Корнуоллский двигатель

Корнуоллский двигатель — это тип паровой машины, разработанный в Корнуолле , Англия, в основном для перекачки воды из шахты. Это форма лучевого двигателя , в котором используется пар под более высоким давлением, чем в более ранних двигателях, разработанных Джеймсом Уоттом . Двигатели также использовались для приведения в действие двигателей персонала , помогающих подземным горнякам перемещаться на рабочие уровни и обратно, для подъема материалов в шахту и из нее, а также для приведения в действие машин для штамповки руды на месте . ^[1]

Фон

В Корнуолле уже давно имеются рудники олова , меди и других металлических руд, но если добыча будет вестись на большей глубине, необходимо найти способ осушения рудника. Подъем веса воды из глубины требует огромных трудозатрат . Эта энергия может быть слабо обеспечена лошадиными силами или водяным колесом для работы насосов, но мощность лошадей ограничена, а водяным колесам нужен подходящий поток воды. Соответственно, инновация использования паровой энергии для работы насосов на угле была более универсальной и эффективной для горнодобывающей промышленности, чем примитивные средства.

На шахте Уил-Вор был один из первых двигателей Ньюкомена (цилиндрические конденсационные двигатели, работающие под давлением ниже атмосферного) до 1714 года, но в Корнуолле нет угольных месторождений, а импорт угля из Южного Уэльса был дорогим. Таким образом, стоимость топлива для перекачки составляла значительную часть затрат на добычу полезных ископаемых. Позже многие из более эффективных ранних двигателей Ватта (с использованием внешнего конденсатора) были установлены Бултоном и Уоттом в Корнуолле. Они взимали с владельцев шахт роялти, основанную на доле экономии топлива. Топливная эффективность двигателя измерялась его «обязанностью», выраженной в работе (в футо-фунтах ), производимой бушелем (94 фунта (43 кг)) угля. Ранние двигатели Watt имели ресурс 20 миллионов, а более поздние - более 30 миллионов. ^[2]

Характеристики

Основным преимуществом двигателя Корнуолла была его повышенная эффективность, достигаемая за счет более экономичного использования пара более высокого давления. В то время повышение эффективности было важно в Корнуолле из-за высокой стоимости угля; в Корнуолле нет угольных месторождений, и весь используемый уголь приходилось привозить из-за пределов графства. ^{[ нужна ссылка ]}

Повышение давления в котле выше пара очень низкого, практически атмосферного давления, который использовал Джеймс Уотт, было важным элементом повышения эффективности двигателя Корнуолла. Простое увеличение давления в котле сделало бы двигатель более мощным, но не увеличило бы его эффективность. Ключевым достижением было расширение пара в цилиндре. Хотя Джеймс Уатт задумал идею расширения использования пара и включил ее в свой патент 1782 года, он понял, что низкое давление пара в его применении делает повышение эффективности незначительным, и поэтому не стал реализовывать эту идею. ^{[ нужна ссылка ]}

В двигателе Ватта пар подается на протяжении всего рабочего хода поршня. В конце хода пар выбрасывается, а оставшаяся энергия теряется в конденсаторе, где пар снова охлаждается до воды. ^{[ нужна ссылка ]}

В двигателе Корнуолла, напротив, впускной клапан закрывается в середине рабочего такта, позволяя пару, уже находящемуся в этой части цилиндра, расширяться на оставшейся части такта до более низкого давления. Это приводит к захвату большей части его энергии и меньшим потерям тепла в конденсаторе, чем в двигателе Ватта. ^{[ нужна ссылка ]}

Другие характеристики включают изоляцию паропроводов и цилиндра, а также паровую рубашку цилиндра, оба из которых ранее использовались Ваттом. ^[3]

Лишь немногие двигатели Корнуолла остались на своих первоначальных местах, большинство из них было списано после закрытия соответствующей промышленной фирмы. ^[1]

Двигатель Корнуолла развивал неравномерную мощность на протяжении всего цикла, полностью останавливаясь в одной точке и совершая быстрое движение при ходе вниз, что делало его непригодным для вращательного движения и большинства промышленных применений. ^[3] Это также требует некоторого необычного клапанного механизма , см. клапанный механизм двигателя Cornish . ^{[ нужна ссылка ]}

Цикл

Корнуоллский цикл работает следующим образом. ^[4]

Начиная с состояния во время работы, когда поршень находится в верхней части цилиндра, цилиндр под поршнем заполнен паром от предыдущего хода, котел находится при нормальном рабочем давлении, а конденсатор - при нормальном рабочем вакууме,

Впускной клапан пара под давлением и выпускные клапаны пара низкого давления открываются. Пар под давлением из котла поступает в верхнюю часть цилиндра над поршнем, толкая его вниз, а пар под поршнем втягивается в конденсатор, создавая вакуум под поршнем. Разница давлений между паром при давлении котла над поршнем и вакуумом под ним приводит поршень вниз.
На половине хода впускной клапан пара под давлением закрыт. Затем пар над поршнем расширяется на протяжении оставшейся части хода, в то время как пар низкого давления на другой стороне (внизу) поршня продолжает втягиваться в конденсатор, тем самым поддерживая частичный вакуум в этой части цилиндра.
В нижней части хода выпускной клапан конденсатора закрыт, а равновесный клапан открыт. Вес насосного оборудования, находящегося внизу в шахте, переносимый шагающей балкой, тянет поршень вверх, и когда поршень поднимается вверх, пар переносится через уравновешивающую трубу сверху поршня в нижнюю часть цилиндра под поршнем.
Когда поршень достигает верхней части цилиндра, цикл готов к повторению.

Следующий такт может произойти немедленно или он может быть задержан с помощью устройства синхронизации, такого как катаракта , если не было необходимости, чтобы двигатель работал на максимальной скорости, что снижает скорость работы и экономит топливо.

Двигатель одностороннего действия , паровой поршень подтягивается вверх под действием веса поршня насоса и штока. Пар может подаваться под давлением до 50 фунтов на квадратный дюйм (340 кПа).

Реальные фотографии, показывающие компоненты схематической конструкции ( шахта Восточного бассейна, вал хвостовика, двигатель Харви):

Паровые котлы
Главный паровой цилиндр (А)
Контроль пара
цилиндры (GH)
Рычаг насоса (D)
Моторный отсек и поршень насоса (E)
Жертвенный блок в машинном отделении шахты Тейлорс-Шафт-Ист-Пул

Разработка

Корнуоллский двигатель зависел от использования пара под давлением выше атмосферного, как это было изобретено Ричардом Тревитиком в 19 веке. Его ранние двигатели Puffer выпускали пар в атмосферу. Это отличалось от паровой машины Ватта, в которой конденсирующийся пар перемещался из цилиндра в конденсатор, отдельный от цилиндра; следовательно, двигатель Уатта зависел от создания вакуума при конденсации пара. Более поздние двигатели Тревитика (1810-е годы) объединили эти два принципа, начиная с пара высокого давления, который затем передавался на другую сторону поршня, где конденсировался и там действовал как двигатель при давлении ниже атмосферного. Параллельно Артур Вульф разработал составную паровую машину , в которой пар последовательно расширялся в двух цилиндрах, каждый из которых находился под давлением выше атмосферного. ^[2]

Когда Тревитик уехал в Южную Америку в 1816 году, он передал свое патентное право на свое последнее изобретение Уильяму Симсу , который построил или адаптировал ряд двигателей, в том числе один в Уил Чанс, работающий при давлении 40 фунтов на квадратный дюйм (280 кПа) выше атмосферного давления , который достиг долга почти в 50 миллионов, но затем его эффективность упала. В 1825 году в Уил-Альфреде были проведены испытания одноцилиндрового двигателя типа Тревитика и составного двигателя Вульфа , когда оба достигли показателя чуть более 40 миллионов. ^[5]

Следующее улучшение было достигнуто в конце 1820-х годов Сэмюэлем Гроузом , который уменьшил потери тепла за счет изоляции труб, цилиндров и котлов двигателей, увеличив нагрузку до более чем 60 миллионов в Уил-Хоупе, а затем почти до 80 миллионов в Уил-Хоупе. Тован . Тем не менее, наилучший режим работы обычно был кратковременным достижением из-за общего износа оборудования, утечек из котлов и износа пластин котла (что означало необходимость снижения давления). ^[5]

Незначительные улучшения несколько увеличили мощность, но к середине 1840-х годов двигатель, похоже, достиг своего практического предела. При давлении до 50 фунтов на квадратный дюйм (340 кПа) эти силы, вероятно, привели к поломке оборудования. Такие же улучшения в работе произошли в двигателях, работающих на корнуэльских штампах и капризах , но в целом произошли немного позже. В обоих случаях наилучшая нагрузка была ниже, чем для насосных двигателей, особенно для капризных двигателей, работа которых была прерывистой. ^[2]

Толчком к совершенствованию парового двигателя послужил Корнуолл из-за высокой цены на уголь там, но капитальные затраты и затраты на техническое обслуживание были выше, чем у парового двигателя Ватта. Это надолго задержало установку двигателей Cornish за пределами Корнуолла. Подержанный двигатель Корнуолла был установлен на водопроводной станции Восточного Лондона в 1838 году и по сравнению с двигателем Ватта показал благоприятные результаты, поскольку цена на уголь в Лондоне была даже выше, чем в Корнуолле. В основных регионах текстильной промышленности, таких как Манчестер и Лидс , цена на уголь была слишком низкой, чтобы сделать замену экономически выгодной. Только в конце 1830-х годов производители текстиля начали переходить на двигатели высокого давления, обычно добавляя цилиндр высокого давления, образуя составной двигатель, вместо того, чтобы следовать обычной корнуоллской практике. ^[2]

Сохранение

В Англии сохранилось несколько корнуоллских двигателей. Лондонский музей воды и пара имеет самую большую коллекцию двигателей Корнуолла в мире. На насосной станции Крофтон в Уилтшире 1812 года установлены два корнуоллских двигателя, один из которых ( Бултон и Уатт ) является «старейшим в мире рабочим лучевым двигателем, который все еще находится в своем первоначальном машинном отделении и способен фактически выполнять ту работу, для которой он был установлен». ", то есть перекачивание воды в вершину канала Кеннет и Эйвон . ^[6] Два экземпляра также сохранились в Корнуоллском музее шахт и двигателей на месте шахты Ист-Пул недалеко от города Пул, Корнуолл .

Другой пример - шахта Полдарк в Тренире, Корнуолл - балочный двигатель Харви оф Хейл Корниш примерно 1840–1850 годов, первоначально использовавшийся на оловянной шахте Банни, а затем на карьере Гринсплат, недалеко от Сент-Остелла. Он больше не работает как паровой двигатель, а приводится в движение гидравлическим механизмом. Используемый в Гринсплате до 1959 года, это последний двигатель Корнуолла, который работал в коммерческих целях в Корнуолле. Он был перенесен в Полдарк в 1972 году. ^[7]

в На насосной станции Cruquius Нидерландах установлен двигатель Cornish с цилиндром самого большого диаметра , когда-либо созданного для двигателя Cornish, диаметром 3,5 метра (140 дюймов). Двигатель, построенный компанией Harvey & Co в Хейле , Корнуолл, имеет восемь балок, соединенных с одним цилиндром , каждая из которых приводит в действие один насос. ^[8] Двигатель был восстановлен до рабочего состояния в период с 1985 по 2000 год, хотя сейчас он работает от маслонаполненной гидравлической системы, поскольку восстановление работы на пару было невозможно. ^[9]

Комитет по сохранению двигателей Корнуолла , ранняя организация промышленной археологии , был сформирован в 1935 году для сохранения двигателя Леванта . Позднее комитет был переименован в имя Ричарда Тревитика . Они приобрели еще один заводной двигатель и два насосных двигателя. ^[10] Они издают информационный бюллетень, журнал и множество книг о двигателях Корнуолла, горнодобывающей промышленности, инженерах и других темах промышленной археологии. ^[11]^[12]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Бартон, Д.Б. (1966). Корнуоллский лучевой двигатель (новое изд.). Труро: Д. Брэдфорд Бартон.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Нуволари, Алессандро; Верспаген, Барт (2009). «Технический выбор, инновации и британская паровая техника, 1800–1850». Обзор экономической истории . 63 (3): 685–710. дои : 10.1111/j.1468-0289.2009.00472.x . S2CID 154050461 .
^ Jump up to: ^а ^б Хантер, Луи К. (1985). История промышленной мощи в Соединенных Штатах, 1730-1930, Vol. 2: Мощность пара . Шарлоттсвилл: Университетское издательство Вирджинии.
^ «Корнуоллский цикл» . Архивировано из оригинала 28 июля 2015 года . Проверено 5 января 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б Нуволари, Алессандро; Верспаген, Барт (2007). « Репортер Lean's Engine и Корнуоллский двигатель». Труды Общества Ньюкомена . 77 (2): 167–190. дои : 10.1179/175035207X204806 . S2CID 56298553 .
^ «Крофтон» . Архивировано из оригинала 6 августа 2011 года.
^ Файфилд-Шейлер (1972). Создание Вендрона . Архив ООО Графмитр.
^ "Строительство" . Музей Крукиуса . Архивировано из оригинала 19 июля 2011 года . Проверено 3 августа 2009 г.
^ «Гидравлический» . Музей Крукиуса . Архивировано из оригинала 19 июля 2011 года . Проверено 3 августа 2009 г.
^ Общество Тревитика. Архивировано 8 марта 2016 года на открытых лекциях и выступлениях Wayback Machine . Проверено 22 сентября 2012 г.
^ Общество Тревитика. Журнал Общества Тревитика, выпуски 6–10. Общество Тревитика, 1978.
^ Общество Тревитика. Архивировано 2 января 2013 года на archive.today Cornish Miner — Книги о Корнуолле. Проверено 22 сентября 2012 г.

Внешние ссылки

Анимация двигателя корнуоллского луча
Насосная станция Крукиус (включает механические детали, моделирование, технические чертежи и т. д.)
История двигателя Cornish, контекст
"Корнуоллский цикл" на YouTube

[CBE-1] Jump up to: ^а ^б Бартон, Д.Б. (1966). Корнуоллский лучевой двигатель (новое изд.). Труро: Д. Брэдфорд Бартон.

[Nuvolari_and_Verspagen_2009-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Нуволари, Алессандро; Верспаген, Барт (2009). «Технический выбор, инновации и британская паровая техника, 1800–1850». Обзор экономической истории . 63 (3): 685–710. дои : 10.1111/j.1468-0289.2009.00472.x . S2CID 154050461 .

[Hunter_1985-3] Jump up to: ^а ^б Хантер, Луи К. (1985). История промышленной мощи в Соединенных Штатах, 1730-1930, Vol. 2: Мощность пара . Шарлоттсвилл: Университетское издательство Вирджинии.

[4] «Корнуоллский цикл» . Архивировано из оригинала 28 июля 2015 года . Проверено 5 января 2015 г.

[Nuvolari_and_Verspagen_2007-5] Jump up to: ^а ^б Нуволари, Алессандро; Верспаген, Барт (2007). « Репортер Lean's Engine и Корнуоллский двигатель». Труды Общества Ньюкомена . 77 (2): 167–190. дои : 10.1179/175035207X204806 . S2CID 56298553 .

[6] «Крофтон» . Архивировано из оригинала 6 августа 2011 года.

[7] Файфилд-Шейлер (1972). Создание Вендрона . Архив ООО Графмитр.

[8] "Строительство" . Музей Крукиуса . Архивировано из оригинала 19 июля 2011 года . Проверено 3 августа 2009 г.

[9] «Гидравлический» . Музей Крукиуса . Архивировано из оригинала 19 июля 2011 года . Проверено 3 августа 2009 г.

[10] Общество Тревитика. Архивировано 8 марта 2016 года на открытых лекциях и выступлениях Wayback Machine . Проверено 22 сентября 2012 г.

[11] Общество Тревитика. Журнал Общества Тревитика, выпуски 6–10. Общество Тревитика, 1978.

[12] Общество Тревитика. Архивировано 2 января 2013 года на archive.today Cornish Miner — Книги о Корнуолле. Проверено 22 сентября 2012 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]