我的科学时代 - 第二百五十四章 涡轮增压！

    从地位上说，氧气顶吹转炉技术的核心前置科技，就是工业级空气分离设备。
    历史上，第一台真正意义上的制氧机诞生于1903年末，应用于金属的气焊和切割，后来随着氮肥工业高速发展，逐渐对氮气产生极大需求，制氧机开始生产氧气与氮气，改名空气分离设备。
    空气分离设备工作原理非常简单，利用液态氧气与液态氮气沸点不同，对空气进行低温处理，精馏分离，最终得到高纯度氧气与高纯度氮气，以及其他有用气体。
    目前，全世界还没有一台真正意义上的工业级空气分离设备，所有空分设备还处于小型水平，其氧气产量为每小时5—10立方米左右，远远无法满足大规模氧气炼钢的需求，达不到工业级标准。
    2t级氧吹炉氧气消耗量约为每吨金属1.5立方米/每分钟，冶炼时间为20分钟左右，总耗氧量高达60立方米。
    一边是180立方米的泳池，一边是每小时5—10立方米左右的小水管，两者之间的差距达到36—18倍区间，不可谓不大。
    想要达到氧气炼钢的标准，空分设备氧气产量必须提升两个数量级。
    余华目标是研制出每小时氧气产量达到1000立方米以上的空分设备，如此，方可满足计划之中的2t级实验氧吹炉。
    不过，当务之急还是先搞定氧枪。
    空气分离设备是氧吹炉技术的核心前置科技，而氧枪以及耐火材料是氧吹炉本身的核心技术。
    一环扣一环，每一个地方都不能马虎。
    办公室内，余华伏案工作，面容认真，双手拿着笔和工具在图纸上不断作图，这是三孔氧枪喷头法兰零件的设计参数和尺寸数据，为了满足供氧强度和压力，喷头法兰零件的材质采用铸铁和电炉钢两种，经过埋弧焊工艺实现密封和连接。
    法兰零件图纸画出，余华启用思维计算机，眼神透出一抹绝对理性的色彩，脑海之中构建法兰零件的数学模型，而后载入基准材料和结构，以及高压氧气数据，接着开始计算模拟。
    计算模拟铸铁法兰和电炉钢法兰的炉内工作状况和数据。
    这是余华独一无二的优势，无数科学家梦寐以求的能力。
    数学模型中，一股高压纯氧沿中心管高速前进，似如湍流般汹涌澎湃，来到喷头法兰部位后，对铸铁材料的法兰施加巨大压力。
    铸铁虽然不及电炉钢，但也能轻松承受这股高压气态纯氧所产生的压力，在铸铁法兰工作一秒后，数学模型引入新的变量因素——炉内工作环境。
    火红色转炉出现，高达一千多摄氏度的钢水，时时刻刻向外释放高额热量，空气迅速升温加热，笼罩采用铸铁材料制作的法兰。
    “咔擦！”在低温冷却水和高温热浪双重影响下，铸铁迅速产生变化，强度和硬度以肉眼可见的速度降低，仅仅过了十数秒，铸铁法兰产生一道裂纹，高压纯氧和低温冷却水随即泄露。
    数学模型计算终止。
    “铸铁不行，看来只能用电炉钢了。”余华对于铸铁法兰的模拟数据并不意外，面色平静，脑海分析这些模拟计算数据后，给出一个初步结论，而后开始进行电炉钢材料的法兰数学模型计算。
    铸铁和电炉钢两种材料的力学性能明显不同，而余华之所以要做两种数学模型计算的缘故，只为了查看铸铁材料能否满足使用。
    莫得办法，根据地穷，中华穷，铸铁成本和电炉钢成本完全是两个概念，如果铸铁材料能满足法兰盘的使用环境，那就没有必要耗费珍贵的电炉钢。
    可惜，铸铁法兰的结果没有令余华惊喜。
    数学模型计算再次启动，高压纯氧和炉内工作环节等等现实变量因素出现，这一次，采用电炉钢材料的法兰盘，在近乎真实环境下稳定运行，工作时间达到十个小时以上。
    “材料力学数据合格，安全压力余量充足，在有冷却水的情况下，电炉钢法兰能长时间运行，在没有冷却水的情况下，大概十分钟就会因为高温而改变自身材料特性，不过，十分钟已经足够喷头损毁几百次。”跑了一遍动态计算模拟的余华，得出电炉钢法兰的材料力学数据和各项参数，退出消耗巨大的思维计算机模式，默默思索。
    这份计算数据表明，法兰设计没有问题，必须采用电炉钢材料。
    喷头法兰搞定，整个氧枪研制项目基本宣告结束，余华在图纸上标注零件规格和材料要求，而后打开装满数十份设计图纸的抽屉，将这张法兰设计图折叠整理，放入其中。
    抽屉里这些设计图纸全是关于氧枪的图纸，包括整体三视图、喷头设计图纸、枪身设计图纸等等，千万别以为数十份很多，事实上，这个年代搞技术开发的工程师和学者，图纸消耗动辄几十上百公斤。
    是的，几十上百公斤。
    这还不算多，如果是那种超高难度且结构复杂的工程项目，图纸消耗量甚至能达到吨级标准。
    对比同时代的同行们，余华这几十份图纸，已经算超级勤俭节约的级别。
    而这些，全都依赖于思维计算机和思维近似物理系统。
    “氧枪算是搞定了，趁着现在还有精力，研究一下空分设备。”余华放好图纸，心思由氧枪转移到空分设备上，稍微休息一会儿，接着取出一张空白图纸摆放于桌面。
    整个人面容有些严肃，右手执笔，在旁边草稿纸写出空分设备的工作原理和制氧流程。
    原理为利用氧气与氮气不同的沸点进行制氧，制氧流程大致分为压缩—净化—换热—制冷—精馏。
    要从空气中制取氧气，首先第一步，也是最重要的步骤，压缩空气。
    问题来了，如何压缩空气？
    很简单，上一个拥有内部空间且封闭的金属体，加上往复运转表面光滑的铸铁金属，就能实现压缩空气，它在机械工程领域可以称之为气缸与活塞。
    光有气缸与活塞还不够，为了能传动能量让活塞运转起来，肯定要加装曲柄连杆，连接能量供应核心，这个点由把电能转化为机械能的电机负责提供，此后，再加装完全密封的铸铁壳体与进排管道，一个可以压缩空气的机器设备就做好了。
    这，就是空气压缩机。
    从机械工程角度讲，压缩机工作原理非常简单，对后世任何一名理科高中生而言，只要听了课，随便掰扯理解，动手能力强的学生，都能造个简易压缩机。
    而压缩机更是遍布千家万户，举个最简单的例子，后世家家户户全都有的空调和冰箱，全靠压缩机制冷。
    不过，作为工业级空分设备的心脏，研发道路上的第一只拦路虎，具有不可替代性的压缩机，工作要求和指标却远远超过空凋压缩机和冰箱压缩机，而且，对压缩机而言，想要整台空分设备生产出足够的氧气，必须付出五倍以上的努力。
    原因很简单，空气中的氧气体积分数为21%。
    制取一份氧气，需要五份空气。
    对压缩机来说，满足一台最小的2t级实验氧吹炉单位耗氧量，即180立方米每小时氧气产量，得直接乘以五倍。
    如果是真正意义上的30吨级工业氧吹炉，那就更加夸张了。
    30吨级氧吹炉不仅意味着钢水容积增加，而且单位耗氧量急剧上升，达到每吨金属3.5立方米/每分钟！
    这是什么概念？
    每小时供氧强度要达到6300立方米，然后再乘以5，得到3.15万立方米空气的天文数字。
    当然，余华没有好高骛远，准备直接上马7000立方米每小时的空分设备，脚踏实地，从小出发，目标定在每小时200立方米氧气的空分设备。
    “现阶段全世界空分设备的氧气产量不高，主要原因在于压缩机进气量不够，而这取决于进气机组的进气效率……”余华右手握着铅笔，简单几笔，便画出一个具有极简风格的进气机组结构，脑海高速运转思考。
    进气机组与进气效率！
    工业级空分设备的研发难度之所以高，在于超高制氧效率。
    由于压缩机必须每时每刻需要获得巨量空气，进气机组的设计至关重要，已知进气效率越高，压缩机进气量越高。
    一个新的问题由此诞生，什么结构设计的进气机组效率最高？
    没人知道，这是氮肥工厂老板和氧气切割工程师最关心的事情。
    当然，余华还是知道的，已知进气效率最高的进气机组，唯有f-22‘猛禽’身上f119矢量涡扇发动机用的压气机，这玩意儿进气效率之高令人感到可怕，每秒进气量达到上千立方米以上，令这款小涵道比涡扇发动机的进气效率，却丝毫不弱于大涵道比涡扇发动机，推力更是达到航空发动机之最。
    嗯，理论上这是一款超理想的压缩机进气机组，如果余华能造出来的话。
    用f119涡扇发动机的压气机太过遥远，回到压缩机草图上，余华权衡考虑，仔细思索过后，认为现阶段最适合压缩机的进气机组，就是由离心式压气机与涡轮构成的涡轮增压技术。
    是的，大名鼎鼎的涡轮增压。
    涡轮增压技术可以有效提升进气效率，进而满足压缩机的进气量需求，在整个空分设备中起到至关重要的作用。
    余华握着铅笔，画出涡轮增压机组和压缩机的概念图，与此同时，脑海开始计算数据，分别对单级压气机和多级压气机进行不同的数据计算，数分钟过后，余华得到一系列数据结果。
    计算模拟结果显示：
    单级压气机和涡轮令进气效率有效提升，但总进气量不足，只有每小时780立方米，依旧无法满足2t实验炉的供氧强度需求。
    二级离心压气机和涡轮令进气效率相较单级提升30%以上，总进气量及格，达到每小时1014立方米，满足2t实验炉需求。
    三级离心压气机和涡轮令进气效率相较二级提升45%以上，总进气量优秀，达到每小时1470立方米。
    这个诞生于1885年的涡轮增压技术，顷刻间令空分设备研究产生翻天覆地的变化，至于四级压气机和五级压气机，考虑到加工难度和材料的限制，完全没有计算模拟的必要。
    三级以上的离心压气机，对于1937年的机械制造业而言，就像是f119相对于黎明航发那般遥不可及。
    “一级不够，三级离心压气机对制造工艺和材料的要求特别高，成本高昂，不划算，二级虽然进气效率不如三级涡轮增压机组，但已经适合。”余华对采用三种不同结构的压缩机进行选择，毫无疑问，二级离心压气机和涡轮的组合，最适合应用于当前的压缩机。