動力機械及其未來發展趨勢

常豐田?金一鳴?王濤

摘 要：介紹了動力機械的三大分類：風力機械，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動機：蒸汽機，汽輪機，內燃機等。對目前動力機械的發展經行了綜述，介紹了新型的太陽能發動機，并對動力機械未來發展趨勢經行了預測。

關鍵詞：動力機械；發展趨勢；太陽能發動機

1 動力機械概念及其地位

與發電機不同，動力機械是將將自然界中的能量轉換為機械能而作功的機械裝置。而發電機是將其他形式的能源轉換成電能的機械設備，它由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅動。動力機械深刻地影響著人類的發展。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生產提高的要求，于是在18世紀初出現了T.紐科門的大氣式蒸汽機，用以驅動礦井排水泵。1765年，J.瓦特發明了有分開凝汽器的蒸汽機，降低了燃料消耗率。1781年，瓦特又創制出提供回轉動力的蒸汽機，擴大了蒸汽機的應用范圍。蒸汽機的發明和發展，促進礦業和工業生產、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等體積龐大、笨重，應用不便。19世紀末，電力供應系統和電動機開始發展和推廣。20世紀初，電動機已在工業生產中取代了蒸汽機，成為驅動各種工作機械的基本動力。發電站初期應用蒸汽機為原動機；20世紀初，出現了高效率、高轉速、大功率的汽輪機，也出現了適應各種水力資源的大、小功率的水輪機。19世紀后期發明的內燃機經過逐年改進，成為輕而小、效率高、易于操縱并可隨時啟動的原動機。內燃機最初用于驅動沒有電力供應的陸上工作機械，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。內燃機和以后發明的燃氣輪機和噴氣發動機，還是飛機、航天器等成功發展的基礎技術因素之一。

2 動力機械的分類

動力機械按將自然界中不同能量轉變為機械能的方式，可以分為風力機械、水力機械和熱力發動機三大類。

2.1風力機械

有風帆、風車（風力機）、風磨等。二十世紀出現了直接應用風力的發電裝置，但受到自然風區分布的限制，因為一般認為風速大于4米/秒才有利用價值。據估計，地球上蘊有風能約達10吉瓦，已經利用的不及百分之一，故風能大有開發的前景。

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、取用不竭等優點。但是興建水庫、水壩，初始投資較大、建設時間較長，而且對生態平衡、地質力態平衡也有影響。中國水能蘊藏量約為680兆瓦，居世界之首，很有開發和利用的余地。

2.3熱力發動機

熱力發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、內燃機（汽油機、柴油機、煤氣機等）、熱氣機、燃氣輪機、噴氣發動機等。在工業、農業、交通、采礦、兵工等部門，內燃機的應用最為廣泛。船舶、機車、汽車、物料搬運機械、土方機械、坦克、排灌機械、小型發電裝置等無不以內燃機為動力。

蒸汽機是把蒸汽中的熱能轉化為機械能的熱力裝置。由于工作效率過低，除在少數國家仍用于機車外，已基本被淘汰。汽輪機是廣泛用于大型發電機組和大型船舶的動力裝置。熱氣機也稱斯特林發動機，是以空氣、氫和氦等作為工質、按回熱閉式熱力循環，進行周期性的壓縮和膨脹而作功的熱力發動機。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點，主要缺點是散熱器大、密封困難和成本較高。

內燃機是將液體或氣體燃料與空氣混合后，直接輸入汽缸內部的高壓燃燒室燃燒爆發產生動力。這也是將熱能轉化為機械能的一種熱機。內燃機具有體積小、質量小、便于移動、熱效率高、起動性能好的特點。但是內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電，水上運輸可作內河及海上船舶的主機和輔機。在軍事方面，如坦克、裝甲車、步兵戰車、重兵器牽引車和各類水面艦艇等方面都大量利用內燃機。

3 動力機械未來發展趨勢

動力機械未來的發展，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利用。傳統的動力機械的噪聲，特別是熱力發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用范圍，優質、高效地生產出輕量化、精密化的鑄造毛坯，是國內外動力機械工藝發展的總趨勢。新型的機械設計采用高強度、高韌性材質以減小壁厚和斷面尺寸；殼形鑄造、復砂造型生產曲軸毛坯，減少毛坯的加工余量。熔化時，沖天爐繼續朝著大容量、連續化、高溫熱風方向發展，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計算機化。球鐵熔煉工藝將得到進一步發展。變頻電爐同時用于熔化、保溫的雙爐體交替生產的范圍將得到發展。砂處理和清理方面，重點發展采用計算機控制砂處理系統乃至全過程，用計算機進行預測、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展的核心。太陽能盤式聚光器和斯特林發動機能夠很好地結合成為一種新型的具有廣闊應用前景的動力系統，其性能研究和開發利用受到世界許多國家的重視。理想的斯特林循環由兩個等溫和等容過程組成，其循環效率為卡諾效率，循環輸出功在相同的壓力范圍內比內燃機要大，其循環系統中工質壓力變化平緩，循環壓力比通常小于2，而且沒有氣閥機構，因而其運轉平穩安靜。此外，斯特林發動機能自行啟動，其轉速是靠輸入能量的多少來調節的，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動機的熱端溫度接近其最大設計運行溫度并為其供應足夠的能量。目前，盤式斯特林太陽能動力機械已經成功運用到了汽車等行業中。

4 總結

動力機械包括將熱能、化學能、原子能、電能、流體壓力能和天然機械能轉換為適合于應用的機械能，因此它在國民生產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、工業機械以及農機等行業的配套產品，其產品性能必須滿足下游行業的需要，同時這些行業的運行狀況及景氣程度將直接影響動力機械及配件產品的市場需求。隨著科技的發展，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，太陽能斯特林發動機的性能模擬，太陽能學報，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，鄭州大學本科生，研究方向：機械工程及自動化。