压缩的基石：空气压缩机的演变

活塞杆填料技术的进步

自蒸汽机诞生之初，往复式活塞杆的密封就是必不可少的。19世纪下半叶，往复式压缩机的活塞杆也开始普及，因此也需要密封。各种垫圈，例如猪皮、麻布、鸭绒、橡胶、金属箔、金属碎屑以及这些材料的各种组合，被“填充”或“密封”在活塞杆周围，并通过填料函固定并压紧在活塞杆上。随着填料的磨损，需要定期拧紧填料函螺栓来控制泄漏。早期的金属填料呈楔形，由某种软金属制成，其排列方式使得螺栓法兰的压力使其压紧活塞杆。这一时期，人们对这种设计进行了许多改进，但与之前的填料一样，它们都需要持续维护，消耗发动机动力，并且会迅速磨损和刮伤活塞杆。

宾夕法尼亚州费城的蒸汽机工程师亚当·W·弗朗斯（Adam W. France）尝试了多种设计，最终研发出一种切线切割铸铁填料函，并于1899年获得专利。图1展示了早期弗朗斯设计的活塞杆填料函及其切线切割环。这种全浮动式金属填料函允许密封元件在组件内自由移动，而非浮动式填料函的密封元件则被刚性地固定在填料函内，需要外部调整以补偿磨损或错位。全浮动式金属填料函无需使用会产生摩擦的填料。此外，这种抗摩擦金属密封环能够承受高温高压。即使活塞杆因十字头或缸体的磨损、部件膨胀不均、错位或其他诸多原因而在填料函内发生横向移动，这种全浮动式金属填料函也能提供有效的密封。

几乎在同一时期，OJ Garlock 也进行了类似的填料改进；Charles Lee Cook 也获得了多项专利，进一步改进了活塞杆填料。这三人后来都创立了各自成功的填料和密封公司。这种活塞杆填料的开发是至关重要的一步，它消除了提高往复式压缩机转速和工作压力的关键障碍。

压缩机阀门技术的进步

早期的往复式压缩机使用笨重的金属锥阀或各种机械驱动阀，包括科利斯阀，这些阀门由凸轮和连杆控制，类似于驱动压缩机气缸的蒸汽机。它们笨重、噪音大且寿命短。20世纪初，技术进步带来了更高转速的发动机和压缩机，但压缩机阀门技术限制了其可靠性和性能。1905年，为了克服这些限制，1899年与沃辛顿公司合并的莱德劳-邓恩-戈登公司开发了一种名为辛辛那提空气阀机构的装置。该装置实现了进气阀和排气阀的机械开启和关闭，从而提高了压缩机的转速，降低了运行噪音，提高了效率。这种装置仅适用于大型机器，虽然成本高昂，但效果显著，应用广泛。

创新的板式阀门最早由奥地利的汉斯·霍尔比格于 1895 年提出。1900 年，霍尔比格开始与工程师弗里德里希·威廉·罗格勒合作，他们研发的新型钢制板式阀门克服了当时常见阀门设计的所有缺点，从而推动了欧洲爆破空气压缩机技术的进步。

图 2

在美国，1910年至1920年间，压缩机阀门经历了快速创新时期。1911年，宾夕法尼亚州西霍姆斯特德市梅斯塔机械公司（Mesta Machine Company）的总工程师洛伦兹·伊弗森（Lorenze Iversen）获得了一项用于鼓风机的自动板阀专利。如图2所示，梅斯塔自动板阀很快成为标准配置，不仅梅斯塔公司自身采用，许多其他获得梅斯塔阀门技术授权的压缩机公司也将其应用于空气、气体和制冷压缩机。图3展示了梅斯塔公司生产的各种尺寸的阀门。

图 3

1913-1914年，芝加哥气动公司开发了Simplate阀，该阀在其压缩机中使用了数十年。1914年，英格索兰公司开始推出带有“Rogler”阀的新型压缩机（如图4所示），该阀基于早期的Hörbiger发明。

莱德劳-邓恩-戈登公司最值得一提的压缩机技术进步之一发生在1915年，当时该公司推出了羽流阀，该阀门实际上早在1912年就获得了专利。如图5所示，这种阀门结构简单、噪音低、效率高、经久耐用，而且应用范围极广，几乎立即取代了所有老式的锥阀式压缩机。莱德劳-邓恩-戈登羽流阀在之后的几十年里一直是沃辛顿压缩机的标配。

图 4

大约在 1916 年，宾夕法尼亚州伊利市的伯里压缩机公司获得了通用金字塔箱式板阀的专利，如图 6 所示。该阀门被描述为比任何其他阀门的面积大 50%，并且“像金字塔一样耐用；像狮身人面像一样安静”。

所有这些阀门都包含缓冲装置，并且依靠压差工作，而非机械驱动。与笨重的金属锥阀相比，它们的阻力更小，因此效率更高。这些20世纪初的阀门和填料技术一直沿用至20世纪70年代，直到工程塑料材料的出现，才再次推动了相关技术的发展，使得压缩机能够在更高的转速下可靠运行。

图 5

图 6

下一期将结束关于工业空气压缩机发展历程的这个简短系列。