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從西門子到通用電氣

1831 年，英國科學家邁克爾·法拉第發現了電磁感應原理：旋轉的線圈通過磁場時可以產生電。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生旋轉運動。基于這一原理，美國工程師兼鐵匠托馬斯·達文波特于1834 年發明了電動機。1847 年，德國工程師維爾納·馮·西門子在柏林創立了西門子公司。1866 年，他進一步深化了法拉第的理論，發明了發電機。發電機采用自發電的電磁鐵，而不是永久磁鐵提供發電用的磁場。發電機的誕生使大規模、低成本發電成為現實。馮·西門子后來表示：電的出現為人們的工作條件帶來了徹底的變革。
　　馮·西門子的構想需要把能量轉換成旋轉形式，從而在電磁感應原理的作用下產生發電需要的旋轉運動。有人曾試圖用蒸汽機提供旋轉運動，但是蒸汽機效率太低，而且噪聲很大，因此不適合實現這一目的。工程師們為了解決這一問題，開始考慮改進一些人們曾經使用過的辦法。查爾斯·帕森斯爵士在這方面做出了杰出貢獻，他是一名英國工程師，研究輪船引擎和裝有火箭發動機的魚雷。1884 年，他獲得了蒸汽渦輪機的專利。蒸汽渦輪機的基本原理和水車相同，都是利用液體向上推動輪子產生旋轉運動。帕森斯的渦輪機利用蒸汽直接作用于裝在輪子上的、成一定角度的葉片。渦輪機用煤對水進行加熱，從而產生蒸汽。渦輪機是第一種能穩定發電的設備。1889 年，帕森斯在泰恩河畔的紐卡斯爾建立了C.A. 帕森斯公司，生產渦輪機并將渦輪機銷往世界各地。
　　與16 世紀的老式風車相比，帕森斯研制的首批渦輪機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家安裝渦輪機。1890 年，第一個使用蒸汽渦輪機的商業發電廠在紐卡斯爾建立，發電廠使用一對75 千瓦的渦輪機發電。此后，隨著世界各地越來越多的公司開始研發自己的渦輪機，渦輪機取得了迅速發展。自從可以大規模、穩定供電后，小至燈泡，大到工業設備，很多人工產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想設計的蒸汽渦輪機可發電70 兆瓦特（7 000 萬瓦特），幾乎是帕森斯設計的第一批渦輪機發電量的1 萬倍。1900 年，電力僅滿足美國制造業5% 的能源需求，而到1950 年，這一比例上升至70% 。廉價、便捷、大規模的發電方式是眾多廣泛應用的通用技術之一，這些通用技術共同對世界的發展產生了巨大影響。
　　與帕森斯發明的蒸汽渦輪機相比，現代社會最先進的渦輪機是燃氣渦輪機。燃氣渦輪機不使用蒸汽，而是利用熱燃氣形成的、快速流動的氣流驅動輪子發電。熱燃氣由燃燒的天然氣產生，主要成分是空氣、二氧化碳以及燃燒反應產生的蒸汽和其他物質。由于熱燃氣的能量承載能力優于蒸汽，所以燃氣渦輪機的效率高于蒸汽渦輪機。現在，燃氣渦輪機是最常用的、利用化石燃料的發電機。20 世紀20 年代，弗蘭克·惠特爾爵士的研究成果推動了燃氣渦輪機發電技術的發展。1930 年，英國工程師弗蘭克·惠特爾獲得了航空噴氣發動機的專利。噴氣發動機是一種提供推進力的燃氣渦輪機（由柴油或其他類似燃料提供動力）。惠特爾的基本設計原理是世界三大頂級制造商（通用電氣公司、美國普拉特·惠特尼集團公司、英國勞斯萊斯）生產的噴氣發動機的核心部分。
　　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氣渦輪機發電廠。布朗·勃法瑞當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。現在，ABB 集團是全球最大的電氣工程集團。當時的燃氣渦輪機發電量為4 兆瓦，運營效率為18% 。（運營效率指系統以電力的形式輸出的能量和以天然氣形式輸入系統的能量之比。）相比之下，2010 年銷售的燃氣渦輪機體型更大、效率更高。四大燃氣渦輪機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氣渦輪機的發電量為300 兆瓦，運營效率為60% 。燃氣渦輪機在體積和效率方面的改進在電價上有所體現。1900~2000 年，美國經濟整體處于通貨膨脹狀態，據此美國居民用電價格幾乎下調了94% 。1950~2000 年，乘客乘坐飛機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的發展。
　　如果沒有技術進步，就不會發生這些變化。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通過渦輪機的熱燃氣量，從而增加系統的能量輸出。渦輪機葉片上使用了更優質的化學涂料，可以使葉片耐高溫磨損。現代渦輪機的關鍵部件之一是噴嘴，噴嘴用來在天然氣燃燒前把天然氣噴入燃燒室。利用更精確的機器工具、更先進的計算機輔助設計的編程方法，人們可以設計并制造出公差更小的噴嘴內部器件，提高燃燒效率。在改進渦輪機的運行方式方面，計算機建模技術也產生了影響。應用計算機建模技術，工程師可以設計出更先進的操作程序，使渦輪機提供更多的能量，并使磨損最小化。工程師還可以設計出更先進的設備維護方法，比如更換部件。所有這些領域的技術都需要系統性的改進，在原有技術的基礎上不斷提出新方法。

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