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发表于 2021-2-13 10:12:06
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本帖最后由 晚到的约瑟 于 2021-2-14 19:18 编辑
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
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楼主: 晚到的约瑟
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发表于 2021-2-10 23:43:11
，其实是用英语标注部件名称闹的
相比之下，后来石家庄动力机械厂的10马力锅驼机样子和它类似，但工作压力是12个大气压，重量只有不到一吨。如果维持4个大气压的设计，我对50马力的墨子一型上车架的可行性表示严重怀疑（那个石家庄动力机械厂的75马力锅驼机净重都有7.5吨）