Клапанный механизм парового двигателя — это механизм, который управляет впускным и выпускным клапанами , чтобы впускать пар в цилиндр и выпускать отработанный пар, соответственно, в правильных точках цикла. Он также может служить реверсивным механизмом . Иногда его называют «движением».
В простом случае это может быть относительно простой задачей, как в двигателе внутреннего сгорания , в котором клапаны всегда открываются и закрываются в одних и тех же точках. Однако это не идеальная схема для парового двигателя, поскольку наибольшая мощность достигается при открытом впускном клапане на протяжении всего рабочего такта (таким образом, имея полное давление в котле, за вычетом потерь на передачу, по отношению к поршню на протяжении всего хода), в то время как максимальная эффективность достигается при открытом впускном клапане только на короткое время, а затем позволяя пару расширяться в цилиндре (расширительная работа).
Точка, в которой пар перестает поступать в цилиндр, называется отсечкой , и оптимальное положение для этого варьируется в зависимости от выполняемой работы и желаемого компромисса между мощностью и эффективностью. Паровые двигатели оснащены регуляторами ( дросселями на американском языке) для изменения ограничения потока пара, но управление мощностью с помощью настройки отсечки, как правило, предпочтительнее, поскольку это обеспечивает более эффективное использование пара котла.
Еще одно преимущество может быть получено путем впуска пара в цилиндр немного раньше передней или задней мертвой точки . Этот опережающий впуск (также известный как свинцовый пар ) помогает смягчить инерцию движения на высокой скорости.
В двигателе внутреннего сгорания эта задача выполняется кулачками на распределительном валу, приводящими в движение тарельчатые клапаны , но эта конструкция обычно не используется в паровых двигателях, отчасти потому, что достижение переменной синхронизации двигателя с использованием кулачков является сложным. Вместо этого система эксцентриков , кривошипов и рычагов обычно используется для управления золотником D или поршневым клапаном из движения. Как правило, два простых гармонических движения с различными фиксированными фазовыми углами добавляются в различных пропорциях, чтобы обеспечить выходное движение, которое является переменным по фазе и амплитуде. За эти годы было разработано множество таких механизмов с разным успехом.
Как золотниковые, так и поршневые клапаны имеют ограничение, заключающееся в том, что события впуска и выпуска фиксированы по отношению друг к другу и не могут быть оптимизированы независимо. На паровых кромках клапана предусмотрен перегиб, так что, хотя ход клапана уменьшается по мере продвижения отсечки вперед, клапан всегда полностью открыт для выпуска. Однако по мере того, как отсечка укорачивается, события выпуска также продвигаются вперед. Точка выпуска выхлопа происходит раньше в рабочем такте, а сжатие раньше в такте выпуска. Ранний выпуск тратит часть энергии в паре, а раннее закрытие также тратит энергию на сжатие в противном случае неоправданно большого количества пара. Другим эффектом раннего отсечки является то, что клапан движется довольно медленно в точке отсечки, и это создает точку сужения, заставляющую пар поступать в цилиндр при давлении ниже полного котла (так называемое «волочение проволоки» пара, названное в честь процесса изготовления металлической проволоки путем протягивания ее через отверстие), еще один расточительный термодинамический эффект, видимый на индикаторной диаграмме .
Эти неэффективности привели к широкому экспериментированию с тарельчатыми клапанными передачами для локомотивов. Впускные и выпускные тарельчатые клапаны можно было перемещать и контролировать независимо друг от друга, что позволяло лучше контролировать цикл. В конце концов, не так много локомотивов были оснащены тарельчатыми клапанами, но они были распространены в паровых автомобилях и грузовиках, например, практически все грузовики, локомотивы и железнодорожные вагоны Sentinel использовали тарельчатые клапаны. Очень поздняя британская конструкция, класс SR Leader , использовала золотниковые клапаны, адаптированные из двигателей внутреннего сгорания, но этот класс не имел успеха.
В стационарных паровых двигателях , тяговых двигателях и практике судовых двигателей недостатки клапанов и клапанных механизмов были среди факторов, которые приводили к расширению соединения . В стационарных двигателях также широко использовались отсечные клапаны .
Клапанный механизм был плодородной областью изобретений, с вероятно несколькими сотнями вариаций, разработанных за эти годы. Однако только небольшое количество из них нашло широкое применение. Их можно разделить на те, которые приводили в действие стандартные возвратно-поступательные клапаны (будь то поршневые клапаны или золотниковые клапаны), те, которые использовались с тарельчатыми клапанами, и стационарные расцепляющие механизмы двигателя, используемые с полуповоротными клапанами Корлисса или обратными клапанами . [1]
Один компонент движения исходит от кривошипа или эксцентрика. Другой компонент исходит из отдельного источника, обычно от крейцкопфа .
.jpg/1280px-Stephenson_link_motion_(Heat_Engines,_1913).jpg)
Два эксцентрика, соединенные изогнутой или прямой связью. Простая конструкция, которая хорошо работает на низкой скорости. На высокой скорости шестерня типа Вальсхартса, как говорят, обеспечивает лучшее распределение пара и более высокую эффективность.
Оба компонента движения исходят от одного кривошипа или эксцентрика. Проблема с этой компоновкой (применительно к локомотивам) заключается в том, что один из компонентов движения зависит от подъема и опускания локомотива на его пружинах. Это, вероятно, объясняет, почему радиальные передачи были в значительной степени вытеснены передачами типа Вальсхартса в железнодорожной практике, но продолжали использоваться в тяговых и судовых двигателях.
Они позволяют построить локомотив с 3 или 4 цилиндрами всего с двумя наборами клапанных механизмов. Наиболее известным является сопряженный клапанный механизм Грезли , используемый на локомотивах с 3 цилиндрами. Механизм Вальсхарта обычно используется для двух внешних цилиндров. Два рычага, соединенные со штоками клапанов внешнего цилиндра, приводят в действие клапан внутреннего цилиндра. Гарольд Холкрофт разработал другой метод сопряжения клапанного механизма, связав средний цилиндр с комбинированным рычажным узлом внешнего цилиндра, создав производную клапанного механизма Холкрофта . На локомотиве с 4 цилиндрами конструкция проще. Клапанный механизм может быть внутренним или внешним, и для соединения клапанов на внутреннем и внешнем цилиндрах требуются только короткие качающиеся валы.
Большие стационарные двигатели часто использовали усовершенствованную форму клапанного механизма, разработанную Джорджем Генри Корлиссом, обычно называемую клапанным механизмом Корлисса . Этот механизм использовал отдельные клапаны для впуска и выпуска, чтобы можно было точно контролировать отсечку впуска. Использование отдельных клапанов и каналов для впуска и выпуска пара также значительно снизило потери, связанные с конденсацией и повторным испарением в цилиндре. Эти особенности привели к значительному повышению эффективности.
Направление движения локомотива и его отключение задаются из кабины с помощью реверсивного рычага или винтового реверса, приводящего в действие стержень, доходящий до клапанного механизма. Некоторые более крупные паровые двигатели используют силовой реверс, который представляет собой сервомеханизм , обычно приводимый в действие паром. Это облегчает машинисту управление реверсивным механизмом .