Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для составных паровозов см Составной локомотив .

Судовой двигатель тройного расширения двойного действия
Пар высокого давления (красный) проходит через три ступени и выходит в виде пара низкого давления (синий) в конденсатор
В разрезе составной паровой двигатель тройного расширения, 1888 г.
Робьте горизонтального поперечного соединение парового двигатель
цилиндр небольшого высокого давления (слева) и цилиндр большого низкого давления (справа)

Соединение паровой двигатель блок представляет собой тип парового двигателя , где пар расширяется в два или более этапов. [1] [2] Типичная компоновка для составного двигателя состоит в том, что пар сначала расширяется в цилиндре высокого давления (HP) , затем, отдав тепло и теряя давление, он выходит непосредственно в один или несколько малых объемов большего объема. -цилиндры высокого давления (НД) . В двигателях многократного расширения используются дополнительные цилиндры со все более низким давлением для извлечения дополнительной энергии из пара. [3]

Изобретенный в 1781 году, этот метод был впервые применен на корнуолл- балочном двигателе в 1804 году. Примерно в 1850 году составные двигатели были впервые представлены на текстильных фабриках Ланкашира.

Составные системы [ править ]

Существует много составных систем и конфигураций, но есть два основных типа, в зависимости от того, как фазируются ходы поршня высокого и низкого давления и, следовательно, может ли выхлоп высокого давления напрямую переходить от высокого давления к низкому давлению ( соединения Вульфа ) или колебания давления требуют изменения давления. промежуточное «буферное» пространство в виде паросборника или трубы, известное как ресивер ( приемные соединения ). [4]

В паровом двигателе одинарного расширения (или «простом») пар высокого давления входит в цилиндр под давлением котла через впускной клапан. Давление пара заставляет поршень опускаться в цилиндр до тех пор, пока клапан не закроется (например, после 25% хода поршня). После прекращения подачи пара захваченный пар продолжает расширяться, толкая поршень до конца его хода, где выпускной клапан открывается и выталкивает частично обедненный пар в атмосферу или в конденсатор. Эта « отсечка » позволяет извлекать гораздо больше работы, поскольку расширение пара выполняет дополнительную работу помимо той, которую выполняет пар под давлением в котле. [5]

Более раннее отключение увеличивает степень расширения, что в принципе позволяет извлекать больше энергии и повышает эффективность. В идеале пар должен расширяться адиабатически , и температура должна падать в соответствии с увеличением объема. Однако на практике материал окружающего цилиндра действует как резервуар тепла, охлаждая пар в более ранней части расширения и нагревая его в более поздней части. Эти необратимые тепловые потоки снижают эффективность процесса, так что после определенного момента дальнейшее увеличение степени расширения фактически снизит эффективность в дополнение к уменьшению среднего эффективного давления и, следовательно, мощности двигателя. [5]

Компаундирующие двигатели [ править ]

Решение этой дилеммы было изобретено в 1804 году британским инженером Артуром Вульфом , который запатентовал свой составной двигатель высокого давления Woolf в 1805 году. В составном двигателе пар высокого давления из котла сначала расширяется в цилиндре высокого давления (HP) и затем поступает в один или несколько последующих цилиндров низкого давления (НД). Полное расширение пара происходит через несколько цилиндров, и, поскольку в каждом цилиндре расширение меньше, пар меньше охлаждается в каждом цилиндре, что делает более высокие коэффициенты расширения практичными и увеличивает эффективность двигателя.

Есть и другие преимущества: чем меньше диапазон температур, тем меньше конденсация в цилиндре. Потери из-за конденсации ограничиваются цилиндром низкого давления. Разница давлений меньше в каждом цилиндре, поэтому меньше утечка пара через поршень и клапаны. Поворотный момент является более равномерным, поэтому балансировка легче и меньше Маховик может быть использован. Только меньший цилиндр высокого давления должен быть сконструирован так, чтобы выдерживать самое высокое давление, что снижает общий вес. Точно так же компоненты меньше подвержены нагрузкам, поэтому они могут быть легче. Возвратно-поступательные части двигателя легче, что снижает вибрации двигателя. Компаунд можно было запустить в любой момент цикла, и в случае механического отказа компаунд можно было сбросить, чтобы он работал как простой, и, таким образом, продолжал работать. [4]

Чтобы получить равную работу от пара более низкого давления, требуется больший объем цилиндра, поскольку этот пар занимает больший объем. Следовательно, диаметр цилиндра, а в редких случаях также и ход поршня, увеличиваются в цилиндрах низкого давления, что приводит к увеличению размеров цилиндров.

Двигатели с двойным расширением (обычно известные как «составные») расширяют пар в два этапа, но это не означает, что все такие двигатели имеют два цилиндра. Они могут иметь четыре цилиндра, работающих как две пары LP-HP, или работа большого цилиндра LP может быть разделена на два меньших цилиндра, при этом один цилиндр HP выходит в любой из цилиндров LP, что дает трехцилиндровую схему, в которой цилиндр и поршень Диаметр всех трех примерно одинаков, что облегчает балансировку возвратно-поступательных масс.

Двухцилиндровые соединения могут быть устроены как:

  • Кросс-соединение - цилиндры расположены бок о бок
  • Тандемная смесь - цилиндры встают встык , приводя в движение общий шатун
  • Телескопический состав - цилиндры расположены один внутри другого
  • Углово-составной - цилиндры расположены V-образно (обычно под углом 90 °) и приводят в движение общий кривошип. [Цилиндр Фаза]

Применение компаундирования было широко распространено для стационарных промышленных установок, где требовалась повышенная мощность при снижении стоимости, и почти универсально для судовых двигателей после 1880 года. Оно не использовалось широко в железнодорожных локомотивах, где часто воспринималось как сложное и непригодное для суровых условий эксплуатации. условия эксплуатации железной дороги и ограниченное пространство, предоставляемое габаритами погрузки (особенно в Великобритании). Компаундирование никогда не было обычным явлением на британских железных дорогах и вообще не применялось после 1930 года, но использовалось ограниченно во многих других странах. [6]

Первая успешная попытка управлять самолетом тяжелее воздуха исключительно на парах произошла в 1933 году, когда Джордж и Уильям Беслер переделали биплан Travel Air 2000 для полета на паровом двигателе V-twin с угловым соединением мощностью 150 л.с. их собственная конструкция вместо обычного рядного или радиального авиационного бензинового двигателя Curtiss OX-5, который он обычно использовал бы. [7] [8]

Двигатели многократного расширения [ редактировать ]

Судовой двигатель двойного действия тройного расширения.
Пар высокого давления (красный) проходит через три ступени и выходит в виде пара низкого давления (синий) в конденсатор.

Это логическое продолжение составного двигателя (описанного выше), чтобы разделить расширение на еще большее количество этапов для повышения эффективности. В результате появился механизм множественного расширения . Такие двигатели используют три или четыре ступени расширения и известны как двигатели трех- и четырехкратного расширения соответственно. В этих двигателях используется ряд цилиндров двустороннего действия с постепенно увеличивающимся диаметром и / или ходом и, следовательно, объемом. Эти цилиндры предназначены для разделения работы на три или четыре равные части, по одной на каждую ступень расширения. На соседнем изображении показана анимация механизма тройного расширения. Пар проходит через двигатель слева направо. Блок клапанов для каждого из цилиндров находится слева от соответствующего цилиндра.

История [ править ]

Ранние работы [ править ]

  • 1781 - Джонатан Хорнблауэр , внук одного из Ньюкомена двигателя монтажников «s в Корнуолле, запатентованный соединение возвратно - поступательное движение двухцилиндровый двигатель луча в 1781. Он был лишен возможности дальнейшего развития его Джеймса Уатта , который утверждал , что его собственные патенты были нарушены. [9]
  • 1804 г. - британский инженер Артур Вульф изобрел метод уменьшения продолжительности нагрева и охлаждения паровой машины одинарного расширения, приводящей к неэффективности . Вульф запатентовал свой стационарный составной двигатель высокого давления Woolf в 1805 году.

Двойное расширение [ править ]

  • 1845 - Уильям Макнот разработал метод крепления дополнительного цилиндра высокого давления в существующем балочном двигателе. Для этого использовалась длинная труба для соединения цилиндров и дополнительный набор клапанов для их балансировки. Фактически это действовало как приемный ящик, и был изобретен новый тип соединения. Эта система позволила лучше контролировать подачу пара и отсечки. Двигатель можно было замедлить либо с помощью дроссельной заслонки, которая уменьшала давление пара, либо путем регулировки отсечки на любом цилиндре. Последний был более эффективным, так как не терялась мощность. Цикл был более плавным, поскольку два цилиндра не совпадали по фазе. [10]
  • 1865 г. - спущен на воду SS  Agamemnon  (1865 г.) , оборудованный паровой машиной мощностью 300 л.с. Двигатель был разработан Альфредом Холтом , одним из ее владельцев. Холт убедил Торговую палату разрешить давление в котле 60 фунтов на квадратный дюйм вместо обычных 25 фунтов на квадратный дюйм - для реализации преимуществ двойного расширения требовалось более высокое давление. Достигнутая эффективность позволила этому кораблю пройти 8 500 миль до загорания угля . Это сделало ее конкурентоспособной на маршрутах между Китаем и Великобританией. [11] [12] [13]

Множественное расширение [ править ]

Колдхарбор Мельница Поллит и Wigzell перекрестного соединения двигателя, который приводит в действии гонку каната видел в фоновом режиме, передавая мощность на линию валы на все пять уровней мельницы
  • 1861 - Дэниел Адамсон получил патент на двигатель многократного расширения, с тремя или более цилиндрами, соединенными с одной балкой или коленчатым валом. Он построил двигатель тройного расширения для Victoria Mills, Дукинфилд, который открылся в 1867 году. [14]
  • 1871 г. - Шарль Норманд из Гавра в 1871 г. установил двигатель тройного расширения на лодке по реке Сена. [14]
  • 1872 г. - сэр Фредрик Дж. Брамвелл сообщил, что составные судовые двигатели, работающие под давлением от 45 до 60 фунтов на квадратный дюйм, потребляли от 2 до 2,5 фунтов угля в час на указанную мощность. [14]
  • 1881 - Александр Карнеги Кирк построил SS Aberdeen , первое крупное судно, на котором был успешно установлен двигатель тройного расширения. [15]
  • 1887 - Спущен на воду HMS Victoria , первый линкор с двигателями тройного расширения. [16]
  • 1891 г. - составные судовые двигатели тройного расширения, работающие при давлении 160 фунтов на квадратный дюйм, потребляли в среднем около 1,5 фунтов угля в час на указанную мощность. [14]

Приложения [ править ]

Прокачка двигателей [ править ]

Основная статья: Корнуоллский двигатель

Мельничные двигатели [ править ]

Основная статья: Стационарный паровой двигатель
Горизонтальный тандемный составной двигатель Marchent & Morley, построенный в 1914 году в Крейвен Миллс, Коул. Воздушный насос и струйный конденсатор находятся ближе всего к цилиндру низкого давления за ним. Он оснащен запатентованными поршневыми клапанами Morley.

Хотя первые мельницы приводились в движение гидроэнергетикой , после внедрения паровых двигателей производителю больше не нужно было размещать мельницы с помощью проточной воды. Для хлопкопрядения требовались все более крупные фабрики, и это заставляло владельцев требовать все более мощные двигатели. Когда давление в котле превышало 60 фунтов на квадратный дюйм, комбинированные двигатели достигли термодинамического преимущества, но именно механические преимущества более плавного хода были решающим фактором при принятии компаундов. В 1859 году было 75886 IHP (указанная лошадиных сил [IHP] ) двигателей на заводах в районе Манчестера, из которых 32282 IHP было представлено соединениями , хотя только 41189 IHP был создан из котлов работает при более чем 60psi. [17]

В общем, между 1860 и 1926 годами все фабрики в Ланкашире управлялись компаундами. Последний комплекс построили Бакли и Тейлор для мельницы Уай № 2, Шоу . Этот двигатель представлял собой кросс-составную конструкцию мощностью 2500 л.с., приводил в движение маховик мощностью 24 фута и массой 90 тонн и работал до 1965 года [18].

Морские приложения [ править ]

Основная статья: Морской паровой двигатель
Модель двигателя тройного расширения
Морской двигатель 1890-х годов с тройным расширением (три цилиндра диаметром 26, 42 и 70 дюймов в общей раме с ходом 42 дюйма), который приводил в действие SS Christopher Columbus .
Судовой двигатель тройного расширения SS Ukkopekka
140-тонный - также описываемый как 135-тонный - вертикальный паровой двигатель тройного расширения того типа, который использовался для питания кораблей Liberty времен Второй мировой войны , собранный для испытаний перед доставкой. Двигатель имеет длину 21 фут (6,4 метра) и высоту 19 футов (5,8 метра) и был разработан для работы со скоростью 76 об / мин и движения корабля Liberty со скоростью около 11 узлов (12,7 миль / ч; 20,4 км / ч).

В морской среде основным требованием было автономность и увеличенная дальность действия, так как корабли должны были нести запасы угля. Таким образом, старый водогрейный котел был непригоден, и его пришлось заменить замкнутым контуром пресной воды с конденсатором. Результатом, начиная с 1880 года, был двигатель с многократным расширением, использующий три или четыре ступени расширения ( двигатели с тройным и четверным расширением).). В этих двигателях использовался ряд цилиндров двустороннего действия с постепенно увеличивающимся диаметром и / или ходом (и, следовательно, объемом), предназначенных для разделения работы на три или четыре, в зависимости от обстоятельств, равные части для каждой ступени расширения. Там, где пространство ограничено, для ступени низкого давления можно использовать два цилиндра меньшего размера с большим суммарным объемом. В двигателях с многократным расширением цилиндры обычно располагались на одной линии, но использовались и другие конструкции. В конце 19 века балансировочная «система» Ярроу-Шлика-Твиди использовалась на некоторых морских двигателях тройного расширения. Двигатели YST разделили ступени расширения низкого давления между двумя цилиндрами, по одному на каждом конце двигателя. Это позволило лучше сбалансировать коленчатый вал, что привело к более плавной работе двигателя с более быстрым откликом и меньшей вибрацией.Это сделало 4-цилиндровый двигатель тройного расширения популярным среди больших пассажирских лайнеров (таких какОлимпийский класс ), но в конечном итоге был заменен паровой турбиной практически без вибрации .

Разработка этого типа двигателя была важна для его использования на пароходах, так как при выпуске в конденсатор воду можно было использовать для подпитки котла, который не мог использовать морскую воду . Наземные паровые машины могли просто выпустить большую часть своего пара, поскольку питательная вода обычно была легко доступна. До и во время Второй мировой войны расширительный двигатель преобладал в морских приложениях, где высокая скорость судна не имела значения. Когда требовалась скорость, на смену ей пришла паровая турбина, например, для военных кораблей и океанских лайнеров . HMS Dreadnought 1905 года был первым крупным военным кораблем, который заменил проверенную технологию поршневого двигателя на новую на тот момент паровую турбину.

Применение к железнодорожным локомотивам [ править ]

Основная статья: Составной локомотив

Для железнодорожных локомотивов основным преимуществом, полученным от смешивания, была экономия топлива и воды, а также высокое соотношение мощности и веса из-за перепада температуры и давления в течение более длительного цикла, что привело к повышению эффективности; дополнительные ощутимые преимущества включали более равномерный крутящий момент.

Хотя разработка составных локомотивов может появиться еще в 1856 году, когда Джеймс Сэмюэль получил патент на «локомотив с непрерывным расширением» [19], практическая история составных железнодорожных составов начинается с разработок Анатоля Маллета в 1870-х годах. Локомотивы Mallet эксплуатировались в Соединенных Штатах до конца магистрального пара Норфолком и Западной железной дорогой . Проекты Альфреда Джорджа де Глена во Франции также нашли широкое применение, особенно при перестройке Андре Чапелона . Около 1900 г. было опробовано большое количество составных конструкций, но большинство из них пользовались недолгой популярностью из-за их сложности и необходимости обслуживания. В ХХ векебыл широко распространен пароперегреватель , и подавляющее большинство паровозов были паровозами простого расширения (с некоторыми составными локомотивами, преобразованными в простые). Инженеры поняли, что локомотивы на постоянной скорости наиболее эффективно работают с широко открытым регулятором и ранним отключением, последнее настраивается с помощью реверсивного механизма. Локомотив, работающий при очень раннем прекращении подачи пара (например, при 15% хода поршня), обеспечивает максимальное расширение пара с меньшими потерями энергии в конце хода. Перегрев устраняет конденсацию и быструю потерю давления, которые в противном случае произошли бы при таком расширении.

Большие американские локомотивы использовали 2 комбинированных паровых воздушных компрессора, например Westinghouse 8 1/2 "150-D, [20] для тормозов поезда.

Заметки [ править ]

^  Фазирование цилиндров:  В двухцилиндровых соединениях, используемых на железных дорогах, поршни соединены с кривошипами, как в двухцилиндровом простом двигателе, под углом 90 ° друг к другу (разделены на четыре части).

Когда группа двойного расширения дублируется, образуя 4-цилиндровый компаунд, отдельные поршни в группе обычно уравновешиваются под углом 180 °, а группы устанавливаются под углом 90 ° друг к другу. В одном случае (первый тип смеси Vauclain ) поршни работали в одной фазе, приводя в движение общую крейцкопф и кривошип, снова установленный под углом 90 °, как для двухцилиндрового двигателя.

При трехцилиндровом составном устройстве кривошипы LP были либо установлены на 90 °, а один HP - на 135 ° по отношению к двум другим, либо в некоторых случаях все три кривошипа были установлены на 120 °.

^  ihp:  мощность мельничного двигателя первоначально измерялась вноминальной мощностивлошадиных силах, но эта система занижала мощность составнойсистемыMcNaught, подходящей для составных частей, ihp или указанной мощности в лошадиных силах. Как показывает практика, в составном двигателе ihp в 2,6 раза больше nhp. [21]

См. Также [ править ]

  • Составная турбина
  • Двигатель Willans

Ссылки [ править ]

  1. ^ van Riemsdijk, Джон (1970), "Составной локомотив, Части 1, 2, 3", Труды Общества Ньюкомена (2)
  2. ^ Ван Riemsdijk 1994 , стр. 4-9.
  3. Перейти ↑ Hills (1989) , p. 147.
  4. ^ a b Raiput, RK (2005), "17" , Thermal Engineering (5-е изд.), Бангалор, Нью-Дели: Laxmi Publications, стр. 723 и далее, ISBN 978-81-7008-834-9, OCLC  85232680
  5. ^ а б Семменс и Голдфинч (2003) , стр. 147, 162.
  6. ^ Ван Riemsdijk 1994 , стр. 2-3.
  7. ^ "Первый в мире паровой самолет" Популярная наука , июль 1933 г., подробная статья с рисунками
  8. ↑ Джордж и Уильям Беслер (29 апреля 2011 г.). Паровой самолет Беслера (YouTube). Бомберга.
  9. ↑ Encyclopdia Britannica Online, получено 29 марта 2007 г.
  10. Перейти ↑ Hills (1989) , p. 157.
  11. ^ Кларк, Артур Х. (1911). Эпоха кораблей Клипера 1843-1869 гг . Нью-Йорк: GP Putnam Sons.
  12. ^ Национальный морской музей, Гринвич, Великобритания, http://collections.rmg.co.uk/collections/objects/66013.html
  13. ^ Джарвис, Адриан (1993). «9: Альфред Холт и составной двигатель». В Гардинере, Роберт; Гринхилл, доктор Бэзил (ред.). Пришествие пара - Торговый пароход до 1900 года . Conway Maritime Press. С. 158–159. ISBN 0-85177-563-2.
  14. ^ а б в г Холмы (1989) , стр. 241.
  15. ^ Дэй, Лэнс и Макнил, Ян (редакторы) 2013, Биографический словарь истории технологии Routledge, ISBN 0-203-02829-5 (стр. 694) 
  16. ^ Макинтайр, Дональд; Купайся, Бэзил В (1974). Человек войны история боевого корабля . Отсылка к первому боевому кораблю с паровыми двигателями тройного расширения . Mcgraw-Hill Inc. стр. 95. ISBN 9780070445857.
  17. Перейти ↑ Hills (1989) , p. 160.
  18. Перейти ↑ Hills (1989) , p. 281.
  19. ^ Соединение Двигатели факсимильное переиздание , Ann Arbor, MI:. Издательство Управление Scholarly, Мичиганский университет библиотека, 2005, стр 16, 17, ISBN 1-4255-0657-7
  20. ^ 1941 Локомотивная циклопедия американской практики, одиннадцатое издание, Simmons-Boardman Publishing Corporation, 30 Church Street, New York, стр.813
  21. Перейти ↑ Hills (1989) , p. 145.

Библиография [ править ]

  • Холмы, Ричард Л. (1989). Питание от Steam . Издательство Кембриджского университета . п. 244. ISBN 0-521-45834-X.
  • Семменс, ПРБ; Голдфинч, AJ (2003) [2000]. Как на самом деле работают паровозы . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-860782-3.
  • Ван Riemsdijk, JT (1994). Составные локомотивы: международный обзор . Пенрин: Атлантические транспортные издательства. ISBN 0-906899-61-3.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Гурр, Дункан; Хант, Джулиан (1998), Хлопковые фабрики Олдхэма , Oldham Education & Leisure, ISBN 0-902809-46-6, заархивировано из оригинала 18 июля 2011 г. , извлечено 11 октября 2009 г.* Нэсмит, Джозеф (1895), Недавнее строительство и проектирование хлопковой фабрики , Лондон: Джон Хейвуд, стр. 284, ISBN 1-4021-4558-6
  • Робертс, А.С. (1921), "Список двигателей Артура Роберта" , Черная книга Артура Робертса. , Один парень из Barlick-Book Transcription, заархивировано из оригинала 23 июля 2011 г. , извлечено 11 января 2009 г.
  • Уильямс, Майк; Фарни (1992), Хлопковые фабрики Большого Манчестера , Carnegie Publishing, ISBN 0-948789-89-1
  • Холст, CP (1926), Балансировка многоступенчатых паровых двигателей , Brill, Leiden Publishing, OCLC  494164185

Внешние ссылки [ править ]

  • Общество двигателей Северной мельницы в Музее пара Болтона