【种花家务·物理】2-8-07蒸汽轮机『数理化自学丛书6677版』
【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。
【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。
第八章热机
【山话|| 本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳。另外这套老教材中的力的单位常用公斤，如今是不允许的，力是不能使用公斤为单位的。】
§8-7蒸汽轮机
【01】前面所讲的都是活塞式动力机，能不能不用活塞而直接用蒸汽来推动轮机呢？很早以来人们就在这方面进行了研究，并发明了蒸汽轮机。
【02】蒸汽轮机运转的基本原理和常见的风车相似。我们知道，风车是由轴轮和轮外沿的叶片所组成的，当风吹动叶片时，风车就旋转起来。风力越大，风车就旋转得越快，因此它是一种利用流动空气的动能来做功的装置。蒸汽轮机是由一个中央很厚的钢盘和钢盘外沿弧形叶片所组成的，如图8·40所示。当蒸汽喷射到叶片上时，轮机就转动起来，而且蒸汽速度越大，轮机转动得越快。
【03】那么怎样才能得到速度很高和动能很大的蒸汽呢？
【04】我们知道，当气体从高压空间流向低压空间时，压强差越大，流动的速度也越大，因此在蒸汽轮机里就利用喷嘴来得到高速的蒸汽，如图8·41所示。图8·42是一个扩张式喷嘴。从水管式锅炉的过热管送来的过热蒸汽经过喷嘴流向压强较低的空间。蒸汽从喷嘴喷出时，体积开始急剧地膨胀，同时压强降低，速度增大。这样的蒸汽具有很大的动能，也就是说蒸汽的内能在喷嘴中转变为蒸汽的动能。当蒸汽喷射到叶片上时，它的动能又转变为机轴旋转的机械能。
【05】图8·43是一个单级冲动式汽轮机的剖面图。1 是机轴，2 是叶轮，3 是叶片，4 是喷嘴，5 是汽室，6 是排汽管。从图8·44中可以看出蒸汽流动的情况。轮上叶片的形状是弯曲的。当蒸汽顺着叶片流过时，它们之间就有相互作用。叶片对汽流的作用是改变它的流动方向，汽流对叶片的作用是使叶轮和机轴转动。
【06】实际上，为了提高蒸汽使用的效率，常常采用压力多级冲动式的汽轮机，它的结构如图8·45所示。图中 1 是汽室，2 是第一级喷嘴，3 是第一级叶轮，4 是隔板，5 是第二级喷嘴，6 是第二级叶轮，7 是第三级喷嘴，8 是第三级叶轮，9 是排汽管。
【07】第一、二、三级的叶轮又称为动叶片，它们是并排装在机轴上的，用来带动机轴转动。第一、二、三级喷嘴又称为导向叶片，它们是固定在汽缸机罩上的。从图中可以看到各级喷嘴的作用，一方面是改变蒸汽的方向；另一方面是使蒸汽膨胀，降低压强，提高速度，从而推动叶轮转动。
【08】蒸汽轮机跟蒸汽机相比具有许多优点：蒸汽轮机比同样功率的蒸汽机的重量轻，体积较小，不需要用曲柄和飞轮等机械来将移动改为转动，因此转动均匀，没有振动；转动速度大，每分钟可以达到 3000 转；巨型蒸汽轮机的输出功率可以达到几十万千瓦；效率可以高达 25% 到 30%；机件中的滑动部分少，这样既节省了润滑油，又使蒸汽不致于被油沾污，因此在凝结后就可以作为多种用途。
【09】但是蒸汽轮机也有一些缺点，比如它只能沿着一个方向转动，不能开倒车，并且它的速度变化范围不能作较大的改变，所以不能象蒸汽机那样方便地被使用在机车上。同时汽轮的制造又需要较高的工艺水平，制造叶轮的材料要能够耐高温高压，一般是采用铬、钼、钒或钨的合金钢，机轴的锻造要求也很高。此外，蒸汽轮机运行时需要有高压蒸汽来喷射叶轮，因此它就必然要和高压锅炉连在一起，虽然它本身的体积很小，但整个蒸汽发动机还是很庞大和复杂的。所以蒸汽轮机一般只在巨型发电厂里用来带动发电机，或作为巨型舰艇上的发动机使用。
