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從西門子到通用電氣

1831 年，英國科學(xué)家邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理：旋轉(zhuǎn)的線圈通過磁場時可以產(chǎn)生電。這個原理反過來同樣成立，即在相同條件下，電流通過線圈時可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。基于這一原理，美國工程師兼鐵匠托馬斯·達(dá)文波特于1834 年發(fā)明了電動機(jī)。1847 年，德國工程師維爾納·馮·西門子在柏林創(chuàng)立了西門子公司。1866 年，他進(jìn)一步深化了法拉第的理論，發(fā)明了發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)采用自發(fā)電的電磁鐵，而不是永久磁鐵提供發(fā)電用的磁場。發(fā)電機(jī)的誕生使大規(guī)模、低成本發(fā)電成為現(xiàn)實。馮·西門子后來表示：電的出現(xiàn)為人們的工作條件帶來了徹底的變革。
　　馮·西門子的構(gòu)想需要把能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)形式，從而在電磁感應(yīng)原理的作用下產(chǎn)生發(fā)電需要的旋轉(zhuǎn)運動。有人曾試圖用蒸汽機(jī)提供旋轉(zhuǎn)運動，但是蒸汽機(jī)效率太低，而且噪聲很大，因此不適合實現(xiàn)這一目的。工程師們?yōu)榱私鉀Q這一問題，開始考慮改進(jìn)一些人們曾經(jīng)使用過的辦法。查爾斯·帕森斯爵士在這方面做出了杰出貢獻(xiàn)，他是一名英國工程師，研究輪船引擎和裝有火箭發(fā)動機(jī)的魚雷。1884 年，他獲得了蒸汽渦輪機(jī)的專利。蒸汽渦輪機(jī)的基本原理和水車相同，都是利用液體向上推動輪子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。帕森斯的渦輪機(jī)利用蒸汽直接作用于裝在輪子上的、成一定角度的葉片。渦輪機(jī)用煤對水進(jìn)行加熱，從而產(chǎn)生蒸汽。渦輪機(jī)是第一種能穩(wěn)定發(fā)電的設(shè)備。1889 年，帕森斯在泰恩河畔的紐卡斯?fàn)柦⒘薈.A. 帕森斯公司，生產(chǎn)渦輪機(jī)并將渦輪機(jī)銷往世界各地。
　　與16 世紀(jì)的老式風(fēng)車相比，帕森斯研制的首批渦輪機(jī)提供的能量并沒有顯著增加。盡管如此，帕森斯還是說服了很多企業(yè)家安裝渦輪機(jī)。1890 年，第一個使用蒸汽渦輪機(jī)的商業(yè)發(fā)電廠在紐卡斯?fàn)柦ⅲl(fā)電廠使用一對75 千瓦的渦輪機(jī)發(fā)電。此后，隨著世界各地越來越多的公司開始研發(fā)自己的渦輪機(jī)，渦輪機(jī)取得了迅速發(fā)展。自從可以大規(guī)模、穩(wěn)定供電后，小至燈泡，大到工業(yè)設(shè)備，很多人工產(chǎn)品都依靠電力提供能量。1931 年帕森斯去世時，一臺基于他的最初構(gòu)想設(shè)計的蒸汽渦輪機(jī)可發(fā)電70 兆瓦特（7 000 萬瓦特），幾乎是帕森斯設(shè)計的第一批渦輪機(jī)發(fā)電量的1 萬倍。1900 年，電力僅滿足美國制造業(yè)5% 的能源需求，而到1950 年，這一比例上升至70% 。廉價、便捷、大規(guī)模的發(fā)電方式是眾多廣泛應(yīng)用的通用技術(shù)之一，這些通用技術(shù)共同對世界的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響。
　　與帕森斯發(fā)明的蒸汽渦輪機(jī)相比，現(xiàn)代社會最先進(jìn)的渦輪機(jī)是燃?xì)鉁u輪機(jī)。燃?xì)鉁u輪機(jī)不使用蒸汽，而是利用熱燃?xì)庑纬傻�、快速流動的氣流�?qū)動輪子發(fā)電。熱燃?xì)庥扇紵奶烊粴猱a(chǎn)生，主要成分是空氣、二氧化碳以及燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的蒸汽和其他物質(zhì)。由于熱燃?xì)獾哪芰砍休d能力優(yōu)于蒸汽，所以燃?xì)鉁u輪機(jī)的效率高于蒸汽渦輪機(jī)�，F(xiàn)在，燃?xì)鉁u輪機(jī)是最常用的、利用化石燃料的發(fā)電機(jī)。20 世紀(jì)20 年代，弗蘭克·惠特爾爵士的研究成果推動了燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。1930 年，英國工程師弗蘭克·惠特爾獲得了航空噴氣發(fā)動機(jī)的專利。噴氣發(fā)動機(jī)是一種提供推進(jìn)力的燃?xì)鉁u輪機(jī)（由柴油或其他類似燃料提供動力）�；萏貭柕幕驹O(shè)計原理是世界三大頂級制造商（通用電氣公司、美國普拉特·惠特尼集團(tuán)公司、英國勞斯萊斯）生產(chǎn)的噴氣發(fā)動機(jī)的核心部分。
　　1939 年，布朗·勃法瑞公司在瑞士的納沙泰爾建立了世界上第一家燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)電廠。布朗·勃法瑞當(dāng)時是瑞士一家工程公司，50 年后，該公司和瑞典的阿西亞公司合并為ABB 集團(tuán)�，F(xiàn)在，ABB 集團(tuán)是全球最大的電氣工程集團(tuán)。當(dāng)時的燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)電量為4 兆瓦，運營效率為18% 。（運營效率指系統(tǒng)以電力的形式輸出的能量和以天然氣形式輸入系統(tǒng)的能量之比。）相比之下，2010 年銷售的燃?xì)鉁u輪機(jī)體型更大、效率更高。四大燃?xì)鉁u輪機(jī)制造商分別為通用電氣、西門子、法國阿爾斯通和日本三菱重工，它們研制的最新款燃?xì)鉁u輪機(jī)的發(fā)電量為300 兆瓦，運營效率為60% 。燃?xì)鉁u輪機(jī)在體積和效率方面的改進(jìn)在電價上有所體現(xiàn)。1900~2000 年，美國經(jīng)濟(jì)整體處于通貨膨脹狀態(tài)，據(jù)此美國居民用電價格幾乎下調(diào)了94% 。1950~2000 年，乘客乘坐飛機(jī)飛行固定距離的費用也下降了類似的幅度，主要原因就是引擎技術(shù)的發(fā)展。
　　如果沒有技術(shù)進(jìn)步，就不會發(fā)生這些變化。人們用新型鋼合金制造渦輪的葉片和燃燒室，使渦輪機(jī)可以在更高溫度下運行，并且不引起金屬部件變形。這樣可以增加在固定時間內(nèi)通過渦輪機(jī)的熱燃?xì)饬浚瑥亩黾酉到y(tǒng)的能量輸出。渦輪機(jī)葉片上使用了更優(yōu)質(zhì)的化學(xué)涂料，可以使葉片耐高溫磨損�，F(xiàn)代渦輪機(jī)的關(guān)鍵部件之一是噴嘴，噴嘴用來在天然氣燃燒前把天然氣噴入燃燒室。利用更精確的機(jī)器工具、更先進(jìn)的計算機(jī)輔助設(shè)計的編程方法，人們可以設(shè)計并制造出公差更小的噴嘴內(nèi)部器件，提高燃燒效率。在改進(jìn)渦輪機(jī)的運行方式方面，計算機(jī)建模技術(shù)也產(chǎn)生了影響。應(yīng)用計算機(jī)建模技術(shù)，工程師可以設(shè)計出更先進(jìn)的操作程序，使渦輪機(jī)提供更多的能量，并使磨損最小化。工程師還可以設(shè)計出更先進(jìn)的設(shè)備維護(hù)方法，比如更換部件。所有這些領(lǐng)域的技術(shù)都需要系統(tǒng)性的改進(jìn)，在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷提出新方法。

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