【新坑】神灯计划（番外篇）——蒸的好吗1.7完结撒花

sextant

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xwingx

这还一逗一捧，说上相声了

晚到的约瑟

xwingx 发表于 2021-1-28 14:33
这还一逗一捧，说上相声了

也是被逼无奈——大段的科普，很容易变成枯燥乏味的说明书

希望大家能喜欢这哼哈二人组合

晚到的约瑟

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晚到的约瑟

康沃尔（Cornish）蒸汽机

      “特里维西克的意思是，根本没必要人为制造冷凝，冷凝会带走大量的热量。正确的方法是直接用高于大气压的气体推动活塞，做功的同时，高压端蒸汽体积膨胀，压力降低，气体温度也同时降低，这时将高压气充进另一端，将活塞再推回来。这就是带压气体直接推活塞做功，简称‘直接作用’。很明显这种方案比瓦特的更好。”
      “这简直就是电动轿车和燃油轿车，降维打击！”
      “顾工您也读过三体啊？”
      “啊，没电视，只能看一堆闲书了。”
      “特里维西克和他的后继者们基于这个‘直接作用’的基本理念，对老式的纽科门蒸汽机一通魔改！并且完美绕过瓦特的那些专利技术壁垒。”
     “真大佬出手果然厉害！”
     “‘分离冷凝式’被‘直接作用’代替！*”
     “那肯定的！”
     “曲柄运动专利……”
     “就是坑死霍恩布洛尔的那个专利。”
     “咱不需要！”
     “为啥？”
     “纽科门蒸汽机本来就是横杆式蒸汽机的老祖宗啊，继续用横杆！”
     “老同志继续发挥余热！真不容易啊！”
     “离心调速专利……”
     “哟，这专利可重要啊，蒸汽机提供稳定的输出功率，全靠这离心调速器呢！这个发明在经典自动控制理论的历史地位上课重要了啊！”
     “咱也不用他！”
     “有志气，发明个新的，更好的！更棒的！”
     “不，咱慢吞吞一分钟做功几次，最多十几次，根本用不着那玩意！”
     “革命的够彻底的！”

     “整个机器，为了追求更大的马力，就只有一个技术瓶颈——往大了造，越大越好！”
     “于是70英寸属于小鸡仔，100英寸不算大，最大112英寸都有！”
     “嚯！好家伙！”
     “大就是美，粗就是好嘛！多么符合咱元老院的情趣呀！”
     “啊！这……能行吗？”
     “顾工，您老就把那‘吗’字放回肚里去吧。就这么着，这帮煤老板，为了省专利费为了省烧煤的钱，剑走偏锋，额不，旁门左道，额不，偷工减料，额不……”
     “除旧布新！”
     “对，我就是想说除旧布新！”
     “语文老师都快急死了！”
     “我工科的嘛……总之，一种拥有完全自主知识产权的全新蒸汽机诞生了，因为是康沃尔郡的煤老板们众筹研发的，名字就叫康沃尔（Cornish）蒸汽机。”

     “这……就这……？” 顾红军看看周比利，又看看“南天一柱”庞大的身姿，脑补着它吃力地镗着80英寸的巨大汽缸，想象着这笨重的家伙，一分钟才做几次活塞运动的慢镜头。这一切，都值得吗？
     “周工啊，我们又不用付那死人专利费，直接山寨瓦特所有专利，不香吗？有必要搞出个大家伙，大费周章吗？”
     “您是说造立式镗床，镗大汽缸吗？首先，矿山抽水，都是大家伙，山寨瓦特的也小不了，普遍也在60-70英寸，也要用的到立式镗床，省不了。其次，和瓦特的抽水机相比，他的单位耗煤量可以低到只有其一半！”
    “瓦特的抽水机，肯定不能和他比了，本身热效率也不是最好的。但咱可以用小点的，身材正常些的蒸汽机吗？虽然身材小，但是手脚快（转速快）呀！是不是一样能胜任矿山抽水呢？”
    “您说是用墨子I型这类通用型蒸汽机当矿山抽水机是吧？”
    “是啊，这些卧式固定蒸汽机的生产能力是现成的，不用添加新设备。”
    “我们一五期间的矿山抽水，就是使用墨子I型的，但实际情况……顾工，您是自己人，我说句临高日报上看不见的大实话——‘并不理想’啊！”
    “哦，是吗？”
    “矿山抽水机的工况，那都是泥里水里打滚，工况恶劣，而通用蒸汽机的活动零件又大大多于横梁式蒸汽机，24小时连续工作下，故障率就更上升了。而且经济性上也不占优。康沃尔蒸汽机19世纪初刚问世就吊打瓦特蒸汽机咱就不说了，其实他的经济性甚至堪比1850年代最优秀的卧式蒸汽机！”
    “这么优秀？”
    “可不是！很多人不知道，19世纪的很长一段时间里，他就是咱这个世界上热效比最高的热机机型。要知道作为矿山抽水机，这种大功率，连续工作的机器，哪怕是1%的效率差异，背后也意味着巨大的经济成本，更何况这个家伙还比卧式蒸汽机皮实，耐操，不会坏！”
    “但我们有400年的技术啊，1850年代的技术没优势，咱可以持续为卧式蒸汽机升级啊！走高压复涨的技术道路升级，不断提高自己的效率，这家伙能行吗？”
    “诶，顾工，您还真别瞧不上这家伙，人家历史上可是一直流行到20世纪初，那时候已经满世界高压复涨机了！也没撼动他的地位，为啥？”
    “为啥？”
    “人家也能高压复涨！而且改复涨的技术要求还特别低，康沃尔蒸汽机是元老院最容易复刻的复涨蒸汽机，因为人家复涨不用曲轴，还是用横梁！可以完全绕开现在复涨机道路上卡着我们的曲轴加工问题！我就准备用上几十年，积累好技术参数，下一步就出复涨版本的康沃尔蒸汽机了。”

       几十年？顾红军心想，元老院10年里还不能点亮电机，30年里还不能普及电气化，一心想着蒸汽机缝缝补补用几十年，这帮多铆钢蒸党的怨念还真深啊！不过想想这都三四十年以后的事情了，到时候自己在哪里埋着都不知道呢！就由着这帮孩子折腾吧！顾红军笑而不语，喝了口枸杞茶，悠悠道：“这可是重大利好啊！据我所知元老院上上下下，有复涨蒸汽机执念的元老可都快有一个连了！”

     “说到复涨，历史上康沃尔蒸汽机基本上用不坏，很多老机器，一用几十年，然后接受改造，变复涨机，通上更高压力的蒸汽，接着再用几十年！所以担心康沃尔蒸汽机的制造成本高的元老，可以算算，这么分摊下来，这机器成本还算高吗？”
     “这真用回老本了！”
     “反正资本家是最会算的，康沃尔蒸汽机在历史上被欧亚、北美广泛使用，20世纪初，上海新建自来水厂，英国人控制的工部局新购置的水泵还是200马力的康沃尔蒸汽机。”
     “这么看来，这康沃尔蒸汽机除了大点儿，笨重点儿，还真是个好东西罗！”

     “那可不是，但是任何反动派都不会安心自己的失败。”
     “噢？这话怎么说？”
     “瓦特自然不会甘于这样被挤出市场的。于是，瓦特就四处造谣，宣传高压蒸汽机不安全，容易爆炸，以此抹黑对手。瓦特是老前辈，德高望重，他说的话，许多人都相信。因此，在瓦特的打压下，特里维西克生产出来的高压蒸汽机，很长时间并不被市场接受。特里维西克，最后孤身一人，在贫民窟中贫病交加中死去，死后身无分文。”
     “挺惨的！但高压蒸汽容易爆炸，这也好理解啊！元老院也有一票元老，一直担心咱蒸汽机厂的产品是炸弹，不同意蒸汽机厂增能扩产么？”
     “要不怎么说，瓦特的这种流言遗毒很深呢！连咱元老院都深受其害！其实我们所谓的高压蒸汽机的工作压力也就是高于标准大气压8,9倍了不起了。而旧时空高压蒸汽的定义是至少98个大气压，12个大气压以下的都是低压，低压啊！我们连低压的上限都没摸到呢！高压爆炸说的根本不是一个概念。这帮人不是喷子一样笨，就是瓦特一样坏！真要是发生高压蒸汽爆炸事故了，反而从侧面证明我们元老院的科技水平已经提升到一个新高度了，简直就是一件喜事了！”
     “你这是要丧事喜办呀！”
     “不不，我就是澄清概念。而且就算是现在标准下，咱的蒸汽机都有安全泄压阀，厂里厂外就没出过一起蒸汽机爆炸的工伤。倒是现在咱辣鸡的材料和密封，各种管路的高温蒸汽泄漏问题不少。检修工走在蒸汽管路附近，简直就是进了雷场！”
     “怎么说？”
     “不知道何时何地，哪个接缝就漏气了，喷你一脸169.6C°的蒸汽！”
     “嚯！这是要烫秃噜皮啊！”
     “是啊，漏气才是日常，爆炸？那是瓦特的谣言！”
     “其实啊，瓦特这种做法也不新鲜，一百多年后，发明电灯的爱迪生主推直流电，为了经济利益，爱迪生同样祭出了造谣的手段，高压的交流电会电死人，还当众电死一头大象，渲染触电致死的恐怖，造成大众的害怕，为的就是抹黑特斯拉主推的交流电。可见，商业竞争自古以来就是你死我活，各种阴招损招层出不穷，没有多少道德可言。”

    “顾工，您说的太对了！瓦特的造谣抹黑，以及设置的各种专利壁垒，阻碍了高压蒸汽机的推广，特别是阻碍了火车、轮船、汽车的发明与发展。因为蒸汽机驱动交通工具，显然需要效率更高的高压蒸汽机。作为蒸汽机的发明人，瓦特的后半辈子并没想当那个时代的救世主，人类文明之光，去有力地推动工业革命，他功成名就的后半生，作为既得利益者，却设置了许多专利壁垒，造谣抹黑后辈，阻挡了后人的前进。”
     “这也容易理解，大范围更换高压蒸汽机，将损害他的既得利益。”穿越众一向自诩是17世纪世界上最先进的生产力的代表，可是等他们篡取了统治权后，他们的屁股自然就坐到了既得利益的那一方。“既得利益集团”呵呵，任何时代，这都是最反动最腐朽的代名词。可元老院里总有人得了利益还不承认自己的反动，总想着要当这个世界的救世主，这是真的很傻很天真？还是忽悠土著多了，反而自己把自己忽悠瘸了呢？要想既得利又不反动，势必就要代表广大人民群众的基本利益了，瓦特没这个觉悟，你就有了？等等，有了的话，那不就成了我党了？想到这里，顾红军不禁哑然失笑，想到元老院现在要求土改发动群众斗地主的声势一天高过一天，工厂里工会联动，元老捧着红宝书唤醒工人当家作主的意识……这样不断努力，有朝一日元老院自己培养的掘墓人，高唱“世界上没有救世主”，打倒元老院，开批斗大会，将元老们一个个挂路灯，真是一幕意味深远的穿越喜剧啊！而且还TM超级主旋律！
周比利并没有注意的到顾红军意味深长的笑意，还在大谈康沃尔蒸汽机可以结构不大概的情况下，轻松升到十几个大气压，用复涨方式工作，能更经济云云……
       这孩子挺执着的，人不坏，甚至挺可爱的！就是有些缺心眼。周比利兴奋的东西和他顾红军关系并不大，顾红军笑着说：“给人玫瑰手有余香，如今能镗大气缸了，周工也要多给机械厂供应大马力的原动机啊！”

*实际上康沃尔蒸汽机也有冷凝器，所以历史上比较求稳的特里维西克一开始并没有大张旗鼓地在康沃尔以外的地区推广他的机器。康沃尔蒸汽机的广泛应用历史上要到1830年代之后了。

晚到的约瑟

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晚到的约瑟

康沃尔式蒸汽机（Cornish Engine）的结构和工作原理介绍

康沃尔式蒸汽机在蒸汽机发展历史地位上是如此重要，以至于《技术史》专门为这种蒸汽机开了一个章节进行详细介绍：

康沃尔循环取得了如此显著的成功，因而值得对它进行比较详细的论述。

图 47 给出了单作用康沃尔式抽水用蒸汽机的汽缸和阀门剖面。开始时活塞位于顶部，由锅炉供给的压强为每平方英寸 40 ~50 磅的蒸汽流经进汽阀 A 进入汽缸，驱动活塞向下运动，此时阀门 B 处于关闭状态。同时，活塞下面的汽缸空间通过排汽阀 C 与凝汽器相通。当活塞运动到行程的 1/1O 到 1/5 时，阀 A 关闭，切断了蒸汽流，剩余的行程是靠蒸汽的膨胀来完成的【同人作者按：这个阶段就是所谓的“直接作用”】。在一个缓冲调节器的作用下，活塞暂停了一下，以让泵筒里注满水，【同人作者按：这个过程的控制在卧式蒸汽机中由离心调速器控制，而在这里以一种类似液压的机构代替完成，并且效果很好。】之后，当行程结束时平衡阀 B 开启，而阀 A 和阀 C 关闭。这时，蒸汽从活塞上部通过阀 B 流到活塞下部的空间中，但不直接流人凝汽器。在泵杆和滑块重量的作用下，处于平衡状态的活塞再次上升。当活塞移动到接近汽缸顶部时，阀 B 关闭，剩余的蒸汽被压缩而起到了缓冲效应，同时废汽通过阀 C 而排人凝汽器。这里用了哈维（ Harvey ）和韦斯特（ West ）于 1839 年发明的双座阀，以消除旧式瓣阀突然关闭时所引起的震动。康沃尔式蒸汽机经济效果提高的主要原因是： ( a ）提早切断蒸汽流； ( b ）利用蒸汽膨胀来做功；( c ）从进汽到排汽，温度的下降实际上是分两个阶段进行的，即在活塞上方，是从进汽到放汽；在活塞下方，是从放汽到排汽，这样就使得活塞上方的余隙空间从不与凝汽器直接相通； ( d ）汽缸、蒸汽管路和锅炉的隔热层防止了热量向周围空间的散发。

如下图：“高压蒸汽”从活塞下方进入气缸，靠体积的膨胀直接作用于活塞将活塞顶起，同时活塞下方空间增大，蒸汽压力“自然”下降，并不依赖冷凝器。

图 48 给出了泰勒（ Taylor ）关于康沃尔式抽水用蒸汽机的一个很好的构思， 1840 年佩伦铸造厂（ Perran Foundry ）为联合矿业公司（ United Mines ）制造了一台这样的蒸汽机。它的大小可用图中值班员的身高来推断。它的汽缸直径为 85 英寸，行程为11英尺，每分钟完成7.5 次往复行程时，产生的最大功率为 220 马力；此数值是1851 年时用这种泵每分钟抽水 500加仑时测得的。那根铁横杆是由固定在一起的各长 34 英尺的两根平行的铸件制成的。在 1840 年有限的设备条件下制造和安装这样大型的蒸汽机是要有相当熟练的技术的，这不由不令人对那时的康沃尔工程师们所取得的杰出成就表示赞赏和尊敬。

随着制造经验的丰富以及大量需要蒸汽机的矿井的深度越来越深，蒸汽机的规格也随之增大。 1856 年，海尔的哈维公司（ Harvey &  Company ）为索斯握克和沃克斯霍尔自来水公司 ( Southwark and Vauxhall Water Company ）的巴特西泵站制造了一台汽缸直径 112 英寸、行程 10 英尺的蒸汽机。

由于康沃尔式蒸汽机保护协会（ Cornish Engines Perservation Society ）的成功努力，一些出色的康沃尔式蒸汽机才免遭破坏而保留了下来。其中一台蒸汽机是由船长格罗斯（ Samuel Grose ）设计，桑兹、卡恩和维维安公司（ Sandys , Carne & Vivian ）于 1854 年在海尔的科拍豪斯铸造厂（ Copperhouse Foundry ）建造的。该机的汽缸直径为 80 英寸，行程为 10 英尺 4 英寸。它是现存的最古老的康沃尔式蒸汽机中的一台，经过两次迁移以后，最终于 1903 年重新安装在南科罗夫蒂（ South Crofty ）的罗滨逊的竖井矿区。在那里，它连续工作了 50 年，现已光荣“退休”。一台更大的蒸汽机是由哈维公司的海尔铸造厂（ Hayle Foundry ）按照特雷斯特雷尔（ Nicholas Trestrail ）的设计为布雷亚角矿（ Carn Brea Mine ）制造的，它是在康沃尔郡制造的最后一批这种类型的蒸汽机中的一台，其汽缸直径为 90 英寸，行程为 10 英尺，并于 1924 年重新安装在东普尔和阿加尔矿（ East Pool and Agar Mine ）。

由于伦敦是英国人口最多的城市，满足对水的需求，一直是各个供水企业所面临的迫切任务。这些供水企业是在 1902 年大都会供水局（ Metropolitan Water Board ）建立之前的 19 世纪发展起来的。为伦敦制造的功率最大的康沃尔式蒸汽机之一被命名为“维多利亚” ( Victoria ) ，它是由哈维公司为东伦敦自来水公司制造的， 1854 年安装在利桥（ Lee Bridge ）的泵站。该机的汽缸直径为 100 英寸，行程为 11 英尺，由 8 台康沃尔式锅炉供给蒸汽，蒸汽压强为每平方英寸 40 磅。

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《技术史》还提到，历史上有一种蒸汽机虽然外观上看起来与康沃尔式蒸汽机很不一样，但它本质也是以康沃尔式循环的方式来工作的。可以看作是康沃尔式蒸汽机一个变种，因为布尔（ Edward Bull ）在 1792 年引人了这种机器，故称为布尔蒸汽机。该机的汽缸是靠横贯机房的一些横梁支承在泵轴上方的，而穿过汽缸底盖的活塞杆与泵筒柱塞直接相联。布尔去掉了笨重的横梁，采用了小型的机房。

技术史没给出配图，让这段描述有些云里雾里。本元老扒了一下，把这种蒸汽机的图也一铲子从坑里翻出来晒晒：

从图上就能直观感受到布尔蒸汽机为啥能用了小型的机房。不过作者觉得这样的半地下建筑其实并不利于平时维修和后期改造。

布尔蒸汽机也和康沃尔蒸汽机一样经久耐用。哈维公司制造了数台这种类型的蒸汽机，其中两台是在 1855 年制造的，汽缸直径为66英寸；一台是在 1857 年制造的，汽缸直径为 70 英寸；还有一台是 1871 年制造的，直径是 90 英寸。这些机器都是为索斯渥克和沃克斯霍尔自来水公司制造的。大都会供水局在伦敦附近的基尤桥（ Kew Bridge ）泵站保存了一台由哈维公司在 1859 年制造的汽缸直径为 70 英寸的布尔蒸汽机和其他 4 台大型的具有历史意义的蒸汽机。这 4 台蒸汽机中的两台分别是在 1820 年和 1838 年制造的，一台是 64 英寸瓦特横杆式抽水用蒸汽机，另一台是 64 英寸莫兹利横杆式抽水用蒸汽机。后来，这两台蒸汽机都被改造为康沃尔循环方式。另外两台是 1846 年由桑兹、卡恩和维维安公司制造的 90 英寸康沃尔式抽水用蒸汽机和 1871 年由哈维公司制造的 100 英寸康沃尔式抽水用蒸汽机。后者一直用到 1946 年 5 月。

这里介绍布尔蒸汽机，是因为有现成的这种蒸汽机从单涨改造成复涨的资料

图文配合，说的挺清楚，我就不多说明了。康沃尔的蒸汽机复涨改造无非就是将横杆放到上方

还可以像下图这样左右开工，高低压复涨“全双工”方案


总之横杆式蒸汽机复涨不用曲轴，技术上很容易实现

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康沃尔蒸汽机历史上那些好到“令人发指”的能效数据：

康沃尔的矿主们从 1811 年开始出版一份关于其蒸汽机性能的定期报告*，在第一份报告中，被侧试的 12 台蒸汽机的平均能率为每蒲式耳煤不超过 1700 万英尺磅。到 1816 年， 35 台蒸汽机的平均能率已增加到 2300 万英尺磅。而到了 1826 年 51 台蒸汽机的平均能率达到了 3050 万英尺磅．能率的提高除应归功于蒸汽机的更新和改进以外，还应归功于被激发起来的竞争精神。到 1844 年，康沃尔的蒸汽机的平均能率据说已达到 6800 万英尺磅加，而在个别案例中甚至有更高数值的报道。最高记录据说是由建造在福伊·康索尔斯矿的汽缸直径达 80 英寸、冲程为 10 英尺的蒸汽机创造的，其能率为每 95 蒲式耳煤 12 500 万英尺磅，这是在 1835 年公布的。因为这一数值确切地说几乎相当于1.5 磅煤每马力小时，这是很难令人相信的。【同人作者按：作者本人和当时的人一样，对这好到令人发指的能效，严重怀疑！然而，当时的人实际调查的结果……】
*1811 年，康沃尔的矿业经营者组织了一个协会，该协会经研究决定每月定期编印内部交流资料，详细刊载协会成员各自名下的蒸汽机的运转情况，以及耗煤量等信息，具体的信息收集工作由独立的第三方审计员负责进行。后来当地大多数矿业经营者都加人了这一协会，该协会定期编印的 《 李恩蒸汽机月度报告册 》 （Leann's Engine Reporter）详尽记录了当地大多数蒸汽机的运转情况，该报告册的编印工作一直延续到 1904年才宣告停止。有了这份报告册之后，工程师们就可以借鉴其他公司拥有的性能优越的蒸汽机在结构设计上的长处，并吸收其他公司的同行们在改良过程中获得的有益经验。


最初，英国其他地区主管大型给水设的工程师们对当时所声称的沃尔式蒸汽机的经济效果表示怀疑。当时，这些工程师面临的任务是设法去满足因工业发展和人口增加而引起的供水量大增的需要，但他们同时又面临着煤的成本高这一不利条件，因为所用的煤往往是从很远的地方运来的。于是东伦敦自来水公司（ East London Waterworks Company ）的董事会派遣工程师威克斯蒂德（ Thomas Wicksteed ）到康沃尔去调查有关康沃尔式蒸汽机的那些说法。由于他提出了表示赞同的调查报告，该公司在 1837 年买了一台与那时在福伊康索尔斯 ( Fowey Consols ）所用的蒸汽机相似的二手机器。这台蒸汽机已经达到了不小于 9500 万磅的能率，这是当时的最高纪录。 1838 年，这台蒸汽机重新安装在老福德泵站（ old Ford Pumping Station ）。测试结果是，该机的抽水能率达到了 9000 万磅，而瓦特蒸汽机的抽水能率却只有 4000 万磅。这台蒸汽机在那里一直使用到 1892 年被拆掉时为止。在这半个世纪中，采用康沃尔式蒸汽机已成了规范的做法。当旧锅炉必须更换时，也往往把原来用的瓦特蒸汽机改装成以康沃尔循环方式进行工作。然而在诺森伯兰煤矿，直到 1860 年才开始采用康沃尔式蒸汽机，因为那里有大量的煤，煤质虽差，但价格便宜，因而不像其他地方那样鼓励节约用煤。


从上表中能看出，科利斯蒸汽机是19世纪中期到末期，卧式固定蒸汽机的翘楚，具体后续会展开介绍。但在能效方面，对康沃尔蒸汽机完全没优势。“三涨不出，谁与争锋？”

另一处资料

最后，不管信或不信这些历史数据，我摘录20世纪初，蒸汽机已经发展成熟接近尾声时期，对康沃尔蒸汽机的历史评价作为总结吧

1905年出版《The mechanical engineering of steam power plants》

The primary advantage of the Cornish pump is that the motion of the water through the valves and pipes is made the controlling element. Large masses of water can only be accelerated as demanded by crank motion at the expense of considerable work which is un profitably expended.
Second, the masses of the pump-rods serve as a reciprocating fly-wheel.
Third, the single-acting principle of working enabled the Cornish pump to work with much greater economy than less carefully designed pumping-engines belonging to its earlier period. The duty of the best grade of Cornish engine stated in the usual form has been about 100,000,000 pounds of water raised one foot high by the combustion of 100 pounds of coal.
Fourth, its ability to work successfully with a very small number of strokes per minute.
康沃尔泵的主要优点是使水通过阀门和管道的运动成为控制元件。 只能按照曲柄运动的要求来加速大量的水，但要付出大量的工作，而这是无利可图的。
第二，泵杆的质量充当往复飞轮。
第三，工作的单作用原理使康沃尔泵在经济上比早期设计较差的抽油泵发动机大得多。 以通常的形式表示的最高档的康沃尔发动机的责任是通过燃烧100磅煤将大约1亿磅水提起一英尺高。
第四，它以每分钟很少的行程成功工作的能力。

晚到的约瑟

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stephenwu

晚到的约瑟 发表于 2021-1-29 15:50
康沃尔（Cornish）蒸汽机

      “特里维西克的意思是，根本没必要人为制造冷凝，冷凝会带走大量的热量。 ...

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愚幸SZ

康沃尔蒸汽机历史上那些好到“令人发指”的能效数据，....简直技进步的巨大意义呀。
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晚到的约瑟

更新92楼，科普些锅炉知识

stephenwu

晚到的约瑟 发表于 2021-1-12 10:58
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各种锅炉科普时间

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徐立扬

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晚到的约瑟

瓦特时代蒸汽机和发展

为了让蒸汽机能完成水泵以外的动力需求，就要想办法将原来蒸汽机的垂直往复式运动输出，改为圆周运动的输出，这样才能更好的用蒸汽机驱动机器，比如镗蒸汽机的镗床，火车的车轮。

瓦特的行星齿轮专利很好地解决了这个问题，让蒸汽机从坑里爬了出来，走向了更广阔的空间


这张图来自19世纪末，细节更清楚些——A是飞轮，B、C是行星齿轮机构。这可是著名的“行星齿轮”专利，现在也有很广泛的应用


看动图能更形象直观地理解蒸汽机运作的原理


如之前介绍“康沃尔”蒸汽机时所说，横杆式蒸汽机改造成复涨蒸汽机很容易。历史上瓦特直到退休也没在这方面有所建树（他当然不会有所作为，按照他的论调，工作气压的升高，会带来“爆炸”！）但别人在他形制的蒸汽机上还是进行了复涨改造，从而提高了能效，也延长了很多老式瓦特蒸汽机的使用寿命，这就是“麦克诺特”蒸汽机


“麦克诺特”蒸汽机的能效见下方资料

可见，“麦克诺特”蒸汽机可以吊打老式的瓦特蒸汽机，但5磅/马力.小时的成绩对比“康沃尔”那1.5磅/马力.小时，如同元老院穿越般的成绩，依然根本不够看的

不过即使当蒸汽机需要用于旋转式任务时，也没有令人信服的理由解释为何非要用笨重的摇梁。1803 年，弗里曼特尔（ William Frcemantle ）申请了“蚱蜢式”机构的专利，而在美国，伊文思也应用了同样的原理。“蚱蜢式”机构是基于几何学上的原理，即如果一根直的连杆由于连着一根半径杆，其中点只能沿着一个圆弧运动，如果连杆的一端被强制沿一条直线路径移动，则连杆的另一端将沿着与第一条直线相垂直的第二条直线移动（图 111 ）。实际操作中，活塞杆连结着连杆的一端作垂直移动，而连杆的另一端自由地在一小段圆弧上移动，几乎相当于一条水平的直线。连杆的中点由一根半径杆支撑住。因此活塞杆的运动就能成为直线而不需要滑动。


这种新型的机械结构很容易让人想到，将气缸横过来，这样的圆周运动是不是更顺畅？


不过，这在当时又是一种惊世骇俗的想法。由于人们一直相信如果将汽缸放平，担心活塞的自重会使汽缸下半部比上半部磨损得更快，这可能是一直没有将汽缸水平放置的原因。这类蒸汽机在1825年以前几乎没有被采用过！

不过该来的早晚要来的！

固定的卧式蒸汽机是从 1826 年开始制造的，目的是驱动制造厂和碾磨厂中的机器。估计大家伙已经忍受不了横杆式蒸汽机输出的圆周转速了，还记得前文我介绍的“康沃尔”蒸汽机吗？每分钟十几个冲程已经是“高速”了！据说，一家伦敦的公司 ― 位于城市路（ City Road ）的泰勒一马蒂诺公司（ Taylor & Martineau ）在那时就制造了最早的一种卧式蒸汽机。它就是 1826 年出版的一幅版画中所示的那台蒸汽机（图 49 ）。该机的汽缸水平地安装在两个铸铁侧架之间，这两个侧架还支承着曲轴轴承以及为十字头上的滚轴而设置的导槽，水平的活塞阀和凝汽器均位于汽缸下方。

ethonjohn

太磨几了，这么久才更新

terenc

啊啊啊，见到了很多蒸汽机，赞美更新

stephenwu

晚到的约瑟 发表于 2021-2-5 16:23
瓦特时代蒸汽机和发展

为了让蒸汽机能完成水泵以外的动力需求，就要想办法将原来蒸汽机的垂直往复式运动输 ...

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晚到的约瑟

后瓦特时代的蒸汽机及墨子I型


他来了！他来了！
上回说到卧式蒸汽机终于在历史上出现了！

相比横杆式蒸汽机，卧式蒸汽机带来了显著的变化。曲柄和曲柄轴使活塞的往复运动转化成圆周运动更加的简洁高效，转速也从十几，二十来转迅速飞升到百十转！



有动图！看得更明白！


当时（19 世纪中）出现了一系列有名的公司，例如霍恩斯比（ Hornsby ）、罗比（ Robey ）、坦耶（ Tangye ）、马歇尔（ Marshall ）、加洛韦（ Galloway ）、马斯格雷夫（ Musgrave ）和希克-哈格里夫斯（ Hick- Har greaves ）等公司制造了成千上万台靠康沃尔和兰开夏锅炉来提供蒸汽的卧式蒸汽机。

元老院的墨子I型的原型机就是历史上霍恩斯比（ Hornsby ）公司制造的，具体考证请参看29楼。考证过程中可以知道，霍恩斯比公司的可移动式卧式蒸汽机在当时的各种比赛中斩获不少奖项，是当年一款设计优秀的蒸汽机。那么他的设计又有什么过人之处呢？

下图是墨子I型的原型机汽缸的剖面图


图中红圈部分的空腔就是瓦特时代的蒸汽机不具备的结构——汽缸的夹套。

这个时代的蒸汽机不再需要靠冷凝器产生压差让活塞做功了。蒸汽的冷凝成水反而是有害的。他不仅会带走宝贵的热量，也会让卧式汽缸内积水，造成气缸的爆裂。因此汽缸的保温成了提高蒸汽机能效的有效手段。

汽缸的夹套，利用汽缸外层的夹层，让温度不会从汽缸壁散失。研究数据表明这种简单的措施可以节约10%的燃料。墨子I型的原型机是世界上最早采用蒸汽夹套保温措施的蒸汽机之一。因此在同时代众多的卧式蒸汽机中这10%的差距，为他带来了无数的荣誉和嘉奖。

stephenwu

晚到的约瑟 发表于 2021-2-9 08:43
后瓦特时代的蒸汽机及墨子I型

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镭射

晚到的约瑟 发表于 2021-2-9 08:43
后瓦特时代的蒸汽机及墨子I型

请问老兄这个墨子一型的原型是什么机器？

苏伊士总督

本文不转正，对不起临高傻大黑粗的名头啊

晚到的约瑟

镭射 发表于 2021-2-10 21:05
请问老兄这个墨子一型的原型是什么机器？

178楼说了呀：历史上霍恩斯比（ Hornsby ）公司制造的卧式蒸汽机

具体考证在29楼

吴驷杉

晚到的约瑟 发表于 2021-2-9 08:43
后瓦特时代的蒸汽机及墨子I型

有意思的资料。

晚到的约瑟

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CORLISS STEAM ENGINE

科利斯Corliss型蒸汽机由GeorgeCorliss于1849年3月10日获得了美国发明专利（专利号6162）。Corliss卧式蒸汽机阀门及其布局很有特点。该阀门放置在蒸汽缸两端的小型横向气缸中，上方的进气阀和下方的排气口，端口由横向气缸底部的长缝组成用于蒸汽，在下部的顶部用于排气，并由横向运动的阀关闭，以使阀缸的圆周有足够的弧度，使其能够交替打开和覆盖端口。下图红线标清了Corliss卧式汽缸上下个两个气阀的位置



该阀的基本原理在于这种模式，即在所需的蒸汽量已进入汽缸的那一刻，通过瞬时运动将其关闭，如果其动作完美，则实际上应避免所有拉丝（什么叫拉丝，详见下章同人）。




Corliss蒸汽机的另一大特点就是控制气阀动作的“腕板”结构（也有翻译成“仪表盘”结构），关键创新之处在于其自动可变切断机构。这使气阀的截止点也很容易被调速器控制，这意味着发动机的转速受到发动机的精确控制，能够自动改变蒸汽进入管道的时间长度，发动机转速的变化由调速器调节，调速器使发动机减速或减速根据所施加荷载的上升或下降，提前切断点。因此就能完成的工作负荷成比例不断巨大变化下，保持输出稳定的需求。

放大的局部，“腕板”是图中的E通过D连杆控制4个气阀的及时准确的开闭动作

晚到的约瑟

科利斯（Corliss）蒸汽机

       机械总厂复制的机床越来越多，需要更多大马力的固定式蒸汽机作为原动机。另一方面，机械厂背负的生产任务，也需要在生产上投入更多的机床，用来生产更多的机床（具体见“神灯计划番外篇——产能大爆炸”）。这些造成了机械总厂对于动力的马力数几何增长着。

     “顾工，对于机械总厂的原动机需求，我可是一直放在心头，作为头等大事，0号项目科研攻关的！”
     “哦？那科研的成果是……？”
     “新的墨子II型机已经定型了将仿造——历史上的科利斯型（Corliss）蒸汽机*。刚才咱说了，历史上瓦特发明的冷凝型发动机在他的专利保护期到期后，就立即开始被高压直接作业式发动机所取代。冷凝型发动机简单说是利用蒸汽冷凝后的真空与初始蒸汽造成的压差来使，活塞做功。而直接作业发动机，就是利用高压蒸汽变低压蒸汽时，气体体积膨胀来推动活塞做功。后者，蒸汽做完工大多还是气态，不必再吸收大量热汽化成做功介质的蒸汽，显然效率更高，经济性更好。Corliss就是直接作业发动机兴起时代中应用最广泛的固定式蒸汽引擎。”
     “可是，周工啊，不是我多嘴，我记得这墨子I型机已经是 ‘高压’直接作业式发动机了，所谓造“熟”不造“生”嘛，再搞一套新的机型，又要折腾一套生产设备和生产线呐！”
     “但顾工，您有所不知，这蒸汽机和蒸汽机的差别可大着呢！”
     “这我知道，你要造的大块头康沃尔和墨子I就不像一个娘养的！”
     “顾工，您说的没错！这前者是横杆式，后者是卧式式！”
     “但墨子I和你要造的科利斯，他们都是卧式蒸汽机，他们中间有什么大差别吗？”
     “卧式蒸汽机的形制的确是基本相同的，都是卧式汽缸驱动活塞，活塞带动曲柄将往复运动转化成圆周运动，再配上显眼的标志性的巨大飞轮进行惯性储能，这就能驱动机器或作为火车和轮船的动力。但是这些卧式蒸汽机的阀动装置却是各不相同的。不过他们的目标都是相同的，那就是产生更大功率，同时将能耗减到最小。
        墨子I用的就是常见的滑阀。滑阀的使用可以上溯到瓦特时代。汽缸和汽缸盖有至少2路气道，汽缸盖内的滑瓣来回滑动控制汽缸内的进气和排气。
        而Corliss蒸汽机使用的是‘圆柱形转动阀’**。
        该发动机具有独特的蒸汽入口和蒸汽排放阀布置。传统的气缸进气阀与出气阀在气缸的同侧，依靠内部连通的滑阀通气排气。这样进出的不同温度的蒸汽都有一段共用管路，这样势必会造成热损和不必要的冷凝水，气缸中冷凝水还需要管路回收，避免冷凝水过多造成气缸的炸裂。
       而Corliss卧式蒸汽机，在气缸的每端都有两个气门，上侧2个进气阀，下侧两个排气阀，蒸汽进出不走“回头路”，热效率大为提高。它的阀门布置和控制带来了卓越的效率，平稳的运行速度以及对负载变化还能自动响应。在19世纪50年代后，在美国被广泛使用，至今美国仍留存大量Corliss老爷机，各方面的资料齐全详尽，容易被咱们复刻。历史上，表现出众的Corliss，后来也被大洋彼岸的欧洲大量仿制。”

     “但是周工啊，我听说墨子I型的原型机在历史上表现也很优秀哦，还得过不少的奖呢！他的优点，你说的Corliss都能有吗？”
     “墨子I型的原型机所在的时代，蒸汽机不再需要靠冷凝器产生压差让活塞做功了。蒸汽的冷凝成水反而是有害的。他不仅会带走宝贵的热量，也会让卧式汽缸内积水，造成气缸的爆裂。因此汽缸的保温成了提高蒸汽机能效的有效手段。
       而汽缸的夹套，利用汽缸外层的夹层，让温度不会从汽缸壁散失。研究数据表明这种简单的措施可以节约10%的燃料。墨子I型的原型机是世界上最早采用蒸汽夹套保温措施的蒸汽机之一。因此在同时代众多的卧式蒸汽机中这10%的差距，为他带来了无数的荣誉和嘉奖。
       这种蒸汽夹套在Corliss蒸汽机上也有采用，所以墨子I型的优势，他也有。并且，刚才介绍过了，Corliss设计上蒸汽进出不走“回头路”，也就是冷热蒸汽，没有共路汽道，本身热量散失就更少。实际上Corliss的能效是同时代单缸蒸汽机的佼佼者，有研究表明其比同时代的其他机型节省燃料30%以上！”

       周比利看顾红军的神态依旧有点不以为然，心想，不抖些猛料，还说不服这老家伙呢！于是他抑扬顿挫地说道：“Corliss能做更大马力的机器！”
     “哦？！”顾红军仿佛被挠到了痒处，眉毛和嘴角都开始不经意地上扬。
     “蒸汽机汽缸尺寸放大会导致汽缸需要的蒸汽量很大，这时简单在设计上等比例放大原本滑动气阀是不可取的。沉重的铸铁汽缸盖会带来严重的摩擦问题。历史上检验过无数失败的滑阀方案后，有种解决办法是将铸造在汽缸盖内，控制气路开闭的滑阀就需要做成“双开阀”——一个阀有两个气路。双开阀结构的优点，供给同样的气量，双开阀滑块移动距离减少一半，开闭可靠，摩擦损失可以显著减少。
      不过即便有这种方案，历史上的墨子I型机最大马力没超过185马力。事实上，历史上绝大多数的墨子I型机都是6马力的便携机，萌萌的小萝莉，根本不是给工厂提供动力的肌肉大块头。
       而Corliss的“圆柱形转动阀”则完全没这种问题。1876年费城世博会上展览的当时世界最大的蒸汽机就是Corliss，1400马力。1880年Corliss单缸卧式蒸汽机可以达到1500马力。Corliss的历史记录可以达到4000马力。”
     “能输出更大的马力固然好，可是现在机械厂的原动机不仅有马力瓶颈，还有稳定的问题，特别是机床加工的精度要求越来越高了啊！”
     “这您放心！Corliss的输出更加的稳定，更符合包括机械总厂在内的各工厂的机械设备的原动机的要求。”

       顾红军看了一眼唾沫横飞的周比利，好像他脸上写了两个字——黄婆。
       周比利见顾红军反馈的表情，也不以为意——没研究过的人当然会觉得这么多优点集于一身，可能宣传的成分更大。这也是人之常情。
      “墨子I型这样使用普通的滑阀蒸汽机，之所以在工作过程中输出不稳定，是在普通滑阀开闭的过程中会产生“拉丝效应（wiredrawing）”滑阀滑动，逐渐将气道变窄直到关闭，而气体在通过狭窄气道时，气压会减小，这就造成活塞在气缸中的加速。同时由于在排气阶段的气压跌落，会导致汽缸的排气不完全，活塞在回程过程中会持续承受一定压力的背压，这些都是额外的阻力和损耗。
       而Corliss阀体是旋转开闭的，开闭速度很快，不但损耗小，而且没有气压跌落和波动的问题。所以Corliss蒸汽机比普通滑阀蒸汽机的输出更加的稳定，能效也更好。
       历史上19世纪中期以后，随着机械加工，纺织，冶金等工业部门机器越来越精密，对原动机的输出稳定性要求越来越高，Corliss蒸汽机是历史上的优选方案，远远优于这一时期的其他发动机***。它能够提供一个连续的，均匀流动的旋转动力，降低纺织机断线的几率；对轧机一类机械突然发生的施加在发动机上的剧烈负载能自动调节；相信也能满足我们机械总厂日益增长的动力需求！”
      “嚯嚯，这么好的机器，那我这里更盼着周工早点为我们机械总厂早点添置几台大家伙了！你知道，现在两广导出要人要机器，企划院下达的生产任务很重啊！可是我们增产机床了，如果没有足够马力的原动机支持，也无法满足企划院越来越夸张的订单。” 顾红军其实不关心墨子I和Corliss孰好孰坏，甚至谁更省煤，他也不在乎，计划经济，煤都是调拨的，烧多点烧少点，并不是什么要命的问题，计划经济下的机械总厂最关心计划，按时完成生产计划。

       但是在Corliss的制造上，周比利也有苦恼：Corliss气阀本身可以用车床加工，这比滑阀加工消耗工时少，可是配套的零件比滑阀多，也有一定的精度要求，所以目前蒸汽机厂Corliss的产量总不能让他满意。

       周比利正琢磨怎么将顾红军的“需求”应付过去，正好看见了自己“送上门”的胡增寿，赶紧说：“听见没，胡厂长，赶紧多造蒸汽机，好让顾首长给我们生产更多的机器啊！”

       胡增寿听了，嘴角耷拉，心里发苦，我都已经被撸了，我这“厂长”还能管啥？当然这话，胡增寿当着首长的面可不敢说，只好根据自己掌握的情况大吐苦水：“首长，不是我胡增寿不卖力，我老胡当年加班的劲头您也是知道的，想当年备战澄迈时，我带的钳工组一帮小伙没日没夜制造枪机，连着一个月天天搞加班搞突击，干到深夜，第二天照常上班，靠着一口气，硬是拼出了比别的组多三成的任务，还受到了展首长的通报嘉奖！……”
      “知道，知道，后来不也捡拔你当小组长了吗？如今你都是大厂长了，怎么这口气反而没了？”
      “不，不，不……首长，实在是……实在是……往日不同今日，现如今蒸汽机越生产越多，各厂都在使用咱的蒸汽机，这用的人多了，有的要修，有的要换，咱厂里的人手和设备也会受到牵绊不是，比如气缸磨损换缸，但汽缸要铸造，镗修，生产周期长，产能增长困难啊！” 胡增寿不知道周比利脑子里想的是多生产墨子II型机的Corliss，他还是按照老章程，大谈墨子型I型的增产困难。

       对于墨子型I型周比利是没啥兴趣的，但如今能大量生产的难道只有它？


*科利斯Corliss型蒸汽机由George Corliss于1849年3月10日获得了美国发明专利（专利号6162）。George Corliss在蒸汽机改进方面的主要专利于1863年到期，然后他设法续约七年到1869年。之后当他请求再次续约时，很遗憾，他没瓦特的那么有势力的朋友圈，申请被美国国会否决了。

如之前所说，Corliss型蒸汽机有大有小，典型的型号参数如下：
型号：THF72057 / Corliss蒸汽机
历史生产年代1859年
材料
铁、钢、黄铜、木
外形尺寸
宽度： 12英尺
高度： 24英尺
长度： 38英尺
汽缸直径： 24英寸  （内径）
汽缸长度： 60英寸  （行程）
功率： 500马力  （372.85千瓦）
大小不同的Corliss发动机可在60 PSI蒸汽压力下以大约100-120RPM转速运转
或在压力80PSI 转速160-180RPM的速度下有效运行

** Corliss蒸汽机气阀的名称翻译有很多种：“圆形转动阀”、“柱形摆动阀”、“齿轮阀”，其实都是一种阀门—— 都是George H. Corliss于1849年获得专利的阀门。这张照片显示了Corliss蒸汽机中使用的典型圆柱阀。


*** The key novelty of Corliss’ engine was its automatic variable cut-off mechanism.
What this meant was that the speed of the engine was subjected to precise control by the
ability to automatically vary the length of the time period during which steam entered the
cylinder. The variation in engine speed was regulated by the governor, which retarded or
advanced the point of cutoff in accordance with the rise or fall of the load that was placed
upon the engine. This design feature, which made possible a more efficient exploitation
of the expansive power of steam, resulted in the best-known feature of the engine: a
substantial improvement in energy efficiency. But perhaps even more important was the
fact that the engine was also far more “user-friendly” than its predecessors. In particular,
it was capable of delivering a continuous, uniform flow of rotary power in spite of sudden
changes in the load that might be imposed on the engine. The smoothness of power
delivery was very important, albeit in quite different ways, to the largest manufacturing
industries of the time: textiles and metallurgy. Crucially, it permitted higher speeds,
while at the same time it reduced the likelihood of breakage in threads that was so
disruptive in the textile industry. The uniformity of power delivery became increasingly
valuable as the industry moved up the quality ladder to more expensive goods. In
metallurgy, where huge, abrupt and punishing variations in load were imposed on the
engines that were driving the rolling mills, the engine proved capable of adjusting to
these variations far better than other engines of the period.
摘自《THE CORLISS STEAM ENGINE IN THE LATE 19TH CENTURY US》by  Nathan Rosenberg & Manuel Trajtenberg  2001 page10

晚到的约瑟

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相比墨子I型早已湮灭在历史的黄砂里，出身还要考证，Corliss蒸汽机在历史上真正是被大量制造和广泛使用


仅仅是其中的一家生产商Fall River Iron Works Co.在1876年以后（Corliss蒸汽机这时主要专利期已满）就生产销售了数以万计的Corliss蒸汽机。

上图拍摄于2014年的美国一个技术大学（克拉克森大学 Clarkson University）的学生商店中，这台老当益壮的Corliss发动机被用来驱动线轴驱动的木材和金属加工设备，2016年这台蒸汽机已经被收入圣劳伦斯电力和设备博物馆。



上图的Corliss发动机现收藏于英国伦敦一座科技博物馆。



上图的Corliss发动机现收藏于美国宾夕法尼亚州伯利恒国家工业历史博物馆。他重115吨，高15英尺，宽40英尺，深20英尺原本是约克镇的排水泵从1914-1956年，之后被电力泵替代，作为备份保存。1972年飓风袭击约克镇，本应该排水抗风冲锋在前的电力泵因为风雨挂了！老Corliss发动机重新披挂上阵，拯救了整个城市，成就了一段传奇！
2015年为了让这位英雄有个归宿，国立工业历史博物馆买下并收藏他，为此博物馆专门建设了13,000平方英尺的展览空间，另外由于它的重量为115吨，博物馆不得不为其浇筑特殊的混凝土基础。然后将其吊起安装在博物馆又花费了数十万个工时和时间，最终博物馆于2016年开放后，他又恢复了“正常运转”。
具体故事详见
https://news.wbfo.org/post/rare-century-old-115-ton-piece-buffalos-industrial-history-pumps-again

stephenwu

晚到的约瑟 发表于 2021-2-13 10:12
科利斯（Corliss）蒸汽机

       机械总厂复制的机床越来越多，需要更多大马力的固定式蒸汽机作为原动机。 ...

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吴驷杉

晚到的约瑟 发表于 2021-2-13 10:12
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