热机综述

热机综述一、热机的定义热机，即产生热能，而后将热能转化为对外做功的机械，热能的来源主要包括燃烧和核能，做功的形式主要为旋转和喷气。

符合以下2个特征的机械，即可称为热机：a)要产生热能；b)要有能够吸收热能，并将热能转化为对外做功的工质，一般是空气或水。

常见的热机有蒸汽机、蒸汽轮机、活塞内燃机、燃气涡轮机，若无特别说明，文中热机即指这4种常见热机。

二、热机的分类及特点一般将热机分为两大类，即内燃机和外燃机，其判别方式和特点分别如下。

1.内燃机若工质参与了产生热能的过程，即是内燃机。

以活塞内燃机、燃气涡轮机为代表，空气作为工质并参与燃烧，热能来源为燃烧，燃料一般为汽油、柴油、天然气、煤油等化石燃料。

其工作过程分为压缩空气、燃烧、燃气膨胀做功（活塞内燃机的这三个过程是间歇性的，燃气涡轮机的这三个过程是连续的），由于第一步是压缩空气，因此其起动需借助外力，外力一般为电动机、人力、空气涡轮、高速冲压或另一台内燃机。

2.外燃机若工质不参与产生热能的过程，即是外燃机。

以蒸汽机、蒸汽轮机为代表，水作为工质，热能来源可以是核能，也可以是燃烧，燃料不限，可以使用煤、重油、木材、可燃垃圾等，还可以使用太阳能和地热。

其工作过程分为加热水，水蒸气膨胀做功，无需借助外力起动。

虽然起动不需要借助外力，但相比内燃机，起动时间长得多。

三、热机的主要用途热机的作用就是输出功率，目前，热机的主要用途包括：a)作为发电机的动力，包括所有核电站、火电站，以及几乎所有移动式发电车和备用发电机；b)作为交通工具的动力，包括绝大部分无轨动力车辆、飞机、船舶，以及少量火车；c)作为地面作业设备的动力，驱动水泵、风机、液压泵等。

四、常见热机介绍本文从出现顺序，依次介绍4种常见的热机。

1.蒸汽机蒸汽机于17世纪末出现在英国，18世纪初完善，催生了第一次工业革命，从驱动地面设备，逐步应用到船舶，火车，火电站，甚至汽车。

现在看来，蒸汽机确实笨重、低效，目前也确实已被活塞内燃机、蒸汽轮机和燃气涡轮机取代。

但在当时，却是极其重要的发明，人类第一次可以自行支配动力的输出地点和时间，而不受限于风力、水流等自然条件。

并且，蒸汽机上的许多结构，被应用到了后来的动力机械上，例如，飞轮、曲轴、连杆、活塞、气缸、转速调节器、滑阀等，经过一定的改良，用到了活塞内燃机上；其锅炉，更是可以直接用于蒸汽轮机。

需要说明的是，蒸汽机的发明和之后相当长时间内的发展，是没有完整的理论体系支撑的，完全依靠纽卡门、瓦特、富尔顿、史蒂芬孙等工程师的经验和聪明才智。

2.活塞内燃机活塞内燃机是在蒸汽机的基础上，由火炮启发而来。

火炮在13、14世纪就已经出现了，但一直没有和动力装置联系起来。

18世纪末，欧洲人考虑，将炮管看成气缸；炮弹换成通过连杆连接飞轮和曲轴，使其能够来回滑动的活塞；炮管底部能够将火药燃烧的废气和残渣适时排出；将新鲜空气和火药间歇性的送入炮筒，并能从内部点燃，不就是一种新的动力机械嘛？想法有了，就差解决工程问题了，使用煤气代替火药，以保证燃烧后只产生废气，而没有残渣；气缸一端设置进、排气的装置；使用火花塞在气缸内部点燃。

内燃机的研制过程中，大量借鉴了蒸汽机上的飞轮与滑阀的联动装置，以及转速调节器，既保证了动作协同，又能稳定转速。

终于到19世纪60年代，法国人研制出了实用的活塞内燃机（煤气作为燃料），德国人将其发扬光大（汽油机和柴油机）。

期间，赖特、勒努瓦、奥托、戴姆勒、狄塞尔等工程师做出了重要贡献，德国工程师汪克尔还发明了旋转活塞发动机。

目前，活塞内燃机是应用最为广泛的热机，包括几乎所有的移动式发电车和备用发电机，绝大部分无轨动力车辆、商用船舶、小型飞机和地面作业设备，部分军用船舶，少量火车。

需要说明的是，活塞内燃机的发明和发展过程中，伴随着理论体系的不断成熟，包括热力学第一、第二、第三定律，涌现出焦耳、卡诺、开尔文、克劳修斯等一大批科学家。

活塞内燃机的发展中，有一件装置不得不说，那就是涡轮增压器，20世纪初，瑞士人提出了涡轮增压的概念，即利用废气的残余能量，驱动涡轮，涡轮驱动压缩机，使空气进入气缸之前就得到了预压缩，此举相当于增大了气缸的容量，可以使活塞内燃机产生更大的功率，二战时期，美国的飞机发动机广泛使用了涡轮增压器，使得其飞机在高空依然能够产生较大的功率，20世纪60年代，涡轮增压器开始被用到汽车发动机上。

加装了涡轮增压器的活塞内燃机，原理上已经与燃气涡轮机非常接近了，从图1和图2即可以看出。

图1 带涡轮增压器的活塞内燃机工作原理简图（网络截图）图2燃气涡轮机工作原理简图（网络截图）3.蒸汽轮机蒸汽轮机也是从蒸汽机的基础上发展起来的，不过将高压蒸汽用于推动叶轮的旋转，而不是间歇性地推动活塞。

19世纪末，瑞典人拉瓦尔和英国人帕森斯分别制造出了实用的蒸汽轮机，之后，蒸汽轮机的功率迅猛发展，最大单台功率已达1000MW级别。

目前蒸汽轮机主要应用在大功率领域，包括所有核电站和核动力船舶、大部分火电站、少量大型常规动力船舶。

还有一些在生产过程中产生废热或废蒸汽的企业，也会使用小型蒸汽轮机，驱动鼓风机等大型机械，以回收能源。

值得一提的是，常说的核电站、核动力航空母舰、核动力潜艇、核动力巡洋舰，其动力装置其实都是配备核反应堆的蒸汽轮机，即使用核反应堆代替常规蒸汽轮机的锅炉，加热作为工质的水。

蒸汽轮机出现时，热力学理论体系已经比较完善和成熟，不过，蒸汽轮机还需要另一门学科的支撑——流体力学。

蒸汽轮机出现之前，人类就已经研究流体力学200多年了，其中的著名科学家包括牛顿、欧拉、伯努利、拉格朗日、纳维、斯托克斯等，蒸汽轮机发展过程中，以普朗特、冯卡门为代表的一批科学家，将流体力学带到了一个新的高度，大大推动了蒸汽轮机的发展。

4.燃气涡轮机燃气涡轮机是热机的集大成者，经历的坎坷也最多，18世纪末，英国人巴伯就提出了燃气涡轮机的工作过程；1900年左右才制成不实用的燃气涡轮机；直到1920年，德国人霍尔茨瓦特才制成了一台实用的燃气涡轮机，但由于制造工艺的局限性，效率太低、可靠性太差，无法得到推广；20世纪30年代瑞士研制了地面发电用燃气涡轮机，德国和英国分别研制了航空用燃气涡轮机；二战结束后，随着空气动力学、燃烧学的逐步完善，高性能材料的出现，加工工艺的进步，燃气涡轮机得到了迅猛的发展和推广应用。

目前，燃气涡轮机的主要应用范围为：几乎所有的大、中型飞机（含巡航导弹），大部分军用船舶，部分火电站，少量无轨动力车辆（如坦克）、商用船舶和火车。

其中，船舶用燃气涡轮机一般为航空涡轮发动机改型，发电用燃气涡轮机一般为专门研制。

燃气涡轮机内部的空气流动和燃烧过程十分复杂，研制过程中需要借助大量的试验，并且燃气涡轮机对材料和制造工艺的要求十分苛刻，因此，燃气涡轮机的研制成本和门槛非常高，只有少数工业强国能够独立研制，其中最具代表的航空涡轮发动机，更是被称为“工业皇冠上的明珠”。

五、常见热机的应用更替随着几种热机的出现和发展，火电站、船舶、飞机的动力装置也不断变化，下面介绍其更替过程。

1.火电站火电站对热机的要求是：单机功率大、经济性好、连续运转能力强，对热机的尺寸、重量和噪声，没有过多的要求。

火电站一开始毫无疑问使用蒸汽机，蒸汽轮机于19世纪末出现，相比蒸汽机，蒸汽轮机的优势十分明显，单机功率大、运行平稳、效率高、寿命长，且无明显缺点，因此，蒸汽轮机迅速取代蒸汽机，成为火电站的动力装置，到20世纪20年代，大型火力发电站已基本全部使用蒸汽轮机。

二战后，随着燃气涡轮机的发展，以及人类对环境和能耗的愈发重视，燃气涡轮机和燃蒸联合循环动力装置开始大量进入火电站。

其中，燃气涡轮机启动快、尺寸小，但单机功率偏小，主要是作为调峰用；燃蒸联合循环动力装置，即燃气涡轮机后面接一蒸汽轮机，进一步利用燃气涡轮机的尾气热量，作为蒸汽轮机的热能来源，该动力装置的热效率可达60%，远超蒸汽轮机（约40%），因此大量新建电厂使用燃蒸联合循环动力装置。

尽管如此，蒸汽轮机由于其单机功率巨大、燃料要求低的优点，仍是火电站的主要动力装置。

2.船舶船舶对热机的要求比火电站要苛刻：功重比大、经济性好、可靠性高、尺寸小、噪声小，当然，不同类型的船舶，偏重也不同。

船舶最初使用的热机无疑也是蒸汽机，活塞内燃机出现后，开始取代蒸汽机，但由于活塞内燃机的功率限制，这种取代仅限于小型船舶；和火电站类似，蒸汽轮机一出现，即开始在大型船舶领域侵吞蒸汽机的市场，到20世纪30年代，大型船舶领域已被蒸汽轮机统治。

20世纪30年代到60年代，大型船舶主要使用蒸汽轮机，小型船舶和常规动力潜艇主要使用柴油机。

但是之后，随着燃气涡轮机的崛起和大功率柴油机（目前可达80MW）的研制成功，蒸汽轮机在大型船舶的应用被大大压缩。

目前，所有核动力军用船舶、少量大型常规动力军用船舶、少量商用船舶（主要是LNG 船）使用蒸汽轮机作为动力；大部分大型常规动力军用船舶、少量商用船舶、少量小型军用船舶使用燃气涡轮机或燃蒸联合循环动力装置作为动力；大部分商用船舶和小型军用船舶使用柴油机作为动力；部分大型常规动力军用船舶，为兼顾全速航行时的大功率和巡航时的经济性，采用联合动力装置，包括蒸汽轮机+燃气轮机，柴油机+燃气轮机等。

3.飞机飞机对热机的要求最为苛刻：功重比大、可靠性高、安全性好、尺寸小，并且随着技术的发展，对经济性和噪音的要求也越来越高。

飞机在1903年出现时，活塞内燃机已比较成熟，理所当然成为飞机的动力装置，1940年前后，德国和英国率先发明航空涡轮发动机，当时为涡喷发动机，由于航空涡轮发动机的先天优势太过明显，目前已完全占领大型飞机领域，部分小型飞机也使用航空涡轮发动机，并发展出了涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机和桨扇发动机。

但由于活塞内燃机的热效率更高，制造成本更低，其仍在小型飞机领域占有一席之地。

六、其它类型热机除上述四种常见热机，还有几种不太常见的热机，包括斯特林发动机、核动力喷气机、冲压发动机、火箭发动机、脉冲喷气发动机，本文简单介绍斯特林发动机和核动力喷气机。

斯特林发动机——英国人斯特林于1816年发明斯特林发动机，俗称“热气机”，属外燃机，工质为腐蚀性较弱的氦气、氢气等。

斯特林发动机在理论上非常完美，效率可无限接近100%，但制造工艺和控制手段过于复杂，因此在相当长的时间内，无法得到推广，随着制造工艺的进步，西方发达国家已经研制了多型斯特林发动机，作为潜艇的动力。

核动力喷气机——冷战时期，美国和苏联都曾经尝试研制核动力喷气机，把燃气涡轮机的燃烧室，换成核反应堆，空气经压气机压缩后，流经核反应堆加热，然后驱动涡轮，最后从喷管喷出。

原理并不复杂，制造上也可行，但是风险太大，导致美苏尚未进行过飞行试验，即先后放弃。

七、热机的前景众所周知，化石燃料是不可再生能源，随着化石燃料越来越少，在可预见的未来，笔者对热机的发展趋势进行了大胆的预测：a)大型船舶使用核动力，小型船舶使用电力或斯特林发动机；b)大部分发电站使用核动力，少量发电站使用水力、太阳能等；c)地面车辆和地面设备使用电力，活塞内燃机仅作为辅助或备用；d)大型飞机将使用燃烧合成燃料的燃气涡轮机，小型飞机使用电力。