常豐田?金一鳴?王濤

摘 要：介紹了動力機械的三大分類：風(fēng)力機械，水利機械和熱力機械，并主要針對熱動力機械，介紹了常見的幾種熱力發(fā)動機：蒸汽機，汽輪機，內(nèi)燃機等。對目前動力機械的發(fā)展經(jīng)行了綜述，介紹了新型的太陽能發(fā)動機，并對動力機械未來發(fā)展趨勢經(jīng)行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：動力機械；發(fā)展趨勢；太陽能發(fā)動機

1 動力機械概念及其地位

與發(fā)電機不同，動力機械是將將自然界中的能量轉(zhuǎn)換為機械能而作功的機械裝置。而發(fā)電機是將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的機械設(shè)備，它由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅(qū)動。動力機械深刻地影響著人類的發(fā)展。從17世紀后期，隨著機械的改進，煤和金屬礦石需求量的增加，只依靠人力和畜力已不能適應(yīng)生產(chǎn)提高的要求，于是在18世紀初出現(xiàn)了T.紐科門的大氣式蒸汽機，用以驅(qū)動礦井排水泵。1765年，J.瓦特發(fā)明了有分開凝汽器的蒸汽機，降低了燃料消耗率。1781年，瓦特又創(chuàng)制出提供回轉(zhuǎn)動力的蒸汽機，擴大了蒸汽機的應(yīng)用范圍。蒸汽機的發(fā)明和發(fā)展，促進礦業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)、鐵路和搬運機械動力化。幾乎成為19世紀唯一的動力源。但蒸汽機及其鍋爐、凝汽器和冷卻水系統(tǒng)等體積龐大、笨重，應(yīng)用不便。19世紀末，電力供應(yīng)系統(tǒng)和電動機開始發(fā)展和推廣。20世紀初，電動機已在工業(yè)生產(chǎn)中取代了蒸汽機，成為驅(qū)動各種工作機械的基本動力。發(fā)電站初期應(yīng)用蒸汽機為原動機；20世紀初，出現(xiàn)了高效率、高轉(zhuǎn)速、大功率的汽輪機，也出現(xiàn)了適應(yīng)各種水力資源的大、小功率的水輪機。19世紀后期發(fā)明的內(nèi)燃機經(jīng)過逐年改進，成為輕而小、效率高、易于操縱并可隨時啟動的原動機。內(nèi)燃機最初用于驅(qū)動沒有電力供應(yīng)的陸上工作機械，以后又用于汽車、移動機械（如拖拉機、挖掘機械等）和輪船，20世紀中期開始用于鐵路機車。內(nèi)燃機和以后發(fā)明的燃氣輪機和噴氣發(fā)動機，還是飛機、航天器等成功發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)因素之一。

2 動力機械的分類

動力機械按將自然界中不同能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的方式，可以分為風(fēng)力機械、水力機械和熱力發(fā)動機三大類。

2.1風(fēng)力機械

有風(fēng)帆、風(fēng)車（風(fēng)力機）、風(fēng)磨等。二十世紀出現(xiàn)了直接應(yīng)用風(fēng)力的發(fā)電裝置，但受到自然風(fēng)區(qū)分布的限制，因為一般認為風(fēng)速大于4米/秒才有利用價值。據(jù)估計，地球上蘊有風(fēng)能約達10吉瓦，已經(jīng)利用的不及百分之一，故風(fēng)能大有開發(fā)的前景。

2.2水利機械

有水車、水磨、水輪機等。20世紀以來，利用水輪機發(fā)電的水電站日益增多，因為水電站具有運行費用低、無污染、取用不竭等優(yōu)點。但是興建水庫、水壩，初始投資較大、建設(shè)時間較長，而且對生態(tài)平衡、地質(zhì)力態(tài)平衡也有影響。中國水能蘊藏量約為680兆瓦，居世界之首，很有開發(fā)和利用的余地。

2.3熱力發(fā)動機

熱力發(fā)動機是目前最常見也是最常用的一類動力機械。它的范圍很廣，包括蒸汽機、汽輪機、內(nèi)燃機（汽油機、柴油機、煤氣機等）、熱氣機、燃氣輪機、噴氣發(fā)動機等。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、采礦、兵工等部門，內(nèi)燃機的應(yīng)用最為廣泛。船舶、機車、汽車、物料搬運機械、土方機械、坦克、排灌機械、小型發(fā)電裝置等無不以內(nèi)燃機為動力。

蒸汽機是把蒸汽中的熱能轉(zhuǎn)化為機械能的熱力裝置。由于工作效率過低，除在少數(shù)國家仍用于機車外，已基本被淘汰。汽輪機是廣泛用于大型發(fā)電機組和大型船舶的動力裝置。熱氣機也稱斯特林發(fā)動機，是以空氣、氫和氦等作為工質(zhì)、按回?zé)衢]式熱力循環(huán)，進行周期性的壓縮和膨脹而作功的熱力發(fā)動機。熱氣機是外燃機，可以采用多種燃料，同時還具有噪聲低、振動小和排污較少等優(yōu)點，主要缺點是散熱器大、密封困難和成本較高。

內(nèi)燃機是將液體或氣體燃料與空氣混合后，直接輸入汽缸內(nèi)部的高壓燃燒室燃燒爆發(fā)產(chǎn)生動力。這也是將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的一種熱機。內(nèi)燃機具有體積小、質(zhì)量小、便于移動、熱效率高、起動性能好的特點。但是內(nèi)燃機一般使用石油燃料，同時排出的廢氣中含有害氣體的成分較高。內(nèi)燃機的利用范圍很是遍及。地面上各類運輸車輛（汽車、拖沓機、內(nèi)燃機車等），礦山、建筑及工程等機械，就是因為國家的限電所以早就了很多地方用自備電源發(fā)電，水上運輸可作內(nèi)河及海上船舶的主機和輔機。在軍事方面，如坦克、裝甲車、步兵戰(zhàn)車、重兵器牽引車和各類水面艦艇等方面都大量利用內(nèi)燃機。

3 動力機械未來發(fā)展趨勢

動力機械未來的發(fā)展，或者是注重于更高效更精密的機械工藝，或者是致力于新能源的開發(fā)利用。傳統(tǒng)的動力機械的噪聲，特別是熱力發(fā)動機的排放物又給人類造成了日益嚴重的公害。太陽能有其取之不盡用之不竭的特點，再加上它是一種清潔能源，越來越收到人們的重視。

從動力機械制造技術(shù)來看，采用先進工藝、提高機械化自動化水平、大力擴展計算機的應(yīng)用范圍，優(yōu)質(zhì)、高效地生產(chǎn)出輕量化、精密化的鑄造毛坯，是國內(nèi)外動力機械工藝發(fā)展的總趨勢。新型的機械設(shè)計采用高強度、高韌性材質(zhì)以減小壁厚和斷面尺寸；殼形鑄造、復(fù)砂造型生產(chǎn)曲軸毛坯，減少毛坯的加工余量。熔化時，沖天爐繼續(xù)朝著大容量、連續(xù)化、高溫?zé)犸L(fēng)方向發(fā)展，同時，在精確配料、爐況檢測、故障診斷、自動控制等方面進一步實現(xiàn)計算機化。球鐵熔煉工藝將得到進一步發(fā)展。變頻電爐同時用于熔化、保溫的雙爐體交替生產(chǎn)的范圍將得到發(fā)展。砂處理和清理方面，重點發(fā)展采用計算機控制砂處理系統(tǒng)乃至全過程，用計算機進行預(yù)測、診斷、控制型砂性能。使用機械手或機器人對鑄件進行拋丸、打磨和切割。

從新能源的使用來看，太陽能動力機械將是未來發(fā)展的核心。太陽能盤式聚光器和斯特林發(fā)動機能夠很好地結(jié)合成為一種新型的具有廣闊應(yīng)用前景的動力系統(tǒng)，其性能研究和開發(fā)利用受到世界許多國家的重視。理想的斯特林循環(huán)由兩個等溫和等容過程組成，其循環(huán)效率為卡諾效率，循環(huán)輸出功在相同的壓力范圍內(nèi)比內(nèi)燃機要大，其循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)壓力變化平緩，循環(huán)壓力比通常小于2，而且沒有氣閥機構(gòu)，因而其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)安靜。此外，斯特林發(fā)動機能自行啟動，其轉(zhuǎn)速是靠輸入能量的多少來調(diào)節(jié)的，熱效率變化不大，特別適合變工況下工作。太陽能集光器的目的是盡可能使斯特林發(fā)動機的熱端溫度接近其最大設(shè)計運行溫度并為其供應(yīng)足夠的能量。目前，盤式斯特林太陽能動力機械已經(jīng)成功運用到了汽車等行業(yè)中。

4 總結(jié)

動力機械包括將熱能、化學(xué)能、原子能、電能、流體壓力能和天然機械能轉(zhuǎn)換為適合于應(yīng)用的機械能，因此它在國民生產(chǎn)生活中的地位相當重要。動力機械及其配件制造是汽車、摩托車、船舶制造、工業(yè)機械以及農(nóng)機等行業(yè)的配套產(chǎn)品，其產(chǎn)品性能必須滿足下游行業(yè)的需要，同時這些行業(yè)的運行狀況及景氣程度將直接影響動力機械及配件產(chǎn)品的市場需求。隨著科技的發(fā)展，動力機械將會向更綠色更高效的道路前進。

參考文獻

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[3]黃護林，太陽能斯特林發(fā)動機的性能模擬，太陽能學(xué)報，2004年10月，第25卷第五期，657-662.

作者簡介

常豐田（1991—），男，漢族，河南省洛陽市伊川縣，鄭州大學(xué)本科生，研究方向：機械工程及自動化。

金一鳴（1993—）：年生，男，漢族，浙江省江山市，鄭州大學(xué)本科生，研究方向：機械工程及自動化。

王濤出生（1992—），男，漢族，河南省駐馬店平輿縣，鄭州大學(xué)本科生，研究方向：機械工程及自動化。