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風機的起源及發展史

2018-09-07 08:58:13 AM

  顧名思義,風機也就是造風、送風的機械。風有自然風和機造風之別。前者的能量和威力很大很大。 

  18世紀初,在歐洲發生過一次大風,曾將25萬株樹連根拔了出來,這次大風在幾秒鍾內發出的功率,超過了735萬千瓦之多。1978年4月10日,在中國新疆哈密西部的紅柳車站,一陣大風使三節重4.4萬公斤的貨車,在一聲巨響中,象玩具似的翻下了路基。至於沿海地區年年發生的台風,它的威力和給人們造成的傷害就更大了。自然風是 大氣層中空氣對流的一種自然現象,也就是 由於空氣的溫度和密度發生了變化,而產生壓力差別,即是壓力高的空氣向低壓力區域流動而來的。風裏含有一種能量,叫做“風能”。風能和天然氣、石油、煤炭、水力、海洋能、太陽能、地熱一樣,也是能源中的一個分支。衡量風能大小的尺子是“風壓”,風壓的大小與風速的平方成正比,風速大,風壓亦大,風速小,風壓亦小。英國人蒲福於 1905年,以風速的大小做尺子,把“風”分成以0~12級的13個等級,稱為“蒲福風級”,每個風級取有名字從低到高,即:靜風、軟風、輕風、微風、和風、勁風、強風、大風、烈風、狂風、暴風、颶風。該風力等級很方便人們識別風的大小,靜風的風速低於0.2m/s,颶風的風速在32.7~36.9m/s,這級風有著非常大的摧毀力。1946年以來,風力等級又增加到18個等級、從13~17級的風速是可以用儀器測量時才用之。17級的風速為36.1~61.2m/s。對於風機來說,隻要測出它的風速是多少,就可知道這個風機能造出幾級風了。 

  一般三級自然風就可推動風車發出電來。科學家預測了一個數字:地球表麵上所接受的太陽能中大約有1.5%~2.5%變成為大氣層中的風力,在整個大氣層中的總風力約為3億億kw,即全年大約有26萬億億kw·h的能量。可以用來發電的風能又至少有10~100億kw之多,比全世界可利用的水力發電資源還要大出4倍;全世界每年燃燒煤所獲得的能量,也隻有風力在年內所提供能量的三千分之一。 

  那麽,機造風的能力又如何呢 ?這就是本文要談的中心內容。至於造風的風機又是怎樣產出和發展的呢?下麵就來追蹤溯源。 

  (一)風機鼻祖出神州 

  在我國古代也就是在商代、西周之前,就發明了一種強製送風的工具,名叫鼓風器,主要用於冶鑄業。4800年以前,我國就能製造青銅器 —— 銅刀;商代早期的銅爵,有的壁厚僅2mm;商代中期已使用錫青銅和鉛青銅兩種合金,能鑄造重80kg的大鼎.商代後期,青銅冶鑄業臻於鼎盛.我國早在春秋時代就已發明了鑄鐵技術。公元前14至前ll世紀的殷代時期,已開始運用了退火處理的熱處理技術。在商代中朝,公元前14世紀,我國用隕鐵製造武器,已采用了加熱鍛造工藝,所有這些工藝技術的發明、創造和用之於生產,都和送風工具鼓風器分不開的。 

  洛陽出土的西周鑄爐壁殘塊上已發現有通風口,依時代不同,鼓風器的部件結構也不盡相同。早期是用牛皮或馬皮製成的一種皮囊,古時稱之為橐。外接風管,利用皮囊的脹縮來實現鼓風。最初是單囊作業,在山東滕縣出土的漢代冶鐵畫像中可看出它的操作情形。 

  在戰國時期或者更早些時,我國出現了多橐並聯或串聯的裝置,漢代稱之為“排橐”。北寧時期又發明了木風扇。從元代王禎於1313年所著《農書》中的臥式水排圖和《熬波圖》來看,它的外形好像一個木箱,是利甩箱蓋啟閉來實現鼓風的。 

  在1634年明代宋應星著的古代科技名著《天工開物》中記載有木風箱,它是古老的活塞式鼓風器,一直沿用至今,可稱之為現代往複式壓縮機的鼻祖。木風箱兩端各設有一個進風口,口上設有活瓣。箱側設有一風道,風道側端各設一個出風口,口上亦裝有活瓣。通過伸出箱外的杆,驅動活塞往複運動,促使活瓣一啟一閉,以達到鼓風的目的。木風箱的動力有人力和水力等。 

  “水排”是古代以水力推動的冶鑄鼓風裝置。相傳是東漢(公元25~221年)初年南陽太守杜詩所發明的。在他之前,像冶鑄爐鼓風的動力主要是人力和畜力。水排工作部件隨著時代的不同經曆了皮囊、木風扇、木風箱階段。元代水排分臥輪式和主輪式兩種,是依靠連把旋轉運動變成直線往複運動的一種機構。 

  歐洲水力鼓風大約發明於12世紀,對l4世紀歐洲生鐵的出現起到了促進作用,但比起我國卻晚了很多年。 

  也不知公元前多少年,我國祖先就發明了簡單的木製礱穀風車,在南方沿用至今。它有一個等寬像現代多葉離心通風機機殼那樣的木板風箱,上麵有可放進穀子的方形口,左水平前麵有方口,木輪子置於風箱中,輪子木軸伸出,裝有搖把,靠搖把下側設有斜口,輪子前後與風箱均有空隙可進空氣。當手搖動輪子時,將穀子由上口倒進,由於輪子對由輪子與風箱之空隙進去的空氣做功,提高了氣體壓力,將穀殼和稻草末由前方口吹送出去,穀子因為比重大,就由左下側斜口流到穀袋裏。這種木質礱穀風車也就是現代離心通風機、鼓風機和壓縮機的鼻祖。 

  還有,螺旋槳式風車在我國古代也早有創造和應用,它又是軸流式風機的鼻祖。 

  (二)發達國家風機登先 

  盡管我國古代是風機鼻祖的發源地,但由於長期的封建統治,人們的智慧受到抑製,工農業受到阻滯。工業生產的落後帶來的是科學技術的落後,鼓風機械也就由盛而衰了。 

  18世紀,歐洲發生工業革命,蒸汽機車的出現,鋼鐵工業、煤炭工業的突飛猛進,通風機、鼓風機、壓縮機也就隨波逐流地發展起來了。有的國家的風機產品隨著鋼鐵產量的起落而起落;有的國家的風機產品則又隨著石油、石油化工產品的產量的升降而升降。 

 1862年,英國T·圭貝爾發明了離心通風機,其葉輪、機殼為同心圓型,機殼用磚製,木製葉輪采用後向直葉片,效率為40%左右,主要用於礦山通風。1880年,人們設計出用於礦井排送風的蝸形機殼和後向彎曲葉片的離心通風機,結構比較完善。1898年,愛爾蘭人設計出前向葉片的西羅柯式離心通風機,並為各國廣泛采用。19世紀,軸流通風機已應用於礦井通風和冶金工業的鼓風,但壓力僅為100~300Pa,效率僅為15%~25%。這種通風機,直到20世紀40年代以後才得到較快的發展。1935年,德國首先采 用軸流等壓通風機作為鍋爐通風機和引風機。 1948年,丹麥製成運行中動葉可調的軸流通風機。對旋軸流通風機、子午加速軸流通風機、斜流通風機和橫流通風機也都獲得發展。 

 離心式壓縮機是在離心通風機的基礎上發展起來的,20世紀出現了壓力比為4.5的離心壓縮機。50年代開始,離心壓縮機製造業在歐美的工業發達國家得到發展。1963年,美國生產出第一台合成氨廠用的14.7MPa高壓離心壓縮機,采用筒型機殼代替水平剖分型機殼,又稱筒型壓縮機,它能承受10MPa以上的壓力。70年代,美國、意大利和德國先後製成60~70MPa高壓筒型壓縮機,筒體壁厚280mm。80年代初排氣壓力已達80MPa。離心壓縮機的轉速一般為每分鍾幾千轉以上,有的已達到25000轉以上。所需功率可達幾萬千瓦,流量已達10000m 3 /min。離心壓縮機的常規葉輪是以一維流動理論為基礎設計的,60年代開始應用三維流動理論設計空間扭曲葉片,以改善葉輪級的性能。 

 軸流壓縮機也是在歐洲首先出現的。19世紀末,英國人C·A·帕森斯讓多級反動式汽輪機反向旋轉,作為試驗用軸流壓縮,但由於效率很低而不能實用。20世紀初,英國製造出第一台軸流壓縮機,效率仍不高。一直到30年代,由於航空事業的發展,開展了對軸流壓縮機氣體動力學理論研究和試驗研究,效率才有顯著提高。亞音速級(氣流速度低於聲速)中壓力比不大,一般不超過1.3。為了提高級的壓力比和增大流量,人們研究跨聲速和超聲速壓縮機,並已廣泛應用於噴氣發動機。