毕设_弗朗西斯和工业电网_译文及原文

第5章弗朗西斯和工业电网

5.1 弗朗西斯的到达

詹姆斯·比奇诺·弗朗西斯于1815年5月18日出生在英国牛津郡的南利，14岁时就开始和父亲一起在铁路和运河上工作。和当时许多年轻的英国人一样，弗朗西斯决定来到美国，那里正在开始更大规模的土木工程项目。在1833年，他来到纽约，向乔治·华盛顿·惠斯勒提出申请，惠斯勒当时是美国最杰出的工程师之一。惠斯勒让他在纽约、普罗维登斯和波士顿铁路的建设中担任助理。1834年，当惠斯勒被波士顿协会邀请去洛厄尔的时候，他带弗朗西斯去水闸和运河公司工作。弗朗西斯给公司管理层留下了深刻的印象，以至于当惠斯勒于1837年离开公司时，这位22岁的英国人被任命为公司的工程师。

当时，主要的电力运河网络服务于10家棉纺厂，但在1837年至1845年间，出现了提高系统效率的需求。这些磨坊都有大的水轮，能将潜在动力转化为机械动力，效率约为60%。此外，每个工厂的供水量也存在争议。一家纺织公司声称，如果他们的电力中断，他们就得不到自己应得的那一份水。另外，由于竞争激烈，这些公司为了提高生产率，安装了更多的机器，提高了机器的运行速度，而这些机器都需要更大的功率。

为了帮助解决有关水流的争端，业主在1841年雇佣了杰出的工程师詹姆斯·鲍德温，惠斯勒和查尔斯·斯托罗，负责确定每个公司的水流量。在1842年12月17日的最终报告中，这些工程师建议通过测量运河中的水的表面流速V，并将其乘以水的横截面积A（A = BD：宽度B乘以水深D），最后减去一个常数C得到流量Q的结果。他们根据经验确定每个运河的常数值。

图5.1 詹姆斯·比奇诺·弗朗西斯(1815–1892)

在这些测试期间，弗朗西斯已经成为业主的工程师，后来由他公布了结果。在接下来的十年中，弗朗西斯对这些结果的有效性提出了严重的怀疑，特别是因为没有令人信服的方法来确定水的平均速度和水面速度之间的比率。的确，这三位工程师的C值是他们对这一比率的估计，但弗朗西斯并不满意。

另一个担忧是19世纪40年代早期不同寻常的干燥天气，这导致河水流量下降，从而降低了运河的潜在电力。1845年，水闸和运河公司购买了水权，以控制来自新汉普郡湖泊的水流，这些湖泊为梅里马克河提供水源，从而帮助保存水源，以供干旱季节使用。

供应、测量和效率的问题导致1845年船闸和运河的业主重组他们的公司，并将控制权交还给使用运河的纺织公司。他们把弗朗西斯提升为新公司的代理和工程师，因此他不仅成为了新公司的总工程师和设计师，还成为了水权的首席仲裁者。他后来被称为“水警局长”。

5.2 弗朗西斯重建了洛厄尔的力量

弗朗西斯被确认为所有水力发电公司的唯一负责人后，就着手进行了当时美国最雄心勃勃的工业研发计划。他重新设计了电力运河系统，设计了一条更大的新运河——北方运河，通过提供更大的运河截面面积，从而为更大的流量提供了空间，从而缓解了旧的波塔基特运河。例如，柯克·布特已将波塔基特运河重建为60英尺宽，8英尺深，流量约为Q = 2500 cu.ft./sec.。相比之下，北运河只有100英尺宽，15英尺深。到1853年，弗朗西斯对系统进行了重组，它提供了至少11900 Hp的电势，大约相当于Q = 3500 cu.ft./sec的流量，可以很容易地通过H = 30英尺的新运河。电源电位为：

由于Q以cu.ft./sec.为单位，因此必须通过将33000除以60来将分母转换为ft.-lbs./sec.。由于北运河的截面积要大得多，所以它的流量要大得多。在不足半满的情况下，它可以携带足够的流量来开发11900 Hp的全部潜在水力。

但这条运河的建设需要新的水闸和河堤的部分重建，所有这些都是为了将一定数量的河水分流到北运河。弗朗西斯设计了一种特殊的水涡轮来控制闸门，他还安装了大型测试室和其他他计划用于实验的设备。弗朗西斯借此机会创建了一种新型的实验室进行全面试验。

图5.2 1848年洛厄尔运河系统地图

但弗朗西斯也把新运河想象成一个公园，一个公共设施和一个实验室。他在运河两岸种满了树，这里成了散步的好去处。一位居民描述了当时的情景：几年前，它是这座城市的一道风景，每个星期天下午，市民们都可以沿着北运河的一侧，从卡伯特街散步到高桥下的波塔克特街；沿着石墙，在运河和河流之间，从那里到波塔基特瀑布桥。作者清楚地回忆起数百人，他们喜欢这条被称为“运河步道”的步行路线。

5.3 博伊登，弗朗西斯和涡轮机

随着1848年北方运河的竣工，弗朗西斯已经大大改善了Q号供水系统，但效率问题却有所不同。它包括用一个水马达代替旧的木制水轮，以增加纺织机械的动力。1844年，阿普尔顿工厂购买了一台由尤赖亚·博伊登(1804-1879)设计的涡轮机，这显然提高了效率，但提高了多少?

据博伊登说，问题是如何使车轮更有效地利用能源，博伊登为阿普尔顿公司设计的1844年涡轮产生了75 Hp，效率达到78%。1846年，他又为同一家公司设计了3台涡轮机。在这里，他签了一份合同，作为设计师，他的报酬是1200美元加上400美元，根据涡轮机测试效率的78%以上，每提高一个百分点支付。博伊登设计了测试，弗朗西斯计算并证明涡轮机达到了88%，因此公司毫不犹豫

地付给博伊登5200美元。显然，效率的提高对设计者来说是物有所值的，而对业主来说则是更大的利润。

在这一成功之后，波伊登在新英格兰地区设计了大量这样的涡轮机。1849年，在弗朗西斯的敦促下，洛厄尔的制造公司买下了波伊登涡轮机的所有权，弗朗西斯开始设计新的涡轮机，指导其建造，并计划在他新建的实验室里进行测试。1851年2月，在蒙特磨坊的一台涡轮机上进行了第一次这样的测试，该涡轮机已于1851年1月完成。可用的水力是Pin = QwH，在测试1中，弗朗西斯计算出111870 ft.-lbs./sec.。

弗朗西斯用一台普朗尼测力计来测量涡轮机的机械功率。普朗尼测力计是法国人发明的，由波登改进。弗朗西斯把普朗尼的刹车夹在由涡轮机转动的立轴上。当刹车压在车轮上时，产生了摩擦力r，从而减慢了车轮的速度V。T和V的乘积也提供动力，就像蒸汽船的桨一样。在第一次测试中，弗朗西斯计算了涡轮的功率，Pout = 87760 ft.-lbsVsec.。

图5.3 尤赖亚·阿瑟顿·博伊登(1804-1879)