化工史話9：長江後浪推前浪——汽輪機登場

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上回書說道，瓦特改進了蒸氣機，將蒸汽提水機變成了可作為動力機的活塞蒸汽機，在此基礎上出現了蒸汽動力機車等蒸汽驅動設備，就此拉開了第一次產業革命的序幕。瓦特的蒸汽機是具有劃時代意義的，但是大家應該也發現了，現實生活中我們已經見不到瓦特蒸汽機了。究其原因就是由於技術的進步活塞蒸汽機已經被淘汰了。在瓦特的時代，蒸汽機主要用於蒸汽火車，蒸氣輪船，蒸汽汽車以及其他動力設備上。到了現在，火車基本上實現了電氣化，輪船的動力也以蒸汽輪機為主，至於汽車的動力則變為了內燃機。而這一切的根源歸根到底還是因為蒸汽機的效率非常低，最高不超過20%，現在的內燃機，汽輪機效率可以提升到30%-40%。

今天我們就來說說汽輪機也就是透平的歷史，汽輪機現在仍在使用，主要作為船用動力和發電機組使用。在化工生產中主要用於大量氣體或液體的壓縮，也作為大型制冷機組的動力使用。汽輪機在大石化中使用較多，在精細化學品生產中使用較少。

在蒸汽機不斷進行改進的時候，對於蒸汽的發生設備，也就是鍋爐的改進也從未停止。鍋爐改進的一個主導思想就是儘可能的提高鍋爐產生蒸汽的壓力。熱力學告訴我們，鍋爐出口蒸汽壓力越高，鍋爐的能量利用率越高（大家暫時記住這個結論，以後講到熱力學的時候我會再詳細的說）。在瓦特那個時代，鍋爐產生的蒸氣壓力只是略高於大氣壓，基本上和我們現在做飯的高壓鍋壓力相當。究其原因就在於當時的鍋爐用鋼質量不行，我們之前曾經說過大規模鍊鋼的時代在十七世紀中期，恰好就是瓦特的時代，由於鋼鐵工業剛開始發展，對於鍋爐用鋼的研究還不是很透徹。實際上到了今天鍋爐用鋼也是一個非常特殊的鋼種，主要的要求就是在高溫下具有一定的強度，我們之前介紹的310S就是一種鍋爐用鋼。材料不過關導致鍋爐耐壓不足因此無法發生高壓蒸汽。直到是19世紀中期，就是鴉片戰爭前後，鍋爐鋼的技術才有所突破，鍋爐的蒸汽壓力提高到了1MPa左右，實際上這在現在也只能算低壓鍋爐，但是在當時卻是一個相當大的進步。到了現在，隨著壓力容器技術和燃燒技術的進步，用於火電的鍋爐其壓力已經可以做到22MPa以上，超過了水的臨界點，這就是我們說的超臨界發電機組。

有了高壓蒸汽了，現在我們嘗試一下用高壓蒸汽驅動活塞式蒸汽機吧，我們來看看如果提高蒸汽壓力能帶來什麼好處。首先，我們來看一看蒸汽推開活塞做功的過程，在這個過程中進入氣缸的首先是高壓蒸汽，蒸汽體積膨脹推開活塞後，蒸汽壓力和溫度降低。熱力學告訴我們，進入氣缸的蒸汽溫度越高，做功以後的蒸汽溫度越低，膨脹做功過程的熱效率就越高。因此高壓蒸汽可以提高瓦特蒸汽機的效率。但不要忘了，蒸汽機做工還有一個活塞退回的過程，這個過程中蒸汽壓力越高，活塞的動作頻率也會加快。但是非常遺憾的是，活塞動作頻率加快了，反過來制約氣缸內蒸汽的冷卻過程，導致做功以後的蒸汽無法充分冷卻，這對於蒸汽機的效率提高是負效應，這樣一正一負導致再怎麼提高蒸汽壓力，瓦特蒸汽機的最大效率都在25%左右。

一種提高活塞蒸汽機效率的方法就是蒸汽的多級利用，在一套機組裡配置多個氣缸與活塞，進入第一個氣缸的是高壓蒸汽，蒸汽在推動氣缸後蒸汽壓力下降，然後進入第二級氣缸推動氣缸內的活塞運動，出口蒸汽經過膨脹後壓力進一步降低，進入第三級氣缸。這就是我們說的三膨脹式蒸汽機。理論上氣缸數量越多，蒸氣利用效率越高，如果氣缸無限多的話，熱效率可以接近40%左右。

另外活塞結構本身也制約了蒸汽機的發展。首先就是活塞做不大，活塞這種東西越大越難加工，如果活塞變大，氣缸直徑也要增大。在達到相同壓力等級的條件下，氣缸直徑越大，其厚度也越大，耗費的材料明顯變多。另外還有配合公差的問題，活塞結構要求活塞外徑與氣缸內徑有一定的配合公差等級。相同公差等級下，活塞越大，活塞氣缸之間的縫隙越大，密封越難以保證。這導致氣缸內部的壓力註定是不能太高的。

鑒於活塞結構的局限性，為了利用高壓蒸汽，我們就必須採用其他的動力系統。這時候，我們的老朋友，希羅球再次登場。上一章說過，這種轉動結構在幾千年來沒有得到應用，主要的原因就是蒸汽壓力不足。現在這個問題被克服了，那麼這種結構自然而然地登上了歷史舞台，最終發展成了我們所說的汽輪機。

汽輪機有幾大好處：首先，它可以利用高壓蒸汽，理論上可以證明，汽輪機熱效率相當於無限級氣缸。其次，汽輪機可以做的非常大，這適用於大量做功的場合，而且汽輪機是越大越經濟。所以今天我們看到大型動力設備都採用汽輪機，比如說輪船，火力電站等。而小型動力設備，比如說小汽車等還在使用活塞結構，只不過能量來源被內燃機取代。

有記載世界上第一台汽輪機的製造者是瑞典工程師拉瓦爾，此人在1883年製造了第一台單級衝動式汽輪機，其功率為3.6kW。幾乎同一時間，英國工程師帕森斯設計了第一台反動式汽輪機，帕森斯的汽輪機結構複雜，採用了多級葉輪，其功率達到了7.35kW（此時，太平天國已經滅亡20年了，起義者應該已經投胎，又長成了一條好漢）。

當時的汽輪機結構還是非常簡單的，隨著加工技術的不斷進步，人類漸漸製造出了更大，更複雜的汽輪機，到了1905年，汽輪機功率已經可以達到10000kW了。而此時另一個問題出現了，那就是高溫材料的性能問題。我們來看看汽輪機的結構，可以概括為一個軸上套著奇形怪狀的葉片。而且一般來說，葉片結構越奇葩，汽輪機效率越高，但同時葉輪的局部應力就越高。汽輪機的轉動速度一般在幾千轉每分鐘，而且還是在高溫條件下工作，這對材料的高溫強度要求很高。這時候現有材料的強度就不夠了。

在後來的日子裡汽輪機的發展出現了明顯的跳躍性。由於材料的限制，每隔一段時間汽輪機的發展就會遭遇瓶頸，然後等待材料技術的進步。材料技術一進步就汽輪機就能跳躍性地發展一下，單機功率在短時間內迅速提高，然後又遇到新的瓶頸。二十年代的汽輪機功率為60000kW，到了三十年代，汽輪機功率已經可以達到200000kW了，五十年代以後又陸續出現了500000kW的汽輪機組，到了今天我國使用的汽輪機組已經到了1000000kW級別。短短100年間，汽輪機的功率竟然提高了20萬倍。而活塞發動機，直到今天其最大功率也就是3000kW左右，如此懸殊的差距導致蒸汽機徹底退出了歷史舞台。

關於汽輪機的介紹就到這裡，看了這篇文章後，你可能還有不少疑惑：在文章中我們多次提到了蒸汽機的效率問題，同時我們還引用了很多結論，比如高壓鍋爐效率高於低壓鍋爐，活塞蒸汽機的效率取決於蒸汽進入活塞與離開活塞時的溫度差。從下一講開始，我將介紹這些結論的理論依據，也就是熱力學的發展歷史。