محرك كورليس البخاري

محرك كورليس البخاري (أو محرك كورليس ) هو محرك بخاري مزود بصمامات دوارة وتوقيت صمامات متغير ، وقد حصل على براءة اختراع عام 1849، وهو من اختراع المهندس الأمريكي جورج هنري كورليس من بروفيدنس، رود آيلاند، والذي سُمي تيمناً به . وقد استند كورليس في اختراعه الأصلي إلى فريدريك إلسورث سيكلز (1819-1895)، الذي كان يملك براءة الاختراع (1829) في مكتب براءات الاختراع الأمريكي.

كانت المحركات المزودة بصمامات كورليس تُقدم أفضل كفاءة حرارية بين جميع أنواع محركات البخار الثابتة حتى تطوير محرك البخار أحادي التدفق والتوربين البخاري في القرن العشرين. وكانت محركات كورليس عمومًا أكثر كفاءة في استهلاك الوقود بنحو 30% من محركات البخار التقليدية ذات القطع الثابت. ^{[ 1 ]} وقد جعلت هذه الكفاءة المتزايدة الطاقة البخارية أكثر اقتصادية من الطاقة المائية، مما سمح بالتوسع الصناعي بعيدًا عن أحواض الطواحين. ^{[ 2 ]}

كانت محركات كورليس تُستخدم عادةً كمحركات ثابتة لتوفير الطاقة الميكانيكية لأعمدة نقل الحركة في المصانع والمعامل، ولتشغيل المولدات الكهربائية. كان العديد منها ضخمًا، إذ بلغ ارتفاعها عدة أمتار، وقدرتها على توليد مئات الأحصنة ، وإن كان ذلك بسرعة منخفضة، حيث كانت تُدير عجلات توازن ضخمة تزن عدة أطنان بسرعة تقارب 100 دورة في الدقيقة. بعض هذه المحركات لها أدوار غير مألوفة كأنظمة ميكانيكية تراثية ، وبسبب كفاءتها العالية نسبيًا ومتطلبات صيانتها المنخفضة، لا يزال بعضها قيد التشغيل حتى أوائل القرن الحادي والعشرين. انظر، على سبيل المثال، إلى المحركات الموجودة في مصنع هوك نورتون للجعة ومصنع تقطير ديلون في قائمة المحركات العاملة.

تحتوي محركات كورليس على أربعة صمامات لكل أسطوانة، مع وجود صمامات البخار والعادم في كل طرف. وتتضمن محركات كورليس تحسينات مميزة في كل من الصمامات نفسها وفي آلية الصمامات ، أي نظام الوصلات الذي يشغل الصمامات.

يُتيح استخدام صمامات منفصلة لدخول البخار وخروجه عدم الحاجة إلى تغيير درجة حرارة الصمامات أو ممرات البخار بين الأسطوانات والصمامات أثناء دورة القدرة والعادم، كما يُتيح التحكم المستقل في توقيت صمامات الدخول والخروج. في المقابل، تحتوي محركات البخار التقليدية على صمام منزلق أو صمام مكبسي يُغذي البخار ويُخرجه بالتناوب عبر ممرات إلى طرفي الأسطوانة. وتتعرض هذه الممرات لتقلبات كبيرة في درجات الحرارة أثناء تشغيل المحرك، كما توجد تدرجات حرارية عالية داخل آلية الصمام.

علّق كلارك (1891) قائلاً إنّ آلية كورليس "هي في جوهرها مزيج من عناصر كانت معروفة ومستخدمة بشكل منفصل، وتؤثر على الأسطوانة وآلية الصمامات". ^{[ 3 ]} وقد تتبّع إنجليس (1868) أصول آلية كورليس فيما يتعلق بآليات صمامات البخار السابقة. ^{[ 4 ]}

آلية صمامات كورليس

حصل جورج كورليس على براءة الاختراع الأمريكية رقم 6162 لآلية الصمامات الخاصة به في 10 مارس 1849. غطت هذه البراءة استخدام صفيحة معصم لنقل حركة الصمام من محور لا مركزي واحد إلى صمامات المحرك الأربعة، كما غطت استخدام صمامات فصل ذات قطع متغير تحت تحكم منظم السرعة ، وهي سمات مميزة لمحركات كورليس. ^{[ 5 ]} على عكس المحركات اللاحقة، التي كان معظمها أفقيًا، تصف هذه البراءة محركًا رأسيًا ذو عارضة أسطوانية ، ويستخدم صمامات انزلاقية فردية للدخول والخروج عند كل طرف من أطراف الأسطوانة.

تُفتح صمامات السحب بواسطة مزلاج يعمل بآلية لا مركزية؛ وعندما ينطلق المزلاج ، يتم تخميد الإغلاق السريع باستخدام مخمد اهتزاز . في العديد من المحركات، يعمل مخمد الاهتزاز نفسه كنابض فراغي لسحب الصمامات لإغلاقها، ولكن محركات كورليس المبكرة كانت بطيئة بما يكفي بحيث كان وزن مكبس وقضيب مخمد الاهتزاز هو الذي يغلق الصمام.

تُتحكم سرعة محرك كورليس بتغيير وقت قطع البخار خلال كل شوط قدرة، مع إبقاء الخانق مفتوحًا بالكامل طوال الوقت. ولتحقيق ذلك، يرتبط منظم السرعة الطارد المركزي بزوج من الكامات، واحدة لكل صمام سحب. تحدد هذه الكامات النقطة التي يتحرر عندها ذراع التدوير خلال شوط المكبس، مما يسمح بإغلاق الصمام.

كما هو الحال في جميع محركات البخار التي يمكن فيها تنظيم وقت قطع الطاقة، تكمن ميزة ذلك في أن معظم شوط القدرة يُستمد من تمدد البخار في الأسطوانة بعد إغلاق صمام السحب. وهذا يُقارب دورة كارنو المثالية بشكل كبير مقارنةً بالمحرك الذي يكون فيه صمام السحب مفتوحًا طوال شوط القدرة، ويتم تنظيم السرعة بواسطة صمام خانق .

سمحت تروس صمام كورليس بسرعة أكثر انتظامًا واستجابة أفضل لتغيرات الحمل، مما جعلها مناسبة لتطبيقات مثل مصانع الدرفلة والغزل، ووسع استخدامها بشكل كبير في التصنيع. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

صمامات كورليس

تُفتح صمامات كورليس مباشرةً داخل الأسطوانة. تربط هذه الصمامات الأسطوانة بمجمعات البخار والعادم المنفصلة . في البداية، استخدمت كورليس صمامات انزلاقية مع مشغلات خطية، ولكن بحلول عام 1851، تحولت إلى مشغلات صمامات شبه دوارة، كما هو موثق في براءة الاختراع الأمريكية رقم 8253. ^{[ 8 ]} في هذا المحرك، نُقلت صفيحة المكبس إلى مركز جانب الأسطوانة، كما هو الحال في محركات كورليس اللاحقة. مع ذلك، ظل هذا المحرك من نوع العارضة ، وكانت مشغلات الصمامات شبه الدوارة تُشغل صمامات انزلاقية خطية داخل صناديق الصمامات الأربعة للمحرك.

تأتي صمامات كورليس على شكل قطعة دائرية صغيرة تدور داخل وجه صمام أسطواني. وتقع آلية تشغيلها على طول محور الصمام، مما يقلل من "المساحة الميتة" الموجودة في ساق صمام البوبيت ، ويمكن استخدام كامل مساحة المنفذ بكفاءة لتدفق الغاز.

نظراً لصغر مساحة صمام كورليس مقارنةً بمساحة منفذه، فإن تأثيرات تدفق الغاز تُولّد عزم دوران ضئيلاً نسبياً على محور الصمام مقارنةً بأنواع أخرى من الصمامات. وقد أدت هذه المزايا إلى استخدام صمام كورليس في تطبيقات أخرى، إلى جانب محركات البخار المزودة بآلية كورليس.

استخدم محرك رولز رويس ميرلين للطائرات صمامًا فراشة مستطيلًا كصمام خانق . وقد تؤدي قوى تدفق الغاز المؤثرة بشكل غير متماثل على هذا الصمام إلى ضعف التحكم في الطاقة في بعض الظروف. ولتجنب هذه المشكلة، استخدمت الطرازات المتأخرة، بدءًا من طراز 134. ^{[ 9 ]}

كانت شركة كورليس لمحركات البخار تُعرف في الأصل باسم فيربانكس، كلارك وشركاه في ثلاثينيات القرن التاسع عشر. وفي عام ١٨٤٣، أُعيد تسميتها إلى فيربانكس، بانكروفت وشركاه عندما انضم إدوارد بانكروفت إلى الشركة. وفي عام ١٨٤٦، أُعيد تسميتها إلى بانكروفت، نايتنجيل وشركاه عندما انضم جورج هـ. كورليس إلى الشركة، وفي عام ١٨٤٧ أُعيد تسميتها إلى كورليس، نايتنجيل وشركاه. وفي عام ١٨٤٨، انتقلت الشركة إلى معبر سكة حديد شارع تشارلز في بروفيدنس، رود آيلاند .

في عام 1857، تم تغيير اسم الشركة للمرة الأخيرة إلى شركة كورليس لمحركات البخار. وبحلول عام 1864، اشترى كورليس حصص شركائه وأصبح المالك الوحيد للشركة.

بحلول عام 1859، كانت جميع السمات الرئيسية لما نعرفه اليوم باسم محرك كورليس قد اكتملت. تضمنت براءات الاختراع الممنوحة لكورليس وآخرين صمامات دوارة وأعمدة مرفقية متصلة مباشرة بالأسطوانات. انظر، على سبيل المثال، براءة اختراع كورليس الأمريكية رقم 24618، الممنوحة في 5 يوليو 1859. ^{[ 15 ]} عمل المخترعون المنافسون بجد لابتكار بدائل لآليات كورليس؛ وتجنبوا عمومًا استخدام كورليس للوحة المعصم، واعتمدوا آليات تحرير بديلة لصمامات البخار، كما في براءة اختراع جاميسون الأمريكية رقم 19640، الممنوحة في 16 مارس 1858. ^{[ 16 ]}

انتهت صلاحية براءة اختراع كورليس لعام 1849 في عام 1870؛ وقد مُدِّدت مدة هذه البراءة بموجب إعادة إصدار براءة الاختراع الأمريكية رقم 200 في 13 مايو 1851، وإعادة إصدار براءتي الاختراع الأمريكيتين رقم 758 و763 في 12 يوليو 1859. وكانت شركة بي. هيك وأبناؤه أول من أدخل محرك كورليس إلى المملكة المتحدة حوالي عام 1864. وبعد عام 1870، بدأت العديد من الشركات الأخرى في تصنيع محركات كورليس، من بينها شركة ويليام أ. هاريس لمحركات البخار، ^{[ 17 ]} وشركة وورثينجتون للمضخات والآلات ، ^{[ 18 ]} وشركة أليس تشالمرز . ^{[ 19 ]} وبشكل عام، كانت هذه الآلات تُعرف باسم محركات كورليس بغض النظر عن الشركة المصنعة.

في عام 1895، أُغلقت الشركة تحت وطأة ديون بلغت 800 ألف دولار، وفي عام 1900 بيعت لشركة الطاقة الدولية التي يسيطر عليها الصناعي جوزيف هـ. هودلي . ^{[ 20 ]} وفي عام 1905 نُقلت ملكيتها إلى شركة أخرى تابعة لهودلي، وهي شركة التصنيع الأمريكية والبريطانية .

في عام 1925 اندمجت الشركة مع شركة فرانكلين للآلات. وبحلول ذلك الوقت، كانت شركة فرانكلين للآلات مملوكة بالفعل لشركة ويليام أ. هاريس لمحركات البخار.

اعتبارًا من عام 2024يوجد ما يقرب من ستة محركات لا تزال تعمل بآليات الصمام المنزلق الأصلية، بما في ذلك محرك واحد في 7 ساوث ستون ميل درايف على طول ماذر بروك في ديدهام، ماساتشوستس . ^{[ 21 ]}

كان محرك كورليس المئوي محركًا دوارًا متكاملًا مصممًا خصيصًا، وقد زوّد جميع المعروضات تقريبًا في معرض الولايات المتحدة المئوي في فيلادلفيا عام 1876 بالطاقة عبر أعمدة بلغ طولها الإجمالي أكثر من ميل. وقد قام الرئيس يوليسيس إس. غرانت والإمبراطور بيدرو الثاني ملك البرازيل بتشغيل المحرك، وكان متاحًا للجمهور طوال فترة المعرض.

صُمم المحرك على شكل أسطوانتين متجاورتين. بلغ قطر كل أسطوانة 112 سم (44 بوصة) وشوطها 3 أمتار (10 أقدام) . كان ارتفاع محرك المئوية 14 مترًا (45 قدمًا) ، وقطر دولاب الموازنة 9.1 مترًا (30 قدمًا) ، وقدرته 1000 كيلوواط (1400 حصان) . بعد انتهاء المعرض، فُكك المحرك وشُحن إلى مصنع كورليس في بروفيدنس. بعد سبع سنوات، بيع المحرك وشغّل مصنعًا في شيكاغو يملكه جورج بولمان حتى عام 1910، ^{[ 22 ]} حيث بيع كخردة. ^{[ 23 ]}     

أصبح هذا المحرك رمزاً ثقافياً، لدرجة أن مصطلح محرك كورليس (أو محرك كورليس البخاري ) يشير لدى العديد من المؤرخين المعاصرين إلى هذا المحرك تحديداً وليس إلى فئة المحركات الواسعة المزودة بآلية صمامات كورليس. ^{[ 24 ]}

• ويليام رايت (مهندس)

• في مجلة Popular Mechanics الشهرية الصادرة في أبريل 1907، تم التعليق في الصفحة 416، بالقرب من أسفل يمين الصفحة، على أنه يمكن جعل محرك كورليس يقوم بمزيد من العمل عن طريق رفع ضغط الغلاية، أو زيادة السرعة، أو تقليل عدد لفات صمامات البخار.

• الفصل 14 من دليل أوديل للمهندس والميكانيكي بقلم فرانك د. جراهام .
• تاريخ شركة كورليس من متحف نيو إنجلاند اللاسلكي والبخاري .
• أساسيات محرك كورليس البخاري من صفحات الويب الخاصة بالحفاظ على المحركات البخارية الثابتة التابعة لشركة كامب كريك ثريشرز .
• صور محرك كورليس البخاري المئوي على موقع متحف نيو إنجلاند اللاسلكي والبخاري .
• منتزه مزرعة دينتون، دينتون، كارولاينا الشمالية
• ملحق مجلة ساينتفك أمريكان رقم 286 نيويورك، 25 يونيو 1881: محرك كورليس بقوة 1000 حصان ، محرك سالتير، محرك هيك هارجريفز مع الرسوم التوضيحية.