Комбінований паровий двигун
Пара високого тиску (червоний) проходить через три ступені, випускаючи як пару низького тиску (синій) до конденсатора
малий циліндр високого тиску (ліворуч) і великий циліндр низького тиску (праворуч)
Комбінований паровий двигун — це тип парового двигуна, у якому пара розширюється в два або більше ступенів. [1] [2] Типовою схемою складного двигуна є те, що пара спочатку розширюється в циліндрі високого тиску (HP), а потім, віддавши тепло та втрачаючи тиск, виходить безпосередньо в один або кілька низьких циліндрів більшого об’єму. -циліндри під тиском (НД) . Двигуни з множинним розширенням використовують додаткові циліндри з поступово нижчим тиском, щоб отримати додаткову енергію з пари. [3]
Винайдена в 1781 році, ця техніка вперше була застосована в двигуні з балкою Корніша в 1804 році. Приблизно в 1850 році на текстильних фабриках Ланкашира вперше були впроваджені складні двигуни.
Існує багато компаундних систем і конфігурацій, але існує два основних типи, залежно від того, як розподіляються ходи поршнів високого та низького тиску, і, отже, чи може вихлопний газ високого тиску пройти безпосередньо від високого тиску до низького тиску ( сполуки Вульфа ), чи коливання тиску потребують проміжний «буферний» простір у формі парової камери або труби, відомий як ресивер ( ресиверні сполуки ). [4]
У паровій машині з одним розширенням (або «простій») пара під високим тиском надходить у циліндр під тиском котла через впускний клапан. Тиск пари штовхає поршень вниз по циліндру, поки клапан не закриється (наприклад, після 25% ходу поршня). Після припинення подачі пари захоплена пара продовжує розширюватися, штовхаючи поршень до кінця його ходу, де відкривається випускний клапан і викидає частково збіднену пару в атмосферу або в конденсатор. Це « відсічення » дозволяє отримати набагато більше роботи, оскільки розширення пари виконує додаткову роботу, крім тієї, яку виконує пара під тиском котла. [5]
Раніше відключення збільшує коефіцієнт розширення, що в принципі дозволяє отримати більше енергії та підвищує ефективність. В ідеалі пара розширювалася б адіабатично, а температура падала б відповідно до збільшення об’єму. Однак на практиці матеріал оточуючого циліндра діє як резервуар тепла, охолоджуючи пару в першій частині розширення та нагріваючи її в пізній частині. Ці необоротні теплові потоки знижують ефективність процесу, так що після певної точки подальше збільшення коефіцієнта розширення фактично зменшить ефективність, на додаток до зменшення середнього ефективного тиску і, таким чином, потужності двигуна. [6]
Рішення дилеми було винайдено в 1804 році британським інженером Артуром Вульфом, який запатентував свій двигун високого тиску Woolf у 1805 році. У складному двигуні пара високого тиску з котла спочатку розширюється в циліндрі високого тиску (HP), а потім надходить в один або кілька наступних циліндрів нижчого тиску (LP). Повне розширення пари відбувається в кількох циліндрах, і, оскільки розширення в кожному циліндрі менше, пара менше охолоджується в кожному циліндрі, що робить більш практичним коефіцієнт розширення та підвищує ефективність двигуна.
Є й інші переваги: оскільки температурний діапазон менший, конденсація в балоні зменшується. Втрати через конденсацію обмежуються циліндром низького тиску. Різниця тиску в кожному циліндрі менша, тому витік пари на поршень і клапани менший. Поворотний момент більш рівномірний, тому балансування легше, і можна використовувати менший маховик. Тільки менший циліндр високого тиску має бути виготовлений таким чином, щоб витримувати найвищий тиск, що зменшує загальну вагу. Подібним чином компоненти піддаються меншому навантаженню, тому вони можуть бути легшими. Поршневі частини двигуна легші, що зменшує вібрацію двигуна. Компаунд можна було запустити в будь-який момент циклу, а в разі механічної несправності компаунд можна було скинути, щоб діяти як простий, і таким чином продовжувати працювати. [4]
Щоб отримати однакову роботу від пари нижчого тиску, потрібен більший об’єм циліндра, оскільки ця пара займає більший об’єм. Тому в циліндрах низького тиску діаметр отвору, а в рідкісних випадках також хід, збільшено, що призводить до збільшення розміру циліндрів.
Двигуни подвійного розширення (зазвичай відомі просто як «складні») розширюють пар у два етапи, але це не означає, що всі такі двигуни мають два циліндри. Вони можуть мати чотири циліндри, що працюють як дві пари LP-HP, або робота великого циліндра LP може бути розділена на два менших циліндра, при цьому один циліндр HP випускається в будь-який циліндр LP, створюючи 3-циліндрову схему, де циліндр і поршень діаметр усіх трьох приблизно однаковий, що полегшує балансування зворотно-поступальних мас.
Двоциліндрові компаунди можуть бути організовані як:
- Перехресне з’єднання – циліндри розташовані поруч
- Тандемне з’єднання – циліндри розташовані впритул, приводячи в рух загальний шатун
- Телескопічно-компаундні – циліндри знаходяться один в одному
- Кутова комбінована – циліндри розташовані у формі кліпа (зазвичай під кутом 90°) і приводяться в рух загальним кривошипом. Cylinder phasing[›]
Застосування сумішей було широко поширеним для стаціонарних промислових установок, де була потреба у збільшенні потужності при зниженні вартості, і майже універсальним для суднових двигунів після 1880 року. Він не мав широкого застосування в залізничних локомотивах, де часто сприймався як складний і непридатний для суворих умов експлуатації залізниці та обмеженого простору, який надає габарит навантаження (зокрема, у Великій Британії). Компаундінг ніколи не був поширеним на британських залізницях і взагалі не використовувався після 1930 року, але в багатьох інших країнах використовувався обмежено. [7]
Перша успішна спроба польоту літака, важчого за повітря, з нерухомим крилом виключно на паровій енергії, відбулася в 1933 році, коли Джордж і Вільям Беслер переобладнали біплан Travel Air 2000 для польоту на 150 hp angle-compound V-twin паровий двигун власної конструкції замість звичайного рядного або радіального авіаційного бензинового двигуна Curtiss OX-5, який він зазвичай використовував. [8] [9]
Пара високого тиску (червоний) проходить через три ступені, випускаючи як пару низького тиску (синій) до конденсатора
Це логічне розширення складного двигуна (описаного вище), щоб розділити розширення на ще кілька етапів для підвищення ефективності. Результатом є механізм багаторазового розширення . Такі двигуни використовують три або чотири ступені розширення і відомі як двигуни з потрійним і чотириразовим розширенням відповідно. У цих двигунах використовується серія циліндрів подвійної дії з поступово зростаючим діаметром і/або робочим ходом і, отже, об’ємом. Ці циліндри призначені для розподілу роботи на три або чотири рівні частини, по одній для кожного ступеня розширення. На зображенні поруч показано анімацію механізму потрійного розширення. Пара рухається через двигун зліва направо. Клапанна коробка для кожного з циліндрів знаходиться зліва від відповідного циліндра.
- 1781 – Джонатан Хорнблауер, онук одного з монтажників двигунів Ньюкомена в Корнуоллі, запатентував двоциліндровий складений поршневий двигун з балкою в 1781 році. Джеймс Уатт перешкодив йому розвивати його далі, заявивши, що його власні патенти були порушені. [10]
- 1797 - Річард Тревітік розробив ефективну парову машину високого тиску. [11]
- 1804 – Артур Вулф розробляє стаціонарний двигун високого тиску Вулфа, запатентований у 1805 році. Двигун Вульфа зменшив збільшення величини безперервного нагрівання та охолодження парової машини високого тиску з одним розширенням, що призводить до неефективності. Це також вирішило проблему, з якою сучасні чавунні циліндри погано справлялися з цим.
- 1833 – Геркулес (1829) був модифікований для використання циліндра надзвичайно низького тиску, взятого з Агрипини, з парою з її циліндрів високого тиску. Ця модифікація була розроблена голландським інженером Ґерхардом Моріцом Рентгеном [12], що зробило його винахідником морської складної парової машини. Паровий буксир успішно використовувався для служби на річці Ваал [13], ставши першим судном із складним паровим двигуном, яке було введено в експлуатацію. [14]
- 1845 – Вільям Макнот винайшов спосіб фіксації додаткового циліндра високого тиску в існуючому балковому двигуні. Для цього використовували довгу трубу для з’єднання циліндрів і додатковий набір клапанів для їх балансування. Фактично це діяло як приймальна скриня, і був винайдений новий тип сполуки. Ця система дозволила краще контролювати надходження пари та відсікання. Двигун можна сповільнити за допомогою дросельної заслінки, яка зменшує тиск пари, або шляхом регулювання відсікання на будь-якому циліндрі. Останній був більш ефективним, оскільки не було втрачено потужність. Цикл був плавнішим, оскільки два циліндри не були в фазі. [3]
- 1865 – SS Агамемнон (1865 р.) було спущено на воду, оснащене компаундною паровою машиною потужністю 300 к.с. Двигун був розроблений Альфредом Холтом, одним із її власників. Холт переконав Раду з торгівлі дозволити тиск котла 60 фунтів на квадратний дюйм замість звичайних 25 фунтів на квадратний дюйм - для реалізації переваг подвійного розширення потрібен був більш високий тиск. Отримана ефективність дозволила цьому кораблю подолати 8500 миль до того, як завантажиться вугілля . Це зробило її конкурентоспроможною на маршрутах між Китаєм і Великою Британією. [15] [16] [17]
- 1861 – Деніел Адамсон запатентував двигун з багаторазовим розширенням, у якому три або більше циліндрів з’єднані з однією балкою або колінчастим валом. Він побудував двигун потрійного розширення для Victoria Mills, Dukinfield, який був відкритий у 1867 році [3]
- 1871 – Чарльз Норманд з Гавру встановив двигун потрійного розширення на човен річки Сена в 1871 році [3]
- 1872 – сер Фредрік Дж. Брамвелл повідомив, що складні суднові двигуни, що працюють при тиску від 45 до 60 фунтів на квадратний дюйм, споживали 2 фунтів до 2,5 фунтів вугілля на годину на вказану кінську силу. [3]
- 1881 – Олександр Карнегі Кірк побудував SS <i id="mwtQ">Aberdeen</i>, перше велике судно, успішно оснащене двигуном потрійного розширення. [18]
- 1887 – спущено на воду HMS <i id="mwug">Victoria</i>, перший лінійний корабель, оснащений двигунами потрійного розширення. [19]
- 1891 – Суднові двигуни з потрійним розширенням компаунду, що працюють при тиску 160 фунтів на квадратний дюйм, споживають у середньому близько 1,5 фунтів вугілля на годину на вказану кінську силу. [3]
Незважаючи на те, що перші млини приводилися в рух водяною силою, як тільки були прийняті парові двигуни, виробнику більше не потрібно було розміщувати млини за допомогою проточної води. Щоб задовольнити попит, для бавовнопрядильного виробництва потрібні були все більші фабрики, і це спонукало власників вимагати все більш потужних двигунів. Коли тиск у котлі перевищував 60 psi, компаундові двигуни досягали термодинамічної переваги, але саме механічні переваги більш плавного ходу були вирішальним фактором у прийнятті компаундів. У 1859 році їх було 75 886 зкс. (зазначена потужність ihp[›] ) двигунів на млинах у районі Манчестера, з яких 32 282 ihp було забезпечено сполуками, хоча лише 41 189 зкс. було створено від котлів, що працювали при тиску понад 60 фунтів на квадратний дюйм. [3]
Щоб узагальнити, між 1860 і 1926 роками всі млини Ланкашира приводилися в рух компаундами. Останній комплекс був побудований Баклі і Тейлором для заводу Wye No.2, Шоу . Цей двигун мав крос-компаундну конструкцію до 2500 зкс., приводив у рух 24 футів, 90-тонний маховик і працював до 1965 року [3]
У морському середовищі загальна вимога полягала в автономності та збільшеному радіусі дії, оскільки кораблі мали перевозити запаси вугілля. Таким чином, старий котел із солоною водою більше не відповідав вимогам, і його довелося замінити закритим контуром прісної води з конденсатором. Результатом, починаючи з 1880 року, був двигун багаторазового розширення, який використовував три або чотири ступені розширення (двигуни потрійного та чотирикратного розширення ). Ці двигуни використовували серію циліндрів подвійної дії з поступово зростаючим діаметром і/або робочим ходом (і, отже, об’ємом), призначених для розподілу роботи на три або чотири, відповідно, рівні частини для кожного ступеня розширення. Там, де мало місця, можна використовувати два менші циліндри великого сумарного об’єму для ступеня низького тиску. Двигуни з множинним розширенням, як правило, мали циліндри, розташовані в ряд, але використовувалися й інші конструкції. Наприкінці 19 століття «система» балансування Ярроу-Шліка-Твіді використовувалася на деяких морських двигунах з потрійним розширенням. Двигуни YST розділили ступені розширення низького тиску між двома циліндрами, по одному на кожному кінці двигуна. Це дозволило краще збалансувати колінчастий вал, що призвело до більш плавної роботи двигуна з швидшою реакцією, який працював із меншою вібрацією. Це зробило 4-циліндровий двигун з потрійним розширенням популярним на великих пасажирських лайнерах (таких як Олімпійський клас ), але в кінцевому підсумку його замінила практично безвібраційна парова турбіна .
Розробка цього типу двигуна була важливою для його використання на пароплавах, оскільки шляхом випуску в конденсатор воду можна було відновити для живлення котла, який не міг використовувати морську воду . Наземні парові двигуни могли просто вичерпати більшу частину своєї пари, оскільки живильна вода зазвичай була легкодоступною. До та під час Другої світової війни двигун розширення домінував у морських застосуваннях, де висока швидкість судна не була важливою. Його замінила парова турбіна, коли потрібна була швидкість, наприклад для військових кораблів і океанських лайнерів . HMS Dreadnought 1905 року був першим великим військовим кораблем, який замінив перевірену технологію поршневого двигуна новою на той час паровою турбіною.
Для застосувань залізничних локомотивів головною перевагою суміші була економія споживання палива та води, а також високе співвідношення потужності/ваги через падіння температури та тиску, що відбувалося протягом тривалого циклу, що призвело до підвищення ефективності; Додаткові відчутні переваги включали більш рівномірний крутний момент.
Хоча проекти компаундних локомотивів можуть датуватися ще 1856 роком патентом Джеймса Семюеля на «локомотив безперервного розширення», [20] практична історія залізничних компаундів починається з проектів Анатоля Маллета в 1870-х роках. Локомотиви Маллет експлуатувалися в Сполучених Штатах аж до кінця магістральних паровозів Норфолкської та Західної залізниць . Проекти Альфреда Джорджа де Глена у Франції також знайшли значне застосування, особливо в перебудовах Андре Шапелона . Близько 1900 року було випробувано широкий спектр складних конструкцій, але популярність більшості з них була недовгою через їхню складність і необхідність обслуговування. У 20 столітті пароперегрівач був широко поширений, і переважна більшість парових локомотивів були простими розширювальними (з деякими складними локомотивами, переробленими на прості). Інженери зрозуміли, що локомотиви на постійній швидкості працювали найефективніше з широко відкритим регулятором і раннім відключенням, останнє встановлювалося за допомогою реверсивної передачі. Локомотив, що працює на дуже ранньому припиненні подачі пари (наприклад, на 15% ходу поршня), забезпечує максимальне розширення пари з меншою втратою енергії в кінці ходу. Перегрів усуває конденсацію та швидку втрату тиску, які інакше мали б місце при такому розширенні.
Великі американські локомотиви використовували два повітряні компресори з паровим приводом, наприклад, Westinghouse 8 1/2" 150-D [21] для гальм поїзда.
^ Фазування циліндра: У двоциліндрових з’єднаннях, які використовуються на залізницях, поршні з’єднані з кривошипами, як і в двоциліндрових простих двигунах, на 90° зміщені один з одним («розрізнені на четверті»).
Коли група подвійного розширення дублюється, утворюючи 4-циліндровий компаунд, окремі поршні в групі зазвичай збалансовані на 180°, а групи встановлюються на 90° одна до одної. В одному випадку (перший тип з’єднання Воклена) поршні працювали в тій самій фазі, приводячи в рух спільну крейцкопф і кривошип, знову встановлений на 90°, як для двоциліндрового двигуна.
У складеній 3-циліндровій системі кривошипи низького тиску були встановлені на 90°, а один високого тиску — на 135° до двох інших, або в деяких випадках усі три кривошипи були встановлені на 120°.
^ Зазначена потужність кінських сил: Потужність двигуна млина спочатку вимірювалася в Номінальна кінська сила, але ця система занижувала потужність системи Макнайт, придатної для сполук, зкс. або зазначених кінських сил. За емпіричним правилом зкс. у складному двигуні дорівнює 2,6 нкс.[22]
- Складна турбіна
- Двигун Willans
- ↑ van Riemsdijk, John (1970), The Compound locomotive, Parts 1, 2, 3, Transactions of the Newcomen Society (2)
- ↑ Van Riemsdijk, 1994, с. 4—9.
- ↑ а б в г д е ж и Hills, (1989).
- ↑ а б Raiput, R.K. (2005), 17, Thermal Engineering (вид. 5th), Bangalore, New Delhi: Laxmi Publications, с. 723 et seq, ISBN 978-81-7008-834-9, OCLC 85232680
- ↑ Semmens та Goldfinch, (2003).
- ↑ Semmens та Goldfinch, (2003), с. 147, 162, Using the Steam: Expansion and Compounding.
- ↑ Van Riemsdijk, 1994, с. 2—3.
- ↑ "World's First Steam Driven Airplane" Popular Science, July 1933, detailed article with drawings
- ↑ George & William Besler (29 квітня 2011). The Besler Steam Plane (YouTube). Bomberguy.
- ↑ Encyclopædia Britannica Online, retrieved 29 March 2007.
- ↑ Richard Trevithick. Asme.org. Процитовано 30 квітня 2017.
- ↑ Löhnis, Th. P. (1916). De Maatschappij voor scheeps- en werktuigbouw Fijenoord te Rotterdam, voorheen de Nederlandsche Stoomboot Maatschappij. Tijdschrift voor economische geographie: 137—138 — через Delpher.nl.
- ↑ Ijzeren Spoorweg. Algemeen Handelsblad. 1834. с. 6.
- ↑ Lintsen, H.W. (1994). Geschiedenis van de techniek in Nederland. De wording van een moderne samenleving 1800-1890. Deel V (Dutch) .
- ↑ Clark, Arthur H. (1911). The Clipper Ship Era 1843-1869. New York: G.P. Putnam Sons.
- ↑ National Maritime Museum, Greenwich, UK, http://collections.rmg.co.uk/collections/objects/66013.html
- ↑ Jarvis, Adrian (1993). 9: Alfred Holt and the Compound Engine. У Gardiner, Robert; Greenhill, Dr Basil (ред.). The Advent of Steam – The Merchant Steamship before 1900. Conway Maritime Press. с. 158—159. ISBN 0-85177-563-2.
- ↑ Day, Lance and McNeil, Ian (Editors) 2013, Biographical Dictionary of the History of Technology Routledge, ISBN 0-203-02829-5 (P. 694)
- ↑ Macintyre, Donald; Bathe, Basil W (1974). Man of War a History of the Combat Vessel. Mcgraw-hill Inc. с. 95. ISBN 9780070445857.
- ↑ Compound Engines facsimile reprint, Ann Arbor, MI: Scholarly Publishing Office, University of Michigan Library, 2005, с. 16, 17, ISBN 1-4255-0657-7
- ↑ 1941 Locomotive Cyclopedia of American Practice, Eleventh Edition, Simmons-Boardman Publishing Corporation, 30 Church Street, New York p.813
- ↑ Hills, (1989), с. 145.
- Gurr, Duncan; Hunt, Julian (1998), The Cotton Mills of Oldham, Oldham Education & Leisure, ISBN 0-902809-46-6, архів оригіналу за 18 July 2011, процитовано 11 жовтня 2009
- Nasmith, Joseph (1895), Recent Cotton Mill Construction and Engineering, London: John Heywood, с. 284, ISBN 1-4021-4558-6
- Roberts, A S (1921), Arthur Robert's Engine List, Arthur Roberts Black Book., One guy from Barlick-Book Transcription, архів оригіналу за 23 July 2011, процитовано 11 січня 2009
- Williams, Mike; Farnie (1992), Cotton Mills of Greater Manchester, Carnegie Publishing, ISBN 0-948789-89-1
- Holst, C.P. (1926), The balancing of multiplecrank steam-engines, Brill, Leiden Publishing, OCLC 494164185