Корнуоллский двигатель — это тип парового двигателя, разработанный в Корнуолле , Англия, в основном для откачки воды из шахты. Это разновидность балочного двигателя , которая использует пар под более высоким давлением, чем более ранние двигатели, разработанные Джеймсом Уаттом . Двигатели также использовались для питания человеко-машин, чтобы помочь подземным шахтерам добраться до рабочих уровней и вернуться обратно, для подъема материалов в шахту и из нее, а также для питания оборудования для штамповки руды на месте . [1]
В Корнуолле уже давно есть оловянные , медные и другие металлические рудники, но если добыча будет вестись на больших глубинах, необходимо найти способ осушения шахты. Подъем веса воды из глубин требует больших трудозатрат . Эта энергия может слабо подаваться лошадиной силой или водяным колесом для работы насосов, но лошади имеют ограниченную мощность, а водяным колесам нужен подходящий поток воды. Соответственно, инновация в виде паровой энергии, работающей на угле, для работы насосов была более универсальной и эффективной для горнодобывающей промышленности, чем примитивные средства.
На руднике Уил-Вор до 1714 года был один из самых ранних двигателей Ньюкомена (внутрицилиндровые конденсационные двигатели, использующие давление ниже атмосферного), но в Корнуолле нет угольных месторождений, а импортируемый из Южного Уэльса уголь был дорогим. Стоимость топлива для перекачки, таким образом, составляла значительную часть расходов на добычу. Позже многие из более эффективных ранних двигателей Уатта (использующих внешний конденсатор) были установлены Болтоном и Уаттом в Корнуолле. Они взимали с владельцев шахт роялти, основанный на доле экономии топлива. Топливная эффективность двигателя измерялась его «долгом», выраженным в работе (в фут-фунтах ), произведенной бушелем (94 фунта (43 кг)) угля. Ранние двигатели Уатта имели долг в 20 миллионов, а более поздние — более 30 миллионов. [2]
Главным преимуществом двигателя Cornish была его повышенная эффективность, достигнутая за счет более экономичного использования пара 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. [ необходима цитата ]
Увеличение давления в котле выше очень низкого, практически атмосферного давления пара, которое использовал Джеймс Уатт, было существенным элементом повышения эффективности двигателя Корнуолла. Простое увеличение давления в котле сделало бы двигатель более мощным, не увеличивая его эффективность. Ключевым достижением было расширение пара в цилиндре. Хотя Джеймс Уатт задумал идею обеспечения расширяющейся работы пара и включил ее в свой патент 1782 года, он понял, что низкое давление пара в его заявке делает повышение эффективности незначительным, и поэтому не стал этим заниматься. [ необходима цитата ]
В двигателе Уатта пар впускается на протяжении всего рабочего хода поршня. В конце хода пар выпускается, а вся оставшаяся энергия тратится в конденсаторе, где пар охлаждается обратно в воду. [ необходима цитата ]
В двигателе Cornish, напротив, впускной клапан закрывается на полпути рабочего такта, позволяя пару, уже находящемуся в этой части цилиндра, расширяться в течение оставшейся части такта до более низкого давления. Это приводит к захвату большей доли его энергии и меньшим потерям тепла в конденсаторе, чем в двигателе Watt. [ необходима цитата ]
Другие характеристики включают изоляцию паропроводов и цилиндра, а также паровую рубашку цилиндра, обе из которых ранее применялись Уаттом. [3]
Лишь немногие паровозы Cornish сохранились на своих первоначальных местах, большинство из них было отправлено на слом после закрытия соответствующего промышленного предприятия. [1]
Двигатель Cornish развивал неравномерную мощность на протяжении всего цикла, полностью останавливаясь в одной точке, при этом имея быстрое движение на 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 . [ необходима ссылка ]
Корнуоллский цикл работает следующим образом. [4]
Начиная с рабочего состояния, когда поршень находится в верхней части цилиндра, цилиндр под поршнем заполнен паром от предыдущего хода, котел находится под нормальным рабочим давлением, а конденсатор находится под нормальным рабочим вакуумом,
Следующий удар может произойти немедленно или может быть задержан устройством синхронизации, например, катарактой , если не было необходимости в работе двигателя на максимальной скорости, что снижает скорость работы и экономит топливо.
Двигатель одностороннего действия , а паровой поршень поднимается под действием веса поршня насоса и штанги. Пар может подаваться под давлением до 50 фунтов на квадратный дюйм (340 кПа).
Реальные фотографии, демонстрирующие компоненты схематического проекта ( шахта Тейлера, шахта Ист-Пул, двигатель Харви):
Двигатель Корнуолла зависел от использования давления пара выше атмосферного, как это было изобретено Ричардом Тревитиком в 19 веке. Его ранние двигатели с нагнетательным двигателем выпускали пар в атмосферу. Это отличалось от парового двигателя Уатта, который перемещал конденсирующийся пар из цилиндра в конденсатор, отдельный от цилиндра; поэтому двигатель Уатта зависел от создания вакуума при конденсации пара. Более поздние двигатели Тревитика (в 1810-х годах) объединили два принципа, начиная с пара высокого давления, который затем передавался на другую сторону поршня, где он конденсировался и там действовал как двигатель с давлением ниже атмосферного. В параллельной разработке Артур Вульф разработал составной паровой двигатель , в котором 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 патентное право на свое последнее изобретение Уильяму Симсу, который построил или адаптировал ряд двигателей, включая один в Уил-Чансе, работающий при давлении 40 фунтов на квадратный дюйм (280 кПа) выше атмосферного давления , который достиг мощности почти в 50 миллионов, но затем его эффективность упала. Испытание было проведено между одноцилиндровым двигателем типа Тревитика и составным двигателем Вульфа в Уил-Альфреде в 1825 году, когда оба достигли мощности чуть более 40 миллионов. [5]
Следующее улучшение было достигнуто в конце 1820-х годов Сэмюэлем Гроузом, который уменьшил потери тепла, изолировав трубы, цилиндры и котлы двигателей, увеличив нагрузку до более чем 60 миллионов в Уил-Хоупе, а затем до почти 80 миллионов в Уил-Товане . Тем не менее, лучшая нагрузка обычно была кратковременным достижением из-за общего износа оборудования, утечек из котлов и износа пластин котла (что означало, что давление должно было быть снижено). [5]
Незначительные усовершенствования несколько увеличили нагрузку, но двигатель, похоже, достиг своих практических пределов к середине 1840-х годов. При давлении до 50 фунтов на квадратный дюйм (340 кПа) силы, вероятно, вызывали поломки оборудования. Те же самые улучшения нагрузки произошли в двигателях, работающих на корнуэльских штампах и причудах , но, как правило, произошли немного позже. В обоих случаях наилучшая нагрузка была ниже, чем для насосных двигателей, особенно для причудливых двигателей, чья работа была прерывистой. [2]
Импульс к усовершенствованию парового двигателя пришел из Корнуолла из-за высокой цены на уголь там, но как капитальные, так и эксплуатационные расходы были выше, чем у парового двигателя Уатта. Это надолго задержало установку двигателей Корнуолла за пределами Корнуолла. Подержанный двигатель Корнуолла был установлен на водопроводной станции Ист-Лондона в 1838 году и сравнен с двигателем Уатта с благоприятными результатами, поскольку цена на уголь в Лондоне была даже выше, чем в Корнуолле. В основных районах текстильного производства, 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, а не следуя обычной практике Корнуолла. [2]
Несколько корнуольских двигателей сохранились в Англии. Лондонский музей воды и пара обладает крупнейшей коллекцией корнуольских двигателей в мире. На насосной станции Крофтон в Уилтшире находятся два корнуольских двигателя, один из которых (1812 Boulton and Watt ) является «старейшим рабочим балочным двигателем в мире, все еще находящимся в своем первоначальном машинном отделении и способным фактически выполнять работу, для которой он был установлен», а именно перекачивать воду в верхний пруд канала Кеннет и Эйвон . [6] Два образца также сохранились в музее шахт и двигателей Корнуолла на месте шахты Ист-Пул недалеко от города Пул, Корнуолл .
Другой пример — на руднике Полдарк в Тренире, Корнуолл — корнуоллский двигатель Harvey of Hayle Beam примерно 1840–1850 годов, первоначально использовавшийся на руднике Банни Тин, а затем на глиняном карьере Гринсплат, оба около Сент-Остелла. Он больше не работает как паровой двигатель, а вместо этого приводится в движение гидравлическим механизмом. Используемый на руднике Гринсплат до 1959 года, это последний корнуоллский двигатель, который работал в коммерческих целях в Корнуолле. Он был перемещен в Полдарк в 1972 году. [7]
Насосная станция Cruquius в Нидерландах содержит двигатель Cornish с самым большим диаметром цилиндра, когда-либо построенным для двигателя Cornish, в 3,5 метра (140 дюймов). Двигатель, который был построен Harvey & Co в Хейле , Корнуолл, имеет восемь балок, соединенных с одним цилиндром , каждая балка приводит в действие один насос. [8] Двигатель был восстановлен до рабочего состояния между 1985 и 2000 годами, хотя сейчас он работает с помощью маслонаполненной гидравлической системы, поскольку восстановление работы на пару было нецелесообразным. [9]
Комитет по сохранению двигателей Корнуолла , ранняя индустриальная археологическая организация, была сформирована в 1935 году для сохранения левантийского заводного двигателя . Позднее комитет был переименован в 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 промышленных археологических темах. [11] [12]
