第258章 渦輪增壓！

  從地位上說，氧氣頂吹轉爐技術的核心前置科技，就是工業級空氣分離設備。

  歷史上，第一台真正意義上的製氧機誕生於1903年末，應用於金屬的氣焊和切割，後來隨著氮肥工業高速發展，逐漸對氮氣產生極大需求，製氧機開始生產氧氣與氮氣，改名空氣分離設備。

  空氣分離設備工作原理非常簡單，利用液態氧氣與液態氮氣沸點不同，對空氣進行低溫處理，精餾分離，最終得到高純度氧氣與高純度氮氣，以及其他有用氣體。

  目前，全世界還沒有一台真正意義上的工業級空氣分離設備，所有空分設備還處於小型水平，其氧氣產量為每小時5—10立方米左右，遠遠無法滿足大規模氧氣煉鋼的需求，達不到工業級標準。

  2T級氧吹爐氧氣消耗量約為每噸金屬1.5立方米/每分鍾，冶煉時間為20分鍾左右，總耗氧量高達60立方米。

  一邊是180立方米的泳池，一邊是每小時5—10立方米左右的小水管，兩者之間的差距達到36—18倍區間，不可謂不大。

  想要達到氧氣煉鋼的標準，空分設備氧氣產量必須提升兩個數量級。

  余華目標是研製出每小時氧氣產量達到1000立方米以上的空分設備，如此，方可滿足計劃之中的2T級實驗氧吹爐。

  不過，當務之急還是先搞定氧槍。

  空氣分離設備是氧吹爐技術的核心前置科技，而氧槍以及耐火材料是氧吹爐本身的核心技術。

  一環扣一環，每一個地方都不能馬虎。

  辦公室內，余華伏案工作，面容認真，雙手拿著筆和工具在圖紙上不斷作圖，這是三孔氧槍噴頭法蘭零件的設計參數和尺寸數據，為了滿足供氧強度和壓力，噴頭法蘭零件的材質采用鑄鐵和電爐鋼兩種，經過埋弧焊工藝實現密封和連接。

  法蘭零件圖紙畫出，余華啟用思維計算機，眼神透出一抹絕對理性的色彩，腦海之中構建法蘭零件的數學模型，而後載入基準材料和結構，以及高壓氧氣數據，接著開始計算模擬。

  計算模擬鑄鐵法蘭和電爐鋼法蘭的爐內工作狀況和數據。

  這是余華獨一無二的優勢，無數科學家夢寐以求的能力。

  數學模型中，一股高壓純氧沿中心管高速前進，似如湍流般洶湧澎湃，來到噴頭法蘭部位後，對鑄鐵材料的法蘭施加巨大壓力。

  鑄鐵雖然不及電爐鋼，但也能輕松承受這股高壓氣態純氧所產生的壓力，在鑄鐵法蘭工作一秒後，數學模型引入新的變量因素——爐內工作環境。

  火紅色轉爐出現，高達一千多攝氏度的鋼水，時時刻刻向外釋放高額熱量，空氣迅速升溫加熱，籠罩采用鑄鐵材料製作的法蘭。

  “哢擦！”在低溫冷卻水和高溫熱浪雙重影響下，鑄鐵迅速產生變化，強度和硬度以肉眼可見的速度降低，僅僅過了十數秒，鑄鐵法蘭產生一道裂紋，高壓純氧和低溫冷卻水隨即泄露。

  數學模型計算終止。

  “鑄鐵不行，看來只能用電爐鋼了。”余華對於鑄鐵法蘭的模擬數據並不意外，面色平靜，腦海分析這些模擬計算數據後，給出一個初步結論，而後開始進行電爐鋼材料的法蘭數學模型計算。

  鑄鐵和電爐鋼兩種材料的力學性能明顯不同，而余華之所以要做兩種數學模型計算的緣故，只為了查看鑄鐵材料能否滿足使用。

  莫得辦法，根據地窮，中華窮，鑄鐵成本和電爐鋼成本完全是兩個概念，如果鑄鐵材料能滿足法蘭盤的使用環境，那就沒有必要耗費珍貴的電爐鋼。

  可惜，鑄鐵法蘭的結果沒有令余華驚喜。

  數學模型計算再次啟動，高壓純氧和爐內工作環節等等現實變量因素出現，這一次，采用電爐鋼材料的法蘭盤，在近乎真實環境下穩定運行，工作時間達到十個小時以上。

  “材料力學數據合格，安全壓力余量充足，在有冷卻水的情況下，電爐鋼法蘭能長時間運行，在沒有冷卻水的情況下，大概十分鍾就會因為高溫而改變自身材料特性，不過，十分鍾已經足夠噴頭損毀幾百次。”跑了一遍動態計算模擬的余華，得出電爐鋼法蘭的材料力學數據和各項參數，退出消耗巨大的思維計算機模式，默默思索。

  這份計算數據表明，法蘭設計沒有問題，必須采用電爐鋼材料。

  噴頭法蘭搞定，整個氧槍研製項目基本宣告結束，余華在圖紙上標注零件規格和材料要求，而後打開裝滿數十份設計圖紙的抽屜，將這張法蘭設計圖折疊整理，放入其中。

  抽屜裡這些設計圖紙全是關於氧槍的圖紙，包括整體三視圖、噴頭設計圖紙、槍身設計圖紙等等，千萬別以為數十份很多，事實上，這個年代搞技術開發的工程師和學者，圖紙消耗動輒幾十上百公斤。

  是的，幾十上百公斤。

  這還不算多，如果是那種超高難度且結構複雜的工程項目，圖紙消耗量甚至能達到噸級標準。

  對比同時代的同行們，余華這幾十份圖紙，已經算超級勤儉節約的級別。

  而這些，全都依賴於思維計算機和思維近似物理系統。

  “氧槍算是搞定了，趁著現在還有精力，研究一下空分設備。”余華放好圖紙，心思由氧槍轉移到空分設備上，稍微休息一會兒，接著取出一張空白圖紙擺放於桌面。
    整個人面容有些嚴肅，右手執筆，在旁邊草稿紙寫出空分設備的工作原理和製氧流程。

  原理為利用氧氣與氮氣不同的沸點進行製氧，製氧流程大致分為壓縮—淨化—換熱—製冷—精餾。

  要從空氣中製取氧氣，首先第一步，也是最重要的步驟，壓縮空氣。

  問題來了，如何壓縮空氣？
  很簡單，上一個擁有內部空間且封閉的金屬體，加上往複運轉表面光滑的鑄鐵金屬，就能實現壓縮空氣，它在機械工程領域可以稱之為氣缸與活塞。

  光有氣缸與活塞還不夠，為了能傳動能量讓活塞運轉起來，肯定要加裝曲柄連杆，連接能量供應核心，這個點由把電能轉化為機械能的電機負責提供，此後，再加裝完全密封的鑄鐵殼體與進排管道，一個可以壓縮空氣的機器設備就做好了。

  這，就是空氣壓縮機。

  從機械工程角度講，壓縮機工作原理非常簡單，對後世任何一名理科高中生而言，只要聽了課，隨便掰扯理解，動手能力強的學生，都能造個簡易壓縮機。

  而壓縮機更是遍布千家萬戶，舉個最簡單的例子，後世家家戶戶全都有的空調和冰箱，全靠壓縮機制冷。

  不過，作為工業級空分設備的心臟，研發道路上的第一隻攔路虎，具有不可替代性的壓縮機，工作要求和指標卻遠遠超過空凋壓縮機和冰箱壓縮機，而且，對壓縮機而言，想要整台空分設備生產出足夠的氧氣，必須付出五倍以上的努力。

  原因很簡單，空氣中的氧氣體積分數為21%。

  製取一份氧氣，需要五份空氣。

  對壓縮機來說，滿足一台最小的2T級實驗氧吹爐單位耗氧量，即180立方米每小時氧氣產量，得直接乘以五倍。

  如果是真正意義上的30噸級工業氧吹爐，那就更加誇張了。

  30噸級氧吹爐不僅意味著鋼水容積增加，而且單位耗氧量急劇上升，達到每噸金屬3.5立方米/每分鍾！
  這是什麽概念？
  每小時供氧強度要達到6300立方米，然後再乘以5，得到3.15萬立方米空氣的天文數字。

  當然，余華沒有好高騖遠，準備直接上馬7000立方米每小時的空分設備，腳踏實地，從小出發，目標定在每小時200立方米氧氣的空分設備。

  “現階段全世界空分設備的氧氣產量不高，主要原因在於壓縮機進氣量不夠，而這取決於進氣機組的進氣效率……”余華右手握著鉛筆，簡單幾筆，便畫出一個具有極簡風格的進氣機組結構，腦海高速運轉思考。

  進氣機組與進氣效率！
  工業級空分設備的研發難度之所以高，在於超高製氧效率。

  由於壓縮機必須每時每刻需要獲得巨量空氣，進氣機組的設計至關重要，已知進氣效率越高，壓縮機進氣量越高。

  一個新的問題由此誕生，什麽結構設計的進氣機組效率最高？
  沒人知道，這是氮肥工廠老板和氧氣切割工程師最關心的事情。

  當然，余華還是知道的，已知進氣效率最高的進氣機組，唯有F-22‘猛禽’身上F119矢量渦扇發動機用的壓氣機，這玩意兒進氣效率之高令人感到可怕，每秒進氣量達到上千立方米以上，令這款小涵道比渦扇發動機的進氣效率，卻絲毫不弱於大涵道比渦扇發動機，推力更是達到航空發動機之最。

  嗯，理論上這是一款超理想的壓縮機進氣機組，如果余華能造出來的話。

  用F119渦扇發動機的壓氣機太過遙遠，回到壓縮機草圖上，余華權衡考慮，仔細思索過後，認為現階段最適合壓縮機的進氣機組，就是由離心式壓氣機與渦輪構成的渦輪增壓技術。

  是的，大名鼎鼎的渦輪增壓。

  渦輪增壓技術可以有效提升進氣效率，進而滿足壓縮機的進氣量需求，在整個空分設備中起到至關重要的作用。

  余華握著鉛筆，畫出渦輪增壓機組和壓縮機的概念圖，與此同時，腦海開始計算數據，分別對單級壓氣機和多級壓氣機進行不同的數據計算，數分鍾過後，余華得到一系列數據結果。

  計算模擬結果顯示：

  單級壓氣機和渦輪令進氣效率有效提升，但總進氣量不足，只有每小時780立方米，依舊無法滿足2T實驗爐的供氧強度需求。

  二級離心壓氣機和渦輪令進氣效率相較單級提升30%以上，總進氣量及格，達到每小時1014立方米，滿足2T實驗爐需求。

  三級離心壓氣機和渦輪令進氣效率相較二級提升45%以上，總進氣量優秀，達到每小時1470立方米。

  這個誕生於1885年的渦輪增壓技術，頃刻間令空分設備研究產生翻天覆地的變化，至於四級壓氣機和五級壓氣機，考慮到加工難度和材料的限制，完全沒有計算模擬的必要。

  三級以上的離心壓氣機，對於1937年的機械製造業而言，就像是F119相對於黎明航發那般遙不可及。

  “一級不夠，三級離心壓氣機對製造工藝和材料的要求特別高，成本高昂，不劃算，二級雖然進氣效率不如三級渦輪增壓機組，但已經適合。”余華對采用三種不同結構的壓縮機進行選擇，毫無疑問，二級離心壓氣機和渦輪的組合，最適合應用於當前的壓縮機。

  (本章完)