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罗茨风机发展史
风机是造风、送风的机械设备。风有自然风和人造风之别。风的能量和它的威力都很大。
大风,可以将树连根拔起,大风在几秒钟内制造的功率,罗茨风机可达到几百万千瓦之多。1978年4月10日,在中国新疆哈密西部的红柳车站,一阵大风使三节重4.4万公斤的货车,在一声巨响中,玩具似的翻滚下了路基。至于沿海地区年年发生的台风,它的威力和给人们造成的伤害就更大了。自然风是 大气层中空气对流的一种现象,由于空气的温度和密度发生了变化,而产生压力差,即是压力高的空气向低压力区域流动而来的。风含有的能量,叫做“风能”。风能和天然气、石油、煤炭、水力、海洋能、太阳能、地热一样,也是能源中的一种。计算风能大小的标杆是“风压”,风压的大小与风速的平方成正比,风速大,风压亦大,风速小,风压亦小。英国人蒲福于1905年,以风速的大小做标准,把“风”分成以0~12级的13个等级,称为“蒲福风级”,每个风级取有名字从低到高,即:静风、软风、轻风、微风、和风、劲风、强风、大风、烈风、狂风、暴风、飓风。该风力等级很方便人们识别风的大小,静风的风速低于0.2m/s,飓风的风速在32.7~36.9m/s,这级风有着非常大的摧毁力。1946年以来,风力等级又增加到18个等级、从13~17级的风速是可以用仪器测量。17级的风速为36.1~61.2m/s。对于风机来说,只要测出它的风速是多少,就可计算这个风机能造出几级风了。
一般三级自然风就可推动风车发出电来。科学家预测了一个数字:地球表面上所接受的太阳能中大约有1.5%~2.5%变成为大气层中的风力,在整个大气层中的总风力约为3亿亿kw,即全年大约有26万亿亿kw·h的能量。可以用来发电的风能又至少有10~100亿kw之多,比全世界可利用的水力发电资源还要大出4倍;全世界每年燃烧煤所获得的能量,也只有风力在年内所提供能量的三千分之一。
那么,人造风的能力又如何呢 ?这就是本文要谈的中心内容。至于造风的风机又是怎样产出和发展的呢?下面就来追踪溯源。
在商代、西周之前,我国人民就发明了一种强制送风的工具,名叫风箱,主要用于冶铸业。4800年以前,我国就能制造青铜器 —— 铜刀;商代早期的铜爵,有的壁厚仅2mm;商代中期已使用锡青铜和铅青铜两种合金,能铸造重80kg的大鼎.商代后期,青铜冶铸业臻于鼎盛.我国早在春秋时代就已发明了铸铁技术。公元前14至前11世纪的殷代时期,已开始运用了退火处理的热处理技术。在商代中朝,公元前14世纪,我国用陨铁制造武器,已采用了加热锻造工艺,所有这些工艺技术的发明、创造和用之于生产,都和送风工具风箱分不开的。
洛阳出土的西周铸炉壁残块上已发现有通风口,依时代不同,风箱的部件结构也不尽相同。早期是用牛皮或马皮制成的一种皮囊,古时称之为橐。外接风管,利用皮囊的胀缩来实现鼓风。最初是单囊作业,在山东滕县出土的汉代冶铁画像中可看出它的操作情形。
在战国时期或者更早些时,我国出现了多橐并联或串联的装置,汉代称之为“排橐”。北宁时期又发明了木风扇。从元代王祯于1313年所著《农书》中的卧式水排图和《熬波图》来看,它的外形好像一个木箱,是利甩箱盖启闭来实现鼓风的。
明代宋应星的科技名著《天工开物》中记载有木风箱,它是古老的活塞式鼓风机,一直沿用至今,可称之为现代往复式压缩机的鼻祖。木风箱两端各设有一个进风口,口上设有活瓣。箱侧设有一风道,风道侧端各设一个出风口,口上亦装有活瓣。通过伸出箱外的杆,驱动活塞往复运动,促使活瓣一启一闭,以达到鼓风的目的。木风箱的动力有人力和水力等。
“水排”是古代以水力推动的冶铸鼓风装置。相传是东汉(公元25~221年)初年南阳太守杜诗所发明的。在他之前,像冶铸炉鼓风的动力主要是人力和畜力。水排工作部件随着时代的不同经历了皮囊、木风扇、木风箱阶段。元代水排分卧轮式和主轮式两种,是依靠连把旋转运动变成直线往复运动的一种机器。
欧洲水力鼓风机大约发明于12世纪,对14世纪欧洲生铁的出现起到了促进作用.
中国发明的简单的木制砻谷风车,在南方沿用至今。它有一个等宽像现代多叶离心通风机机壳那样的木板风箱,上面有可放进谷子的方形口,左水平前面有方口,木轮子置于风箱中,轮子木轴伸出,装有摇把,靠摇把下侧设有斜口,轮子前后与风箱均有空隙可进空气。当手摇动轮子时,将谷子由上口倒进,由于轮子对由轮子与风箱之空隙进去的空气做功,提高了气体压力,将谷壳和稻草末由前方口吹送出去,谷子因为比重大,就由左下侧斜口流到谷袋里。这种木质砻谷风车也就是现代离心通风机、鼓风机和压缩机的鼻祖。
还有,螺旋桨式风车在我国古代也早有创造和应用,它又是轴流式风机的鼻祖。
欧洲工业革命时期,蒸汽机车的出现,钢铁工业、煤炭工业的突飞猛进,通风机、鼓风机、压缩机也就随波逐流地发展起来了。有的国家的风机产品随着钢铁产量的起落而起落;有的国家的风机产品则又随着石油、石油化工产品的产量的升降而升降。
1862年,英国圭贝尔发明了离心通风机,其叶轮、机壳为同心圆型,机壳用砖制,木制叶轮采用后向直叶片,效率为40%左右,主要用于矿山通风。1880年,设计出用于矿井排送风的蜗形机壳和后向弯曲叶片的离心通风机,结构比较完善。1898年,爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心通风机,并为各国广泛采用。19世纪,轴流通风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风,但压力仅为100~300Pa,效率仅为15%~25%。这种通风机,直到20世纪40年代以后才得到较快的发展。1935年,德国首先采 用轴流等压通风机作为锅炉通风机和引风机。 1948年,丹麦制成运行中动叶可调的轴流通风机。对旋轴流通风机、子午加速轴流通风机、斜流通风机和横流通风机也都获得发展。
离心式压缩机是在离心通风机的基础上发展起来的,20世纪出现了压力比为4.5的离心压缩机。50年代开始,离心压缩机制造业在欧美的工业发达国家得到发展。1963年,美国生产出第一台合成氨厂用的14.7MPa高压离心压缩机,采用筒型机壳代替水平剖分型机壳,又称筒型压缩机,它能承受10MPa以上的压力。70年代,美国、意大利和德国先后制成60~70MPa高压筒型压缩机,筒体壁厚280mm。80年代初排气压力已达80MPa。离心压缩机的转速一般为每分钟几千转以上,有的已达到25000转以上。所需功率可达几万千瓦,流量已达10000m 3 /min。离心压缩机的常规叶轮是以一维流动理论为基础设计的,60年代开始应用三维流动理论设计空间扭曲叶片,以改善叶轮级的性能。
轴流压缩机也是在欧洲首先出现的。19世纪末,英国人帕森斯让多级反动式汽轮机反向旋转,作为试验用轴流压缩,但由于效率很低而不能实用。20世纪初,英国制造出第一台轴流压缩机,效率仍不高。一直到30年代,由于航空事业的发展,开展了对轴流压缩机气体动力学理论研究和试验研究,效率才有显著提高。亚音速级(气流速度低于声速)中压力比不大,一般不超过1.3。为了提高级的压力比和增大流量,人们研究跨声速和超声速压缩机,并已广泛应用于喷气发动机等设备
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