Джеймс Б. Фрэнсис

Джеймс Б. Фрэнсис
Джеймс Фрэнсис, около 1887 г.
Рожденный	( 1815-05-18 ) 18 мая 1815 г. Саут-Ли , Оксфордшир, Англия, Великобритания
Умер	18 сентября 1892 г. ( 1892-09-19 ) (77 лет)
Национальность	Британско-американский
Научная карьера
Поля	Инженер
Подпись

Джеймс Бичено Фрэнсис (18 мая 1815 – 18 сентября 1892) был британско-американским инженером-строителем, который изобрел турбину Фрэнсиса .

Ранние годы

Система каналов Лоуэлла в том виде, в котором она появилась, когда Фрэнсис присоединился к владельцам шлюзов и каналов на реке Мерримак в 1836 году.

Джеймс Фрэнсис родился в Саут-Ли , недалеко от Уитни , Оксфордшир, в Англии, Великобритания. Он начал свою инженерную карьеру в возрасте семи лет, работая учеником своего отца на железнодорожном и портовом заводе Порт-Коул в Южном Уэльсе . Когда ему исполнилось 18 лет, он решил эмигрировать в Соединенные Штаты в 1833 году. Его первая работа была в Стонингтоне, штат Коннектикут , в качестве помощника инженера путей сообщения Джорджа Вашингтона Уистлера-младшего , работавшего на железной дороге Нью-Йорка и Нью-Хейвена . Год спустя Джеймс и его босс Уистлер отправились на север, в Лоуэлл, штат Массачусетс . где в возрасте 19 лет он устроился чертежником в компанию Locks and Canal Company , а Уистлер стал главным инженером.

Несколько лет спустя, в 1837 году, Уистлер подал в отставку и поступил на работу на крупнейшие железные дороги России. Перед отъездом он назначил Фрэнсиса главным инженером и продал ему свой дом на Уортен-стрит. В том же году 12 июля Джеймс женился на Саре Браунелл в Лоуэлле. Их первый сын Джеймс-младший родился 30 марта 1840 года, затем у них родилось еще пятеро детей.

В 1841 году для компании появился его первый крупный проект. Фрэнсис должен был проанализировать, сколько воды использует каждая мельница из системы каналов компании. Впечатлённая его способностями, компания в 1845 году назвала его «Управляющим шлюзами и каналами».

В качестве менеджера и главного инженера Фрэнсис отвечал за строительство Северного канала и питателя на Муди-стрит . Эти два канала, построенные в конце 1840-х и начале 1850-х годов, завершили систему каналов Лоуэлла длиной 5,6 миль и значительно увеличили промышленную мощь мельничных комплексов процветающего промышленного города.

Во время работы над системами Лоуэлла Фрэнсиса также консультировали по многим другим проектам водоснабжения по всей стране. Когда Нью-Йорку потребовалось увеличить водоснабжение, он консультировал по вопросам строительства плотины Квакерского моста на реке Кротон в Нью-Йорке. Он также консультировал по поводу плотины у водопада Сент-Энтони на реке Миссисипи .

Их сын Джеймс участвовал в Гражданской войне в США в звании второго лейтенанта в 1861 году. Он был ранен в руку в битве при Антиетаме в звании капитана и закончил войну в июле 1865 года в звании подполковника .

Фрэнсис был избран членом Американского философского общества в 1865 году.

Спринклерная система пожаротушения

В 1845 году Фрэнсис разработал первую спринклерную систему, когда-либо разработанную в Соединенных Штатах. Однако любое использование системы приведет к затоплению всей структуры и ее содержимого. Лишь в 1875 году Генри С. Пармели изобрел спринклерную головку, которая активировала одновременно только одну головку.

Турбины

Фрэнсис увлекся конструкцией турбин и начал экспериментировать с ними после того, как Урия А. Бойден впервые продемонстрировал свою турбину Бойдена в Лоуэлле. Два инженера работали над усовершенствованием турбины. А в 1848 году Фрэнсис и Бойден успешно усовершенствовали турбину, создав то, что сейчас известно как турбина Фрэнсиса . Турбина Фрэнсиса затмила по мощности турбину Бойдена на 90%. В 1855 году Фрэнсис опубликовал эти открытия в «Гидравлических экспериментах Лоуэлла».

Борьба с наводнениями

Великие ворота, также известные как «Безумие Франциска».

В 1850 году Фрэнсис приказал построить Великие ворота над каналом Потакет, чтобы защитить мельницы в центре города от разрушительных наводнений. Этот проект быстро стал известен как «Безумие Фрэнсиса», поскольку никто не верил, что он сработает, не говоря уже о том, что он когда-либо понадобится. Но менее чем через два года, в 1852 году, ворота спасли город Лоуэлл от разрушительных наводнений 1852 года, а также в 1936 , 1938 , 2006 и 2007 годах, предотвратив попадание реки Мерримак в систему каналов. Однако повреждение деревянных ворот в результате поджога в 1970-х годах и сложный метод их падения (путем разрушения большого звена цепи) побудили городские власти в 2006 году использовать вместо них более современную переборку из стальных балок. За его усилия по спасению Город от великой катастрофы Фрэнсис был награжден огромным серебряным кувшином и подносом от города Лоуэлл.

В 1886 году Фрэнсис объединился с двумя другими инженерами-строителями; Элиот Кларк и Клеменс Гершель изучили и опубликовали свои выводы в книге «Предотвращение наводнений в долине Стоуни-Брук», в которой изложена система предотвращения наводнений для города Бостон . В детальном исследовании были рассмотрены Форест-Хиллз , Гайд-парк , Франклин-парк и Рослиндейл, которые подверглись наводнению. районы города

Спустя годы

Фрэнсис оставался активным на всех уровнях участия в жизни города Лоуэлл и служил олдерменом с 1862 по 1864 год.

В 1865 году Фрэнсис исследовал и опубликовал свои выводы о чугуне и его использовании в несущих колоннах в книге «Прочность чугунных колонн».

В 1874 году Фрэнсис работал в комитете Американского общества инженеров-строителей по расследованию причины прорыва плотины Милл-Ривер в Массачусетсе . Также в комитет входили инженеры Теодор Эллис и Уильям Уортен. Расследование продолжалось быстро, и его отчет был опубликован в течение месяца после катастрофы. Он пришел к выводу, что ни один инженер не нес ответственности за проект и что это была «работа непрофессиональных людей». «Остатки плотины указывают на грубейшие дефекты изготовления».

Фрэнсис разработал научные методы испытаний гидравлических машин, был одним из основателей Американского общества инженеров-строителей и его президентом в 1880 году.

Фрэнсис формулирует

В 1883 году Фрэнсис завершил свои стандарты расчета скорости потока воды, теперь известные как уравнение Фрэнсиса или формула Фрэнсиса , обычно используемые в гидродинамике в сочетании с расчетом плотин . Уравнение

${\textstyle Q=3.33h_{1}^{3/2}(L-0.2h_{1})}$

где:

Q — расход через плотину в кубических футах в секунду,

L — длина плотины в футах, а

h ₁ – высота воды над верхом плотины.

Он оставался в компании Locks and Canal Company на протяжении всей своей карьеры, до выхода на пенсию в 1884 году в возрасте 69 лет, и оставался консультантом вплоть до своей смерти. Его сын Джеймс занял пост главного инженера. Оставшуюся часть своей жизни он провел со своей женой Сарой и шестью детьми в их доме на Уортен-стрит, который был старым домом Уистлера, а теперь является Домом-музеем Уистлера .

Фрэнсис был призван на службу в 1889 году в качестве члена комитета ASCE для изучения причин наводнения в Джонстауне, когда плотина Саут-Форк в Джонстауне, штат Пенсильвания, прорвалась, в результате чего погибло более 2200 человек. Хотя отчет был завершен к январю 1890 года, он был немедленно запрещен и не публиковался среди других членов ASCE или общественности до середины 1891 года, через два года после наводнения 1889 года. Сам Фрэнсис представил результаты расследования на съезде ASCE в Чаттануге, штат Теннесси. Остальные три члена комиссии не присутствовали. Хотя имя Фрэнсиса возглавляло отчет, де-факто председателем комитета был Макс Беккер, инженер путей сообщения из Питтсбурга, практически не имеющий опыта работы в сфере плотин или гидротехники. По словам Фрэнсиса, именно Беккер задержал публикацию отчета. Подробное обсуждение расследования в Саут-Форке, участвующих инженеров и научных данных, лежащих в основе наводнения 1889 года, было опубликовано в 2018 году.

Фрэнсис умер 18 сентября 1892 года в возрасте 77 лет и похоронен на кладбище Лоуэлл под массивным столбом из ограненных гранитных камней, символизирующим камни, использованные для строительства каналов.

Почести

За весь его вклад в мир техники и личную щедрость в его честь названы следующие объекты:

• Инженерный колледж Джеймса Б. Фрэнсиса Массачусетского университета в Лоуэлле ; Магистр, доктор философии и доктор технических наук. Инженерные степени и исследования по более чем семи инженерным программам, включая пластмассы и ядерную инженерию.
• Фрэнсис Гейт, Лоуэлл, Массачусетс
• Турбина Фрэнсиса
• Система Фрэнсиса: первая спринклерная система противопожарной защиты.
• Формула Фрэнсиса: описывает воду, протекающую через плотины. Сегодня оно используется в механике жидкости как уравнение для расчета расхода воды через прямоугольную плотину с точки зрения длины и напора.

Известные варианты использования турбины Фрэнсиса

Рабочее колесо турбины Фрэнсиса мощностью почти один миллион л.с. (750 МВт) устанавливается на плотине Гранд-Кули , США.

Сегодня турбина Фрэнсиса является наиболее широко используемой водяной турбиной в мире, включая новую китайскую плотину «Три ущелья» как вторую по величине гидроэлектростанцию ​​в мире с будущей установленной мощностью 22 500 МВт. Благодаря включению турбины Фрэнсиса почти в каждую плотину гидроэлектростанции, построенную с 1900 года, она отвечает за выработку почти одной пятой всей электроэнергии в мире:

• Гидроэлектростанция Эльвкарлебю, 1911 г., Швеция - первая гидроэлектростанция в стране.
• Плотина Гувера 1936 г., Невада / Аризона - 2080 МВт, всемирно известная и когда-то крупнейшая гидроэлектростанция в мире.
• Плотина Гранд-Кули , 1942 г., Вашингтон - 6809 МВт, крупнейшая электростанция в стране.
• Плотина Дез 1963 г., Иран - 520 МВт, крупный проект в стране на момент строительства.
• Плотина Гордон 1978 г., Тасмания - 432 МВт, самая высокая плотина в стране.
• Далешицкая гидроэлектростанция, 1978 г., Чехия - 480 МВт, самая высокая плотина в стране.
• Плотина Цзиньпин-И, 2013 г., Китай - 3600 МВт, самая высокая плотина в мире.
• Электростанция Роберт-Бурасса 1981 г., Канада - 5616 МВт, крупнейшая электростанция в стране.
• Плотина Итайпу 1984 г., Бразилия / Парагвай – 14 000 МВт, крупнейшая электростанция в Америке.
• Плотина Виктория 1985 г., Шри-Ланка - 210 МВт, самая высокая плотина в стране.

См. также

• Законодательное собрание Массачусетса 1868 г.

Библиография

• Лейтон, Эдвин Т. «От практического правила к научной инженерии: Джеймс Б. Фрэнсис и изобретение турбины Фрэнсиса», Серия монографий NLA. Стоуни-Брук, Нью-Йорк: Исследовательский фонд Государственного университета Нью-Йорка, 1992.
• Некролог Фрэнсиса в журнале Engineering News, том XVII, январь – июнь 1887 г., стр. 14

Внешние ссылки

• Система энергоканалов Лоуэлла – ASME