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 впервые были внедрены 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 требуется ли колебание 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 своего 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, которая выполняется паром 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 , а температура падает 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 за пределами определенной точки 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 компоновку, 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]

Внедрение 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 неподходящее для суровых 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 либо три, либо четыре ступени расширения и известны как двигатели трех- и четырехкратного расширения соответственно. В этих двигателях используется серия 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 он действовал 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 лодку 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 – Alexander Carnegie Kirk built SS Aberdeen, the first major ship to be successfully powered by a triple expansion engine.[15]
  • 1887 – HMS Victoria launched, the first battleship to be powered by triple expansion engines.[16]
  • 1891 – Triple expansion compound marine engines, operating at 160psi, consumed on average about 1.5 lbs of coal per hour per indicated horsepower.[14]

Applications[edit]

Pumping engines[edit]

Main article: Cornish engine

Mill engines[edit]

Main article: Stationary steam engine
A Marchent & Morley horizontal tandem compound engine built 1914, at Craven Mills, Cole. The air pump and jet condenser are nearest with the LP cylinder beyond. It is fitted with Morley's patent piston drop valves

Though the first mills were driven by water power, once steam engines were adopted the manufacturer no longer needed to site the mills by running water. Cotton spinning required ever larger mills to fulfil the demand, and this drove the owners to demand increasingly powerful engines. When boiler pressure had exceeded 60psi, compound engines achieved a thermo-dynamic advantage, but it was the mechanical advantages of the smoother stroke that was the deciding factor in the adoption of compounds. In 1859, there was 75,886 ihp (indicated horsepower[ihp]) of engines in mills in the Manchester area, of which 32,282 ihp was provided by compounds though only 41,189 ihp was generated from boilers operated at over 60psi.[17]

To generalise, between 1860 and 1926 all Lancashire mills were driven by compounds. The last compound built was by Buckley and Taylor for Wye No.2 mill, Shaw. This engine was a cross-compound design to 2,500 ihp, driving a 24 ft, 90 ton flywheel, and operated until 1965.[18]

Marine applications[edit]

Main article: Marine steam engine
Model of a triple-expansion engine
1890s triple-expansion (three cylinders of 26, 42 and 70 inch diameters in a common frame with a 42-inch stroke) marine engine that powered the SS Christopher Columbus.
SS Ukkopekka triple-expansion marine engine
140-ton – also described as 135-ton – vertical triple expansion steam engine of the type used to power World War II Liberty ships, assembled for testing prior to delivery. The engine is 21 feet (6.4 meters) long and 19 feet (5.8 meters) tall and was designed to operate at 76 rpm and propel a Liberty ship at about 11 knots (12.7 mph; 20.4 km/h).

In the marine environment, the general requirement was for autonomy and increased operating range, as ships had to carry their coal supplies. The old salt-water boiler was thus no longer adequate and had to be replaced by a closed fresh-water circuit with condenser. The result from 1880 onwards was the multiple-expansion engine using three or four expansion stages (triple- and quadruple-expansion engines). These engines used a series of double-acting cylinders of progressively increasing diameter and/or stroke (and hence volume) designed to divide the work into three or four, as appropriate, equal portions for each expansion stage. Where space is at a premium, two smaller cylinders of a large sum volume might be used for the low-pressure stage. Multiple-expansion engines typically had the cylinders arranged in-line, but various other formations were used. In the late 19th century, the Yarrow-Schlick-Tweedy balancing 'system' was used on some marine triple-expansion engines. Y-S-T engines divided the low-pressure expansion stages between two cylinders, one at each end of the engine. This allowed the crankshaft to be better balanced, resulting in a smoother, faster-responding engine which ran with less vibration. This made the 4-cylinder triple-expansion engine popular with large passenger liners (such as the Olympic class), but was ultimately replaced by the virtually vibration-free steam turbine.

The development of this type of engine was important for its use in steamships as by exhausting to a condenser the water could be reclaimed to feed the boiler, which was unable to use seawater. Land-based steam engines could simply exhaust much of their steam, as feed water was usually readily available. Prior to and during World War II, the expansion engine dominated marine applications where high vessel speed was not essential. It was superseded by the steam turbine when speed was required, such as for warships and ocean liners. HMS Dreadnought of 1905 was the first major warship to replace the proven technology of the reciprocating engine with the then-novel steam turbine.

Application to railway locomotives[edit]

Main article: Compound locomotive

For railway locomotive applications the main benefit sought from compounding was economy in fuel and water consumption plus high power/weight ratio due to temperature and pressure drop taking place over a longer cycle, this resulting in increased efficiency; additional perceived advantages included more even torque.

While designs for compound locomotives may date as far back as James Samuel's 1856 patent for a "continuous expansion locomotive",[19] the practical history of railway compounding begins with Anatole Mallet's designs in the 1870s. Mallet locomotives were operated in the United States up to the end of mainline steam by the Norfolk and Western Railway. The designs of Alfred George de Glehn in France also saw significant use, especially in the rebuilds of André Chapelon. A wide variety of compound designs were tried around 1900, but most were short-lived in popularity, due to their complexity and maintenance liability. In the 20th century the superheater was widely adopted, and the vast majority of steam locomotives were simple-expansion (with some compound locomotives converted to simple). It was realised by engineers that locomotives at steady speed were worked most efficiently with a wide-open regulator and early cut-off, the latter being set via the reversing gear. A locomotive operating at very early cut-off of steam (e.g. at 15% of the piston stroke) allows maximum expansion of the steam, with less wasted energy at the end of the stroke. Superheating eliminates the condensation and rapid loss of pressure that would otherwise occur with such expansion.

Large American locomotives used 2 cross-compound steam-driven air compressors, e.g. the Westinghouse 8 1/2" 150-D,[20] for the train brakes.

Notes[edit]

^ Cylinder phasing:  With two-cylinder compounds used in railway work, the pistons are connected to the cranks as with a two-cylinder simple at 90° out-of-phase with each other (quartered).

When the double-expansion group is duplicated, producing a 4-cylinder compound, the individual pistons within the group are usually balanced at 180°, the groups being set at 90° to each other. In one case (the first type of Vauclain compound), the pistons worked in the same phase driving a common crosshead and crank, again set at 90° as for a two-cylinder engine.

With the 3-cylinder compound arrangement, the LP cranks were either set at 90° with the HP one at 135° to the other two, or in some cases all three cranks were set at 120°.

^ ihp:  The power of a mill engine was originally measured in Nominal Horse Power, but this system understated the power of a compound McNaught system suitable for compounds, ihp or indicated horse power. As a rule of thumb ihp is 2.6 times nhp, in a compound engine.[21]

See also[edit]

  • Compound turbine
  • Willans engine

References[edit]

  1. ^ van Riemsdijk, John (1970), "The Compound locomotive, Parts 1, 2, 3", Transactions of the Newcomen Society (2)
  2. ^ Van Riemsdijk 1994, pp. 4–9.
  3. ^ Hills (1989), p. 147.
  4. ^ a b Raiput, R.K. (2005), "17", Thermal Engineering (5th ed.), Bangalore, New Delhi: Laxmi Publications, pp. 723 et seq, ISBN 978-81-7008-834-9, OCLC 85232680
  5. ^ a b Semmens & Goldfinch (2003), pp. 147, 162.
  6. ^ Van Riemsdijk 1994, pp. 2–3.
  7. ^ "World's First Steam Driven Airplane" Popular Science, July 1933, detailed article with drawings
  8. ^ George & William Besler (29 April 2011). The Besler Steam Plane (YouTube). Bomberguy.
  9. ^ Encyclopædia Britannica Online, retrieved 29 March 2007.
  10. ^ Hills (1989), p. 157.
  11. ^ Clark, Arthur H. (1911). The Clipper Ship Era 1843-1869. New York: G.P. Putnam Sons.
  12. ^ National Maritime Museum, Greenwich, UK, http://collections.rmg.co.uk/collections/objects/66013.html
  13. ^ Jarvis, Adrian (1993). "9: Alfred Holt and the Compound Engine". In Gardiner, Robert; Greenhill, Dr Basil (eds.). The Advent of Steam – The Merchant Steamship before 1900. Conway Maritime Press. pp. 158–159. ISBN 0-85177-563-2.
  14. ^ a b c d Hills (1989), p. 241.
  15. ^ Day, Lance and McNeil, Ian (Editors) 2013, Biographical Dictionary of the History of Technology Routledge, ISBN 0-203-02829-5 (P. 694)
  16. ^ Macintyre, Donald; Bathe, Basil W (1974). Man of War a History of the Combat Vessel. Reference to the first battle ship with triple-expansion steam engines. Mcgraw-hill Inc. p. 95. ISBN 9780070445857.
  17. ^ Hills (1989), p. 160.
  18. ^ Hills (1989), p. 281.
  19. ^ Compound Engines facsimile reprint, Ann Arbor, MI: Scholarly Publishing Office, University of Michigan Library, 2005, pp. 16, 17, ISBN 1-4255-0657-7
  20. ^ 1941 Locomotive Cyclopedia of American Practice, Eleventh Edition, Simmons-Boardman Publishing Corporation, 30 Church Street, New York p.813
  21. ^ Hills (1989), p. 145.

Bibliography[edit]

  • Hills, Richard L. (1989). Power from Steam. Cambridge University Press. p. 244. ISBN 0-521-45834-X.
  • Semmens, P.W.B.; Goldfinch, A.J. (2003) [2000]. How Steam Locomotives Really Work. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-860782-3.
  • Van Riemsdijk, J.T. (1994). Compound Locomotives: An International Survey. Penryn: Atlantic Transport Publishers. ISBN 0-906899-61-3.

Further reading[edit]

  • Gurr, Duncan; Hunt, Julian (1998), The Cotton Mills of Oldham, Oldham Education & Leisure, ISBN 0-902809-46-6, archived from the original on 18 July 2011, retrieved 11 October 2009*Nasmith, Joseph (1895), Recent Cotton Mill Construction and Engineering, London: John Heywood, p. 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, archived from the original on 23 July 2011, retrieved 11 January 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

External links[edit]

  • Northern Mill Engine Society at Bolton Steam Museum