而小型动力设备，比如说小汽车等还在使用活塞结构，只不过能量来源被内燃机取代。

有记载世界上第一台汽轮机的制造者是瑞典工程师拉瓦尔，此人在1883年制造了第一台单级冲动式汽轮机，其功率为3.6kW。几乎同一时间，英国工程师帕森斯设计了第一台反动式汽轮机，帕森斯的汽轮机结构复杂，采用了多级叶轮，其功率达到了7.35kW（此时，太平天国已经灭亡20年了，起义者应该已经投胎，又长成了一条好汉）。

当时的汽轮机结构还是非常简单的，随着加工技术的不断进步，人类渐渐制造出了更大，更复杂的汽轮机，到了1905年，汽轮机功率已经可以达到10000kW了。而此时另一个问题出现了，那就是高温材料的性能问题。我们来看看汽轮机的结构，可以概括为一个轴上套着奇形怪状的叶片。而且一般来说，叶片结构越奇葩，汽轮机效率越高，但同时叶轮的局部应力就越高。汽轮机的转动速度一般在几千转每分钟，而且还是在高温条件下工作，这对材料的高温强度要求很高。这时候现有材料的强度就不够了。

在后来的日子里汽轮机的发展出现了明显的跳跃性。由于材料的限制，每隔一段时间汽轮机的发展就会遭遇瓶颈，然后等待材料技术的进步。材料技术一进步就汽轮机就能跳跃性地发展一下，单机功率在短时间内迅速提高，然后又遇到新的瓶颈。二十年代的汽轮机功率为60000kW，到了三十年代，汽轮机功率已经可以达到200000kW了，五十年代以后又陆续出现了500000kW的汽轮机组，到了今天我国使用的汽轮机组已经到了1000000kW级别。短短100年间，汽轮机的功率竟然提高了20万倍。而活塞发动机，直到今天其最大功率也就是3000kW左右，如此悬殊的差距导致蒸汽机彻底退出了历史舞台。

关于汽轮机的介绍就到这里，看了这篇文章后，你可能还有不少疑惑：在文章中我们多次提到了蒸汽机的效率问题，同时我们还引用了很多结论，比如高压锅炉效率高于低压锅炉，活塞蒸汽机的效率取决于蒸汽进入活塞与离开活塞时的温度差。从下一讲开始，我将介绍这些结论的理论依据，也就是热力学的发展历史。

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：知乎用户（登录查看详情）

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