Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Кросс-компаундный двигатель с расширительным клапаном (вверху) на цилиндре высокого давления

Расширительный клапан представляет собой устройство в паровом двигателе приводе клапанов , что повышает эффективность работы двигателя. Он работает, прерывая подачу пара раньше, чем поршень совершит полный ход. Это отключение позволяет пару затем расширяться внутри цилиндра. [1] Этого расширяющегося пара все еще достаточно для приведения в действие поршня, даже если его давление уменьшается по мере расширения. [i] Поскольку меньше пара подается за более короткое время, в течение которого клапан открыт, использование расширительного клапана снижает потребляемый пар и, следовательно, необходимое топливо. [2] Двигатель (на фигурах 1875 года) может выполнять две трети работы, затрачивая только одну треть пара.[2]

Индикаторная диаграмма, показывающая давление пара при движении поршня

Расширительный клапан - это вторичный клапан в паровой машине. Они представляют собой промежуточный этап между паровыми двигателями с нерасширяющимся рабочим механизмом и более поздними клапанами, которые могут обеспечивать расширение за счет управления движением одного клапана.

Расширительные клапаны использовались для стационарных двигателей и судовых двигателей . [1] Они не использовались для локомотивов, хотя обширная работа была достигнута за счет использования более поздних редукторов регулируемого расширительного клапана.

Потребность в различных расширениях [ править ]

Давление расширенного пара меньше, чем у пара, подаваемого непосредственно из котла. Таким образом, двигатель, работающий с расширительным клапаном, установленным на раннее отключение, будет менее мощным, чем с полностью открытым клапаном. Соответственно, двигатель должен теперь быть приводом , таким образом , что клапан регулируется вручную , как нагрузка на двигатель изменений. Двигатель, работающий с малой нагрузкой, может эффективно работать с ранним отключением, двигатель с большой нагрузкой может потребовать более длительного отключения и затрат на большее потребление пара.

Когда Trevithick поставляется его 1801 двигатель [II] для прокатного стана на Тредегар металлургический завод , [3] двигатель был более мощным , когда работал без расширения и Сэмуел Хомфрей , в заводчик, предпочтительно использовать дополнительную мощность , несмотря на потенциальную экономию затрат на уголь [4]

Расширительные клапаны Gridiron [ править ]

Независимый решетчатый клапан с обычным золотниковым клапаном
Эксцентричный рычажный механизм с переменным передаточным числом для привода расширительного клапана gridiron

Путевой клапан [5] был одним из первых форм расширительного клапана. [1] Решетчатый клапан представляет собой конструкцию из двух пластин с перекрывающимися ламелями. Одна пластина может перемещаться так, что ее ламели перекрывают либо ламели другой пластины, либо щели между ними, чтобы быть открытыми или закрытыми. Он имеет преимущества относительно большого отверстия (до половины общей площади) и быстрого открывания, для перехода от полностью открытого к полностью закрытому необходимо перемещать его только на одну ширину ламели. Его недостаток в том, что они плохо уплотняются. Из-за короткого рабочего расстояния для клапана с решетчатой ​​арматурой их фазы газораспределения были бы относительно неточными, если бы они использовались с эксцентриком.или похожие. Некоторые большие паровые двигатели позже использовали их в качестве первичных клапанов, либо в качестве выпускных клапанов для цилиндров низкого давления [6], либо в качестве впускных клапанов в сочетании с триггером [7] или распределительным механизмом . [8] [iii]

Если клапаны Gridiron используются в качестве вторичных клапанов, они обычно устанавливаются на входной стороне камеры клапана для первичного золотникового клапана. Они приводились в движение отдельным клапаном, обычно отдельным эксцентриком, установленным перед главным эксцентриком. [1] Во время работы дополнительное продвижение перемещает решетчатый клапан для отключения перед главным клапаном. Чтобы варьировать обеспечиваемое ими расширение, ход эксцентрикового привода можно изменять с помощью регулируемого рычажного механизма. Когда он настроен на нулевой ход, расширительный клапан остается полностью открытым, и двигатель работает без расширения. [1] Хотя использование вторичного решетчатого клапана было ранней технологией, он также оставался на вооружении со все более сложными клапанами и приводом на протяжении всей истории стационарных двигателей. В двигателях Макинтоша и Сеймура использовался один, приводимый в действие кулачком и переключателем, который периодически перемещался и останавливался в открытом состоянии, обеспечивая точное время и независимую регулировку каждого движения клапана. [9]

Клапаны Gridiron также использовались на задней стороне золотниковых клапанов, подобно клапану Мейера. [7] Это был патент Джона Тернбулла из Глазго в 1869 году. [10]

Расширительный клапан Meyer [ править ]

Балочный двигатель Гимсона , оснащенный расширительным клапаном Мейера

Самой известной конструкцией расширительного клапана была конструкция Мейера, изобретение французского инженера Жан-Жака Мейера (1804-1877), который подал заявку на патент 20 октября 1841 года. Аналогичный клапан был запатентован Джеймсом Моррисом. [11] Второй золотниковый клапан установлен на задней части адаптированного главного золотникового клапана и приводится в действие дополнительным эксцентриком. В клапане Meyer эффективная длина расширительного клапана [iv] может быть изменена с помощью маховика во время работы двигателя. Клапан имеет две головки, установленные на левой и правой резьбах на штоке клапана маховика, так что вращение колеса перемещает головки вместе или по отдельности. [12] [13]В этом устройстве отключение обычно контролируется вручную. Хотя была предпринята попытка автоматического управления, он был слишком медленным, чтобы быть эффективным.

Двигатели на выставке в Snibston Discovery Museum и насосной станции Coleham имеют ТРВ Мейера. [14]

Составные двигатели [ править ]

Расширительные клапаны также устанавливались на паровые двигатели . Оба метода представляют собой попытку достичь большей эффективности, даже за счет большей сложности.

Обычно расширительные клапаны устанавливались только на цилиндр высокого давления. Пар, подаваемый в следующий цилиндр низкого давления (низкого давления), уже подан в двигатель, поэтому его сохранение мало выгодно. Любое преждевременное отключение впуска пара в цилиндр низкого давления может также означать дросселирование выхлопа предыдущего цилиндра высокого давления и снижение эффективности этого цилиндра.

Более поздние составные мельничные двигатели со сложными клапанными механизмами часто устанавливали сложную передачу на цилиндр высокого давления, сохраняя при этом более простой традиционный золотниковый клапан для цилиндра низкого давления. Примеры существовали с четырьмя различными наборами клапанов: впускными клапанами высокого давления, выпускными отверстиями Corliss HP и золотниковыми клапанами низкого давления с расширительным клапаном Meyer. [15]

Связать шестерни клапана [ править ]

Развитие после отдельного расширительного клапана привело к созданию более сложных клапанных механизмов, которые могли достичь той же цели - варьировать впускной нахлест с помощью одного клапана. Первыми из них были редукторы с рычажными клапанами, особенно с рычажными механизмами Stephenson . В нем используется пара эксцентриков с механизмом скользящего звена между ними, который действует как механическое добавляющее устройство. Выбор промежуточных положений обеспечивает срабатывание клапана с эффектом увеличения отсечки. Поскольку такие клапанные механизмы также были разработаны и были впервые разработаны для реверсирования, они широко использовались на локомотивах . Теоретически точный эффект заключается в уменьшении хода клапана , а не в более раннемотрезать. Это приводит к уменьшению общего открытия клапана, уменьшению начальной подачи пара и, таким образом, имеет эффект волочения проволоки, а не чистого расширения. [16] Несмотря на это, передача Стефенсона стала одной из двух наиболее широко используемых передач для локомотивов.

Автоматические регуляторы [ править ]

«Автоматические» двигатели и, в свою очередь, высокоскоростные двигатели , работали на увеличивающихся скоростях и требовали более точного контроля их скорости при переменной нагрузке. Это потребовало соединения их регулятора с редуктором расширительного клапана. Более ранние двигатели с центробежным регулятором и дроссельной заслонкой Ватта становились неэффективными при работе на малой мощности.

Губернатор Ричардсон [17] был использован для стационарных и портативных двигателей производства своих работодателей, Robey & Co. . [18] Это простой рычажный распределительный механизм, управляемый автоматически центробежным регулятором . Вместо ручного управления позицией штамповочного блока в колеблющемся звене в Stephenson, регулятор Richardson регулирует это в соответствии с частотой вращения двигателя. Обычно он работал так же, как клапан Мейера, с двумя клапанами, приводимыми в действие двумя эксцентриками, и регулятором Ричардсона, используемым вместо ручного маховика Мейера. [19] Это позволило избежать проблемы с вытяжкой проволоки, связанной с уменьшенным ходом клапана Stephenson, и повысило эффективность стационарных двигателей, которые могли работать на малой мощности в течение длительных периодов времени.

Типы сменных клапанов [ править ]

Однако в полностью разработанных формах высокоскоростного двигателя (примерно с 1900 г.) расширение контролировалось путем управления синхронизацией [v] одного клапана, а не отдельного расширительного клапана. Это привело к появлению других сложных типов клапанов, таких как тарельчатые клапаны , которые часто приводятся в движение кулачковыми механизмами клапана, а не механизмами. [vi]

Увеличение использования перегрева стимулировало замену золотниковых клапанов поршневыми , поскольку их было легче смазывать при повышенных рабочих температурах . Они также сделали непрактичным использование вторичных клапанов, таких как Meyer, на тыльной стороне первичных клапанов. Возможно, последней новой конструкцией, в которой вторичный клапан использовался в качестве расширительного клапана, был локомотив Midland Railway Paget , который использовал бронзовые втулки в качестве расширительных клапанов вокруг своих чугунных поворотных клапанов. [20] Эта конструкция оказалась неудачной из-за механических проблем с дифференциальным тепловым расширением двух материалов клапана. [21]

Сноски [ править ]

  1. ^ Это падение давления с расширением неизбежно, согласно закону Бойля . [2]
  2. ↑ Этот двигатель был одним из первых, в котором использовалось отключение и преднамеренное расширение пара. Однако это отключение было фиксированным и не могло быть изменено во время работы двигателя.
  3. ^ Desmodromic кулачкового привода клапанный механизм с очень быстро действующими путевыми клапанами привода на половине скорости коленчатого вала была ключевой особенностью Ferranti «ы поперечного соединения по вертикали генерирующих двигателей высокоскоростных . [8]
  4. ^ Эта длина относительно расстояния между отверстиями регулирует входной нахлест клапана.
  5. ^ Поскольку это было время клапанакоторый был контролируемым,не его хода , он избежать некоторых из дроссельного недостатка по ссылке Стефенсона.
  6. ^ Тяговые и радиальные шестерни клапана просты в изготовлении, но имеют ограничения по характеристикам. Произвольно-образные кулачки могут предложить управление клапаномучетом ближе к операции идеальной, хотя их были трудно изготовить точно и их производительность резко ухудшиласьпоскольку они носили. Улучшения в технологии обработки, металлургии и смазки все больше благоприятствовали кулачкам.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e Эверс, Генри (1875). Пар и паровой двигатель: суша и море . Глазго: Уильямс Коллинз. С. 78–81.
  2. ^ a b c Эверс (1875) , стр. 51–53.
  3. Перейти ↑ Hills 1989 , p. 102
  4. ^ Тревитик, Фрэнсис (1872). Жизнь Ричарда Тревитика с описанием его изобретений . II . п. 132.
  5. Перейти ↑ Evers (1875) , pp. 73–74.
  6. ^ Саутворт (1986) , стр. 26 год
  7. ^ a b Hills 1989 , стр. 188
  8. ↑ a b Hills 1989 , стр. 226–227.
  9. ^ Хокинс, Неемия (1897). Новый катехизис парового двигателя . Нью-Йорк: Тео Одель. стр.  97 -99.
  10. ^ ГБ 3207 
  11. ^ GB 9571 , Джеймс Моррис 
  12. ^ Southworth, PJM (1986). Некоторые ранние паровые двигатели Роби . PJM Southworth. С. 4, 21–22, 24. ISBN 0-9511856-0-8.
  13. ^ «Расширительный золотник и регуляторы» . Старый машинный дом. Архивировано из оригинала на 2012-02-04 . Проверено 30 марта 2012 .
  14. ^ Хиллз, Ричард Л. (1989). Питание от Steam . Издательство Кембриджского университета . п. 174. ISBN 0-521-45834-X.
  15. ^ Двигатель Роби & Co. 1887 г. Саутвортом (1986) , стр. 21-22,24
  16. ^ Эверс (1875) , стр. 78
  17. ^ GB 14753 , Джон Ричардсон 
  18. ^ "Губернатор Ричардсона" . Старый машинный дом. Архивировано из оригинала на 2011-09-19 . Проверено 30 марта 2012 .
  19. ^ Саутворт (1986) , стр. 20
  20. ^ Аронс, EL (1966). Британский паровоз . Я, к 1925 году. Ян Аллан . п. 345.
  21. ↑ Self, Дуглас (8 февраля 2004 г.). «Пэджет Локомотив» . Галерея Локо Локо.