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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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