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经济参考网读书频道
从西门子到通用电气
1831 年,英国科学家迈克尔·法拉第发现了电磁感应原理:旋转的线圈通过磁场时可以产生电。这个原理反过来同样成立,即在相同条件下,电流通过线圈时可以产生旋转运动。基于这一原理,美国工程师兼铁匠托马斯·达文波特于1834 年发明了电动机。1847 年,德国工程师维尔纳·冯·西门子在柏林创立了西门子公司。1866 年,他进一步深化了法拉第的理论,发明了发电机。发电机采用自发电的电磁铁,而不是永久磁铁提供发电用的磁场。发电机的诞生使大规模、低成本发电成为现实。冯·西门子后来表示:电的出现为人们的工作条件带来了彻底的变革。 冯·西门子的构想需要把能量转换成旋转形式,从而在电磁感应原理的作用下产生发电需要的旋转运动。有人曾试图用蒸汽机提供旋转运动,但是蒸汽机效率太低,而且噪声很大,因此不适合实现这一目的。工程师们为了解决这一问题,开始考虑改进一些人们曾经使用过的办法。查尔斯·帕森斯爵士在这方面做出了杰出贡献,他是一名英国工程师,研究轮船引擎和装有火箭发动机的鱼雷。1884 年,他获得了蒸汽涡轮机的专利。蒸汽涡轮机的基本原理和水车相同,都是利用液体向上推动轮子产生旋转运动。帕森斯的涡轮机利用蒸汽直接作用于装在轮子上的、成一定角度的叶片。涡轮机用煤对水进行加热,从而产生蒸汽。涡轮机是第一种能稳定发电的设备。1889 年,帕森斯在泰恩河畔的纽卡斯尔建立了C.A. 帕森斯公司,生产涡轮机并将涡轮机销往世界各地。 与16 世纪的老式风车相比,帕森斯研制的首批涡轮机提供的能量并没有显著增加。尽管如此,帕森斯还是说服了很多企业家安装涡轮机。1890 年,第一个使用蒸汽涡轮机的商业发电厂在纽卡斯尔建立,发电厂使用一对75 千瓦的涡轮机发电。此后,随着世界各地越来越多的公司开始研发自己的涡轮机,涡轮机取得了迅速发展。自从可以大规模、稳定供电后,小至灯泡,大到工业设备,很多人工产品都依靠电力提供能量。1931 年帕森斯去世时,一台基于他的最初构想设计的蒸汽涡轮机可发电70 兆瓦特(7 000 万瓦特),几乎是帕森斯设计的第一批涡轮机发电量的1 万倍。1900 年,电力仅满足美国制造业5% 的能源需求,而到1950 年,这一比例上升至70% 。廉价、便捷、大规模的发电方式是众多广泛应用的通用技术之一,这些通用技术共同对世界的发展产生了巨大影响。 与帕森斯发明的蒸汽涡轮机相比,现代社会最先进的涡轮机是燃气涡轮机。燃气涡轮机不使用蒸汽,而是利用热燃气形成的、快速流动的气流驱动轮子发电。热燃气由燃烧的天然气产生,主要成分是空气、二氧化碳以及燃烧反应产生的蒸汽和其他物质。由于热燃气的能量承载能力优于蒸汽,所以燃气涡轮机的效率高于蒸汽涡轮机。现在,燃气涡轮机是最常用的、利用化石燃料的发电机。20 世纪20 年代,弗兰克·惠特尔爵士的研究成果推动了燃气涡轮机发电技术的发展。1930 年,英国工程师弗兰克·惠特尔获得了航空喷气发动机的专利。喷气发动机是一种提供推进力的燃气涡轮机(由柴油或其他类似燃料提供动力)。惠特尔的基本设计原理是世界三大顶级制造商(通用电气公司、美国普拉特·惠特尼集团公司、英国劳斯莱斯)生产的喷气发动机的核心部分。 1939 年,布朗·勃法瑞公司在瑞士的纳沙泰尔建立了世界上第一家燃气涡轮机发电厂。布朗·勃法瑞当时是瑞士一家工程公司,50 年后,该公司和瑞典的阿西亚公司合并为ABB 集团。现在,ABB 集团是全球最大的电气工程集团。当时的燃气涡轮机发电量为4 兆瓦,运营效率为18% 。(运营效率指系统以电力的形式输出的能量和以天然气形式输入系统的能量之比。)相比之下,2010 年销售的燃气涡轮机体型更大、效率更高。四大燃气涡轮机制造商分别为通用电气、西门子、法国阿尔斯通和日本三菱重工,它们研制的最新款燃气涡轮机的发电量为300 兆瓦,运营效率为60% 。燃气涡轮机在体积和效率方面的改进在电价上有所体现。1900~2000 年,美国经济整体处于通货膨胀状态,据此美国居民用电价格几乎下调了94% 。1950~2000 年,乘客乘坐飞机飞行固定距离的费用也下降了类似的幅度,主要原因就是引擎技术的发展。 如果没有技术进步,就不会发生这些变化。人们用新型钢合金制造涡轮的叶片和燃烧室,使涡轮机可以在更高温度下运行,并且不引起金属部件变形。这样可以增加在固定时间内通过涡轮机的热燃气量,从而增加系统的能量输出。涡轮机叶片上使用了更优质的化学涂料,可以使叶片耐高温磨损。现代涡轮机的关键部件之一是喷嘴,喷嘴用来在天然气燃烧前把天然气喷入燃烧室。利用更精确的机器工具、更先进的计算机辅助设计的编程方法,人们可以设计并制造出公差更小的喷嘴内部器件,提高燃烧效率。在改进涡轮机的运行方式方面,计算机建模技术也产生了影响。应用计算机建模技术,工程师可以设计出更先进的操作程序,使涡轮机提供更多的能量,并使磨损最小化。工程师还可以设计出更先进的设备维护方法,比如更换部件。所有这些领域的技术都需要系统性的改进,在原有技术的基础上不断提出新方法。
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