Двигатель Вилланса или двигатель с центральным клапаном был высокоскоростным стационарным паровым двигателем, который использовался в основном для выработки электроэнергии примерно в начале 20-го века.
Двигатель Вилланса был одним из самых известных примеров составного двигателя с шпилем . [1] Это были составные двигатели с двойным или тройным расширением , с необычными особенностями цилиндров одностороннего действия и центрального клапана шпинделя, общего для всех цилиндров этого шпинделя. [i] [3] [4] Цилиндры расположены как тандемные соединения , при этом цилиндры высокого и низкого давления установлены на одном вертикальном валу. Такое вертикальное расположение шпилей дает компактную планировку пола для двигателя такой мощности.
Двигатели Willans не были первыми высокоскоростными двигателями для выработки электроэнергии, но вскоре они были приняты на вооружение и стали преобладающим типом в эксплуатации. [5]
Приложения
Производство электроэнергии
Двигатели были разработаны Питером Уиллансом и Марком Робинсоном в Thames Ditton , в первую очередь для растущего рынка электрогенерации. В 1884 году они получили патент на принцип центрального клапана. [5] [6]
К 1890-м годам для производства электроэнергии использовалось больше машин типа Willans, чем любого другого типа. [5] [7] Как и в случае с другими высокоскоростными паровыми двигателями, требовалась паровая машина, которая работала бы на достаточно высоких скоростях, чтобы приводить в действие динамо- машины напрямую, а также имела бы точное регулирование скорости при изменяющейся нагрузке, чтобы поддерживать правильное напряжение. . Поддержание правильной частоты для систем переменного тока было даже более важным, но системы переменного тока имели тенденцию отдавать предпочтение тихоходным двигателям с большими маховиками, а не высокоскоростным двигателям, используемым для постоянного тока . [8]
Другое использование
Миллс
Двигатели Willans также использовались для питания текстильных фабрик , хотя, поскольку к этому времени было построено много фабрик, в этом приложении более известны более известные двигатели Corliss с перекрестным соединением и двигатели с каплевидным клапаном. Двигатель Willans, его низкая инерция и точное регулирование скорости сделали его очень подходящим для работы на мельницах. Считалось, что постоянная скорость вала, которую он обеспечивает, даже при переменной нагрузке, улучшает качество прядения и снижает количество концов, сломанных ударными нагрузками. [9] [10]
Двигатели Willans использовались для питания противоторпедных катеров Адмиралтейства. [11] Сообщалось, что лодки были быстрыми, а двигатели бесшумными. [12]
Операция
Операция одностороннего действия
Двигатель Willans был одностороннего действия ; давление пара прикладывалось только к верхней поверхности поршней. В то время это было общей чертой высокоскоростных двигателей, чтобы уменьшить детонацию и повышенный износ, что позволило увеличить рабочие скорости. [3] Принцип заключался в том, что в двигателе одностороннего действия силы, действующие на шатун и его подшипники, всегда действуют для сжатия штока, а не меняют направление дважды за каждый оборот, как в двигателе двойного действия. [13] Нижние латунные подшипники, которые выдерживали нагрузку только во время запуска, были меньше, чем шатунная шейка и основные рабочие латуни выше. Хотя двигатели одностороннего действия производят только половину мощности эквивалентного двигателя двустороннего действия или должны работать с удвоенной скоростью, это снижение детонации может позволить им работать более чем в два раза быстрее.
Воздушная подушка
В обычном двигателе двойного действия остаточный пар улавливался в выпускном цилиндре после закрытия клапана и сжатия. Этот сжатый пар обладает амортизирующим действием и тормозит поршень в конце хода. [ii] В двигателе одностороннего действия подобный эффект в конце рабочего такта отсутствует. Ранее это было ограничением рабочей скорости двигателей одностороннего действия.
В двигателе Willans демпфирование в конце хода обеспечивалось дополнительным воздушным цилиндром, расположенным ниже других. Пневматический поршень также выступал в роли направляющей ствола . Во время хода вверх инерция двигателя продолжает движение вверх, и до начала следующего хода нет ничего, что могло бы его замедлить. Закрытый воздушный цилиндр действует как заслонка сжатого воздуха над направляющим поршнем ствола. [14]
Клапан центрального шпинделя
Самой отличительной особенностью двигателя была центральная шпиндельная заслонка. Он действовал как многоступенчатый поршневой клапан, контролирующий подачу пара в каждый из составных цилиндров. Необычно клапан работал внутри полого штока поршня или ствола, а не в блоке цилиндров или клапанной коробке. Этот полый шток поршня соединял все цилиндры и обрабатывался с отверстиями. [15]
Клапан, приводящий в действие клапан, был очень простым. Каждый поршень имел два параллельных шатуна , работающих на отдельных шейках кривошипа между одними и теми же шатунами. Эксцентрика между двумя шейками вынудила центрально установленный шпиндель клапана с помощью другого короткого соединительного стержня. Из-за необходимости , чтобы позволить шток клапана , чтобы пройти через между ними, поршень имел две поперечные заглушки поршневые пальцы , а не один через контактный. [15]
Входящий пар подавался в верхнюю часть корпуса поршневого штока через характерные куполообразные крышки. Если двигатель был предназначен для фиксированной отсечки, подача пара на входе контролировалась исключительно клапаном и стволом. Там, где должна была использоваться переменная отсечка, это было достигнуто очень просто с помощью вращающейся манжеты с угловыми портами, которые перекрывали порты в стволе и таким образом контролировали их синхронизацию. [16]
Смазка
Смазка двигателя Willans производилась брызгами из закрытого картера. Он был заполнен смесью масла и воды. [16] Избыточная вода от конденсата сливалась из картера по мере его накопления, но двигатели не имели разделенных сальников между цилиндром и картером, с дренажным пространством между ними, которые использовались компаниями Carel, Belliss и Morcom, или двигатели Alley & MacLellan (позже Sentinel ). [17]
Вывод
Двигатели Willans постепенно перестали использоваться после Первой мировой войны по двум причинам.
Во-первых, Belliss и Morcom доработали высокоскоростной двигатель. Их изобретение в 1890 году масляного насоса и системы принудительной смазки решило проблему дребезжания подшипников при реверсивной нагрузке. [18] [19] Это позволило им производить двигатели двойного действия, которые были более компактными, чем одностороннего действия. Там, где одноцилиндровый двигатель мог заменить небольшой двухцилиндровый двигатель, это также давало значительную экономию средств. Хотя некоторые парогенераторы оставались в эксплуатации и в 1980-х [iii], почти все они были типа Belliss и Morcom двойного действия.
Во-вторых, рост производства электроэнергии и развитие национальной сети способствовали появлению меньшего количества более крупных генерирующих станций, чем небольших местных станций первого поколения. Эти крупные заводы могли более эффективно использовать большие паровые турбины и могли позволить себе использовать сложные водотрубные котлы с высоким перегревом .
Похожие двигатели
Двигатель Карела
Двигатель Carel, созданный SA des Moteurs á Grand Vitesse. Brevet Carel из Sclessin-Liège , Бельгия, был очень похож на Willans. [20] Он использовал аналогичную компоновку парных цилиндров, в количестве от двух до восьми. Он также был построен для двойного и тройного расширения. Как и в двигателе Willans, в нем использовались цилиндры одностороннего действия, а также направляющая багажника на воздушной подушке. Он отличался конструкцией клапанов, так как они были поворотными. Каждая пара цилиндров имела общий поворотный клапан между ними, управляемый конической шестерней с половинной скоростью . Как и в локомотиве Пэджета , клапаны были из чугуна и находились в гильзе из фосфористой бронзы внутри цилиндра. [21] Поскольку клапан и цилиндры должны работать синхронно, [iv] порты дублируются. В целом преимущество заключается в снижении линейной скорости клапана. Такие поворотные клапаны часто пробовали в то время, но редко успешно. В то время смазка была затруднена, а перегрев ограничивался, если клапаны не заклинивали. [20] [v]
Патентный двигатель Paxman's Peache
Двигатель «Peache Patent» был произведен компанией Davey, Paxman & Co из Колчестера , которая построила 260 из них в период с 1895 по 1913 год. [22] Джеймс Кортхоуп Пич ранее работал в компании Willans & Robinson менеджером завода на паромном заводе. Он покинул Вилланс в январе 1892 года, а в 1893 году он обратился к Джеймсу Паксману с его собственной разработкой высокоскоростного двигателя одностороннего действия. Позже он вернулся в Уилланс, в 1904 году став директором компании, которая сейчас базируется в Регби, а к 1908 году стал управляющим директором. [22]
Двигатель Peache рассматривался как еще один тандем одностороннего действия, хотя и имел необычную конструкцию цилиндра. Средний объем цилиндров высокого и низкого давления был общим, без обычного сальника, изолирующего их. [22] Поршень высокого давления действует вниз, а поршень низкого давления - вверх. Пространство между поршнями, называемое «управляющим цилиндром», частично заполнено паром, отбираемым из цилиндра высокого давления. Поскольку он сжимается при движении поршней вверх, он действует аналогично воздушной подушке Willans. [13]
Поршневые клапаны за цилиндрами приводились в действие радиальной распределительной коробкой , приводимой в движение шатуном. [22]
Необычно для парового двигателя, но несколько выгоднее для двигателя одностороннего действия, Peache был десаксиальным двигателем. За счет небольшого смещения оси коленчатого вала и поршня силы крейцкопфа оставались в направлении задней части двигателя на протяжении всего рабочего цикла. [22] Как и сам принцип одностороннего действия, это постоянное направление сил помогло снизить вибрацию и износ. [22]
Выжившие
Немногочисленные примеры этих больших двигателей электрического поколения сохранились, в том числе Willans. Некоторые образцы все еще сохранились, в том числе очень маленький в Музее науки . Это двигатель мощностью 10 кВт при 450 об / мин, показанный рядом с его оригинальной биполярной динамо-машиной. Также показан отдельный цилиндр от более крупного двигателя в разрезе ( рис. ).
Трехцилиндровый генератор мощностью 140 л.с. 1901 года был снят с производства в 1957 году из мебельного магазина Maples в Лондоне и выставлен на обозрение на первоначальной фабрике Willans в Регби . В 2011 году он был отмечен наградой за инженерное наследие . [23] [24] В 2017 году он был передан во Внутренний пожарный музей - Музей власти в Западном Уэльсе. [25]
Трехцилиндровый двухступенчатый двигатель хранится в Музее науки и техники Каталонии (mNACTEC). [26]
Заметки
- ^ Т.е. один клапан снабжал все поршни вертикальной колонкой. Напротив, Bellis (и другие) разработали хорошо известную конструкцию, в которой один поршневой клапан был разделен между соседними цилиндрами по горизонтали. [2]
- ^ Эта рекомпрессия была важным фактором в эффективности однопоточного двигателя .
- ^ В основном в больницах, где уже была большая паровая установка для отопления и требовались надежные резервные электрогенераторы.
- ^ Это похоже на двухтактный двигатель внутреннего сгорания, а не на четырехтактный двигатель, который также использует понижающую передачу на половину скорости на своем распределительном валу.
- ^ Как и в самом деле случилось с локомотивом Пэджета.
Рекомендации
- ^ Хиллз, Ричард Л. (1989). Питание от Steam . Издательство Кембриджского университета . С. 215–219. ISBN 0-521-45834-X.
- Перейти ↑ Hills 1989 , p. 218.
- ^ а б Кеннеди, Рэнкин (1912) [1905]. «I. Детали и принадлежности паровых двигателей». Клапанные шестерни и регуляторы . Книга современных двигателей и генераторов. IV . Лондон: Кэкстон. С. 17–19.
- ^ Кеннеди 1903 , стр. 69-73.
- ^ а б в «Новые конструкции паровых машин» . Музей науки .
- ^ GB 13769 , Peter W. Willans, выпущенный 17 октября 1874
- ^ Кеннеди, Рэнкин (1903). Электроустановки . Электрические установки. III (5 том изд.). Лондон: Кэкстон. С. 32–33.
- Перейти ↑ Kennedy 1903 , p. 69.
- Перейти ↑ Hills 1989 , p. 217.
- ^ Двигатель Willans для тросового и ременного привода . Регби: Уилланс и Робинсон. п. 8.
- ^ «Форрестт и сын» . Руководство Грейс по британской промышленной истории . Дата обращения 14 июля 2019 .
- ^ «Военно-морская и военная разведка». The Times . 6 мая 1878 г. с. 6.
- ^ а б Потрошитель, Уильям CH (1920). «Двигатели быстрой революции». Теория и практика парового двигателя (седьмое изд.). Лондон: Longmans, Green & Co., стр. 350–352.
- ^ GB 4901 , Peter W. Willans, выпущенный 14 октября 1882
- ^ a b Кеннеди 1903 , стр. 71–72.
- ^ a b Кеннеди 1903 , стр. 72.
- ^ Kennedy 1912 , стр. 208-215.
- ^ Селф, Дуглас (20 декабря 2005 г.). «Высокоскоростные паровые двигатели» .
- Перейти ↑ Hills 1989 , p. 219.
- ^ а б «Высокоскоростные паровые двигатели» . Дуглас Селф. 20 декабря 2005 г.
- ^ Kennedy 1912 , стр. 213-215.
- ^ а б в г д е Ричард Карр. "Паксман" Патент Персика "Паровые двигатели" . История Паксмана .
- ^ "Engineering Heritage Awards" (PDF) (5-е изд.). Институт инженеров-механиков (IMechE). п. 47.
- ^ «Паровоз с центральным клапаном» . Институт инженеров-механиков (IMechE).
- ^ «Викторианский двигатель, построенный в Регби, отправляется на реставрацию в Уэльс» . Рекламодатель регби . 20 июня 2017.
- ^ http://www.mnactec.cat/docs/1182326741_vapor_carbon.pdf