动力机械及其未来发展趋势

摘 要：介绍了动力机械的三大分类：风力机械，水利机械和热力机械，并主要针对热动力机械，介绍了常见的几种热力发动机：蒸汽机，汽轮机，内燃机等。对目前动力机械的发展经行了综述，介绍了新型的太阳能发动机，并对动力机械未来发展趋势经行了预测。

关键词：动力机械；发展趋势；太阳能发动机

1 动力机械概念及其地位

与发电机不同，动力机械是将将自然界中的能量转换为机械能而作功的机械装置。而发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动。动力机械深刻地影响着人类的发展。从17世纪后期，随着机械的改进，煤和金属矿石需求量的增加，只依靠人力和畜力已不能适应生产提高的要求，于是在18世纪初出现了T.纽科门的大气式蒸汽机，用以驱动矿井排水泵。1765年，J.瓦特发明了有分开凝汽器的蒸汽机，降低了燃料消耗率。1781年，瓦特又创制出提供回转动力的蒸汽机，扩大了蒸汽机的应用范围。蒸汽机的发明和发展，促进矿业和工业生产、铁路和搬运机械动力化。几乎成为19世纪唯一的动力源。但蒸汽机及其锅炉、凝汽器和冷却水系统等体积庞大、笨重，应用不便。19世纪末，电力供应系统和电动机开始发展和推广。20世纪初，电动机已在工业生产中取代了蒸汽机，成为驱动各种工作机械的基本动力。发电站初期应用蒸汽机为原动机；20世纪初，出现了高效率、高转速、大功率的汽轮机，也出现了适应各种水力资源的大、小功率的水轮机。19世纪后期发明的内燃机经过逐年改进，成为轻而小、效率高、易于操纵并可随时启动的原动机。内燃机最初用于驱动没有电力供应的陆上工作机械，以后又用于汽车、移动机械（如拖拉机、挖掘机械等）和轮船，20世纪中期开始用于铁路机车。内燃机和以后发明的燃气轮机和喷气发动机，还是飞机、航天器等成功发展的基础技术因素之一。

2 动力机械的分类

动力机械按将自然界中不同能量转变为机械能的方式，可以分为风力机械、水力机械和热力发动机三大类。

2.1风力机械

有风帆、风车（风力机）、风磨等。二十世纪出现了直接应用风力的发电装置，但受到自然风区分布的限制，因为一般认为风速大于4米/秒才有利用价值。据估计，地球上蕴有风能约达10吉瓦，已经利用的不及百分之一，故风能大有开发的前景。

2.2水利机械

有水车、水磨、水轮机等。20世纪以来，利用水轮机发电的水电站日益增多，因为水电站具有运行费用低、无污染、取用不竭等优点。但是兴建水库、水坝，初始投资较大、建设时间较长，而且对生态平衡、地质力态平衡也有影响。中国水能蕴藏量约为680兆瓦，居世界之首，很有开发和利用的余地。

2.3热力发动机

热力发动机是目前最常见也是最常用的一类动力机械。它的范围很广，包括蒸汽机、汽轮机、内燃机（汽油机、柴油机、煤气机等）、热气机、燃气轮机、喷气发动机等。在工业、农业、交通、采矿、兵工等部门，内燃机的应用最为广泛。船舶、机车、汽车、物料搬运机械、土方机械、坦克、排灌机械、小型发电装置等无不以内燃机为动力。

蒸汽机是把蒸汽中的热能转化为机械能的热力装置。由于工作效率过低，除在少数国家仍用于机车外，已基本被淘汰。汽轮机是广泛用于大型发电机组和大型船舶的动力装置。热气机也称斯特林发动机，是以空气、氢和氦等作为工质、按回热闭式热力循环，进行周期性的压缩和膨胀而作功的热力发动机。热气机是外燃机，可以采用多种燃料，同时还具有噪声低、振动小和排污较少等优点，主要缺点是散热器大、密封困难和成本较高。

内燃机是将液体或气体燃料与空气混合后，直接输入汽缸内部的高压燃烧室燃烧爆发产生动力。这也是将热能转化为机械能的一种热机。内燃机具有体积小、质量小、便于移动、热效率高、起动性能好的特点。但是内燃机一般使用石油燃料，同时排出的废气中含有害气体的成分较高。内燃机的利用范围很是遍及。地面上各类运输车辆（汽车、拖沓机、内燃机车等），矿山、建筑及工程等机械，就是因为国家的限电所以早就了很多地方用自备电源发电，水上运输可作内河及海上船舶的主机和辅机。在军事方面，如坦克、装甲车、步兵战车、重兵器牵引车和各类水面舰艇等方面都大量利用内燃机。

3 动力机械未来发展趋势

动力机械未来的发展，或者是注重于更高效更精密的机械工艺，或者是致力于新能源的开发利用。传统的动力机械的噪声，特别是热力发动机的排放物又给人类造成了日益严重的公害。太阳能有其取之不尽用之不竭的特点，再加上它是一种清洁能源，越来越收到人们的重视。

从动力机械制造技术来看，采用先进工艺、提高机械化自动化水平、大力扩展计算机的应用范围，优质、高效地生产出轻量化、精密化的铸造毛坯，是国内外动力机械工艺发展的总趋势。新型的机械设计采用高强度、高韧性材质以减小壁厚和断面尺寸；壳形铸造、复砂造型生产曲轴毛坯，减少毛坯的加工余量。熔化时，冲天炉继续朝着大容量、连续化、高温热风方向发展，同时，在精确配料、炉况检测、故障诊断、自动控制等方面进一步实现计算机化。球铁熔炼工艺将得到进一步发展。变频电炉同时用于熔化、保温的双炉体交替生产的范围将得到发展。砂处理和清理方面，重点发展采用计算机控制砂处理系统乃至全过程，用计算机进行预测、诊断、控制型砂性能。使用机械手或机器人对铸件进行抛丸、打磨和切割。

从新能源的使用来看，太阳能动力机械将是未来发展的核心。太阳能盘式聚光器和斯特林发动机能够很好地結合成为一种新型的具有广阔应用前景的动力系统，其性能研究和开发利用受到世界许多国家的重视。理想的斯特林循环由两个等温和等容过程组成，其循环效率为卡诺效率，循环输出功在相同的压力范围内比内燃机要大，其循环系统中工质压力变化平缓，循环压力比通常小于2，而且没有气阀机构，因而其运转平稳安静。此外，斯特林发动机能自行启动，其转速是靠输入能量的多少来调节的，热效率变化不大，特别适合变工况下工作。太阳能集光器的目的是尽可能使斯特林发动机的热端温度接近其最大设计运行温度并为其供应足够的能量。目前，盘式斯特林太阳能动力机械已经成功运用到了汽车等行业中。

4 总结

动力机械包括将热能、化学能、原子能、电能、流体压力能和天然机械能转换为适合于应用的机械能，因此它在国民生产生活中的地位相当重要。动力机械及其配件制造是汽车、摩托车、船舶制造、工业机械以及农机等行业的配套产品，其产品性能必须满足下游行业的需要，同时这些行业的运行状况及景气程度将直接影响动力机械及配件产品的市场需求。随着科技的发展，动力机械将会向更绿色更高效的道路前进。

参考文献

[1]陈德权，我国动力机械行业的发展现状，商品与质量，2011（7），250.

[2]李海国，国内外内燃机曲轴制造技术现状及发展趋势，制造技术与机床，2003（8），12-15.

[3]黄护林，太阳能斯特林发动机的性能模拟，太阳能学报，2004年10月，第25卷第五期，657-662.

作者简介

常丰田（1991—），男，汉族，河南省洛阳市伊川县，郑州大学本科生，研究方向：机械工程及自动化。

金一鸣（1993—）：年生，男，汉族，浙江省江山市，郑州大学本科生，研究方向：机械工程及自动化。

王涛出生（1992—），男，汉族，河南省驻马店平舆县，郑州大学本科生，研究方向：机械工程及自动化。

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