因此,拋棄了笨重鍋爐的內燃機,最終以其重量輕、體積小、熱效率高和操作靈活等優點,在船舶和機車上逐漸取代了蒸汽機。汽輪機則以其熱效率高、單機功率大、轉速高、單位功率重量輕和運行平穩等優點,將蒸汽機排擠出了電站。接著電動機又以其使用方便代替了蒸汽機在工業設備中的應用。然而小功率蒸汽機熱效率比汽輪機高,所以在產煤區或隻有劣質燃料的地區或某些特殊場合,蒸汽機仍有發揮作用的餘地。
蒸汽機有很大的曆史作用,它曾推動了機械工業甚至社會的發展。隨著它的發展而建立的熱力學和機構學為汽輪機和內燃機的發展奠定了基礎。汽輪機繼承了蒸汽機以蒸汽為工質的特點和采用凝汽器以降低排汽壓力的優點,摒棄了往複運動和間斷進汽的缺點。內燃機繼承了蒸汽機的基本結構和傳動形式,采用了將燃油直接輸入汽缸內燃燒的方式,形成了熱效率高得多的熱力循環。同時,蒸汽機所采用的汽缸、活塞、飛輪、飛錘調速器,閥門和密封件等,均是構成多種現代機械的基本元件。
四、風力機
將風能轉換為機械功的動力機械,又稱風車。廣義地說,它是一種以太陽為熱源,以大氣為工作介質的熱能利用發動機。許多世紀以來,它同水力機械一樣,作為動力源替代人力、畜力,對生產力的發展發揮過重要作用。近代機電動力的廣泛應用以及20世紀50年代中東油田的發現,使風力機的發展緩慢下來。20世紀70年代初期,由於“石油危機”,出現了能源緊張的問題,人們認識到常規礦物能源供應的不穩定性和有限性,於是尋求清潔的可再生能源遂成為現代世界的一個重要課題。風能作為可再生的、無汙染的自然能源又重新引起了人們重視。
風車最早出現在波斯,起初是立軸翼板式風車,後又發明了水平軸風車。風車傳入歐洲後,15世紀在歐洲已得到廣泛應用。荷蘭、比利時等國為排水建造了功率達66千瓦以上的風車。18世紀末期以來,隨著工業技術的發展,風車的結構和性能都有了很大提高,已能采用手控和機械式自控機構改變葉片槳距來調節風輪轉速。風力機用於發電的設想始於1890年丹麥的一項風力發電計劃。到1918年,丹麥已擁有風力發電機120台,額定功率為5~25千瓦不等。第一次世界大戰後,製造飛機螺旋槳的先進技術和近代氣體動力學理論為風輪葉片的設計創造了條件,於是出現了現代高速風力機。1931年,前蘇聯采用螺旋槳式葉片建造了一台大型風力發電機,風速為13.5米/秒時,輸出功率達100千瓦,風能利用係數提高到0.32。在第二次世界大戰前後,由於能源需求量大,歐洲一些國家和美國相繼建造了一批大型風力發電機。1941年,美國建造了一台雙葉片、風輪直徑達53.3米的風力發電機,當風速為13.4米/秒時輸出功率達1250千瓦。英國在20世紀50年代建造了三台功率為100千瓦的風力發電機。其中一台結構頗為獨特,它由一個26米高的空心塔和一個直徑24.4米的翼尖開孔的風輪組成。風輪轉動時造成的壓力差迫使空氣從塔底部的通氣孔進入塔內,穿過塔中的空氣渦輪再從翼尖通氣孔溢出。法國在20世紀50年代末到60年代中期相繼建造了三台功率分別為1000千瓦和800千瓦的大型風力發電機。
新一代風力機的特點是:①增強抗風暴能力;②風輪葉片廣泛采用輕質材料,如玻璃纖維複合材料等;③運用近代航空氣體動力學成就使風能利用係數提高到0.45左右;④用微處理機控製,使風力機保持在最佳運行狀態;⑤發展風力機陣列係統;⑥風輪結構形式多樣化。法國人在20世紀20年代發明的垂直軸風輪在淹沒了半個多世紀之後,已成為最有希望的風力機型之一。這種結構有φ型、Δ型、Y型和◇型等多種形式。它具有運轉速度高、效率高和傳動機構簡單等優點,但需用輔助裝置起動。人們還提出了許多新的設想,如旋渦集能式風力機,據估計,這種係統的單機功率將100~1000倍於常規風力機。