stringtranslate.com

Расширительный клапан (паровой двигатель)

Двигатель с перекрестным расположением цилиндров , с расширительным клапаном (вверху) на цилиндре высокого давления

Расширительный клапан — это устройство в клапанном механизме парового двигателя , которое повышает эффективность двигателя. Он работает, перекрывая подачу пара заранее, до того, как поршень пройдет свой полный ход. Это отключение позволяет пару затем расшириться внутри цилиндра. [1] Этого расширяющегося пара все еще достаточно, чтобы приводить в движение поршень, хотя его давление уменьшается по мере его расширения. [i] Поскольку меньше пара подается за более короткое время, в течение которого клапан открыт, использование расширительного клапана снижает потребляемый пар и, следовательно, требуемое топливо. [2] Двигатель (на фигурках 1875 года) может производить две трети работы, используя 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 шаг между паровыми машинами с нерасширяющейся работой и более поздними клапанными механизмами, которые могли обеспечивать расширение, управляя движением одного клапана.

Расширительные клапаны использовались для стационарных двигателей и судовых двигателей . [1] Они не использовались в локомотивах, хотя расширение было достигнуто за счет использования более поздних регулируемых редукторов клапанов расширения.

Необходимость в различном расширении

Давление расширенного пара меньше, чем у пара, подаваемого напрямую из котла. Двигатель, работающий с расширительным клапаном, установленным на раннее отключение, таким образом, менее мощный, чем с полностью открытым клапаном. Соответственно, двигатель теперь должен приводиться в действие , так что клапан регулируется вручную по мере изменения нагрузки на двигатель. Двигатель, работающий при небольшой нагрузке, может эффективно работать с ранним отключением, двигатель при большой нагрузке может потребовать более длительного отключения и затрат на большее потребление пара.

Когда Тревитик поставил свой двигатель 1801 года [ii] для прокатного стана на заводе Tredegar Iron Works , [3] двигатель был более мощным, когда работал без расширения, и Сэмюэль Хомфрей , мастер по производству чугуна, предпочел использовать дополнительную мощность, несмотря на потенциальную экономию затрат на уголь [4].

Расширительные клапаны Gridiron

Независимый решетчатый клапан с обычным золотниковым клапаном
Эксцентриковая и изменяемая передаточная связь для привода регулирующего клапана

Клапан - решетка [5] был одной из первых форм расширительного клапана. [1] Клапан-решетка представляет собой конструкцию из двух пластин с перекрывающимися планками. Одна пластина может двигаться так, что ее планки перекрывают либо планки другой пластины, либо щели между ними, таким образом, открываясь или закрываясь. Он имеет преимущества относительно большого отверстия (до половины общей площади) и быстрого открытия, требуя перемещения только на ширину одной планки, чтобы перейти от полностью открытого к полностью закрытому положению. Его недостатком является то, что они не очень хорошо герметизируют. Из-за короткого расстояния срабатывания клапана-решетки их синхронизация клапанов была бы относительно неточной, если бы они использовались с эксцентриком или подобным. Некоторые большие паровые двигатели позже использовали их в качестве первичных клапанов, либо как выпускные клапаны для цилиндров низкого давления [6] , либо как впускные клапаны в сочетании с трип- [7] или кулачковым клапанным механизмом. [8] [iii]

В тех случаях, когда в качестве вторичных клапанов использовались клапаны с сеткой, они обычно устанавливались на впускной стороне клапанной камеры для первичного золотникового клапана. Они приводились в действие отдельным клапанным механизмом, обычно отдельным эксцентриковым набором, установленным перед основным эксцентриком. [1] При работе дополнительное опережение перемещает клапан с сеткой для применения отсечки перед основным клапаном. Чтобы изменить расширение, которое они обеспечивают, ход эксцентрикового привода можно изменять с помощью регулируемой связи. Когда он отрегулирован на нулевой ход, клапан расширения остается полностью открытым, и двигатель работает без расширения. [1] Хотя использование вторичного клапана с сеткой было ранней технологией, оно также оставалось в эксплуатации со все более сложными клапанами и приводом на протяжении всей истории стационарных двигателей. Двигатели Макинтоша и Сеймура использовали один, приводимый в действие кулачком и рычажным механизмом, который двигался прерывисто и оставался неподвижным в открытом состоянии, обеспечивая точную синхронизацию и независимую регулировку каждого движения клапана. [9]

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

Расширительный клапан Мейера

Двигатель с балкой Гимсона , оснащенный расширительным клапаном Мейера

Самой известной конструкцией расширительного клапана был клапан Мейера, изобретение французского инженера Жан-Жака Мейера (1804-1877), который подал заявку на патент 20 октября 1841 года. Похожий клапан был запатентован Джеймсом Моррисом. [11] Второй золотниковый клапан перемещается на задней стороне адаптированного основного золотникового клапана и приводится в действие дополнительным эксцентриком. В клапане Мейера эффективная длина расширительного клапана [iv] может быть изменена с помощью маховика во время работы двигателя. Клапан имеет две головки, установленные на левой и правой резьбе на штоке клапана маховика, так что вращение колеса перемещает головки либо вместе, либо врозь. [12] [13] В этой конструкции отсечка обычно управляется вручную. Хотя была предпринята попытка автоматического управления, оно было слишком медленным, чтобы быть эффективным.

Двигатели, выставленные в музее открытий Снибстона и насосной станции Коулхэма, оснащены расширительными клапанами Мейера. [14]

Двигатели составные

Расширительные клапаны также устанавливались на паровые двигатели . Оба метода являются попыткой достичь большей эффективности, даже ценой большей сложности.

Обычно расширительные клапаны устанавливались только на цилиндр HP (высокого давления). Пар, подаваемый в следующий цилиндр LP (низкого давления), уже был подан в двигатель, поэтому его экономия не приносит особой пользы. Любое раннее отключение подачи пара в цилиндр LP может также представлять собой дросселирование выхлопа предыдущего цилиндра HP и снижение эффективности этого цилиндра.

Более поздние двигатели с составными мельницами со сложными клапанными передачами часто устанавливали сложную передачу на цилиндр HP, сохраняя при этом более простой традиционный золотниковый клапан для цилиндра LP. Существовали примеры с четырьмя различными наборами клапанов: впускные клапаны HP с опускным клапаном, выпускные клапаны Corliss HP и золотниковый клапан LP с расширительным клапаном Meyer. [15]

Соединительные клапанные шестерни

Разработки после отдельного расширительного клапана привели к более сложным клапанным механизмам, которые могли достичь той же цели изменения впускного зазора с помощью одного клапана. Первыми из них были клапанные механизмы с кулисой, в частности клапанный механизм с кулисой Стефенсона . Он использует пару эксцентриков с механизмом скользящего звена между ними, который действует как механическое добавляющее устройство. Выбор промежуточных положений обеспечивает приведение клапана в действие с эффектом увеличения отсечки. Поскольку такие клапанные механизмы также обеспечивали и были впервые разработаны для реверсирования, они широко использовались на локомотивах . Теоретически, точный эффект заключается в уменьшении хода клапана , а не в более раннем отсечке. Это имеет эффект уменьшения общего открытия клапана, уменьшения начальной подачи пара и, таким образом, имеет эффект волочения проволоки, а не чистого расширения. [16] Несмотря на это, механизм Стефенсона стал одним из двух наиболее широко используемых механизмов для локомотивов.

Автоматические регуляторы

«Автоматические» двигатели, а в свою очередь и высокоскоростные двигатели , работали на возрастающих скоростях и требовали более точного управления скоростью при изменяющейся нагрузке. Это требовало соединения их регулятора с редуктором расширительного клапана. Более ранние двигатели с центробежным регулятором Уатта и дроссельным клапаном становились неэффективными при работе на низкой мощности.

Регулятор Ричардсона [17] использовался для стационарных и переносных двигателей, производимых его работодателями, Robey & Co. [18] Это простой кулисный клапанный механизм, управляемый автоматически центробежным регулятором . Вместо ручного управления Стивенсона положением штампа-блока в качающемся звене, регулятор Ричардсона регулирует его в соответствии со скоростью двигателя. Обычно он работал аналогично клапану Мейера, с двумя клапанами, приводимыми в действие двумя эксцентриками, и регулятором Ричардсона, используемым вместо ручного маховика Мейера. [19] Это позволило избежать проблемы волочения проволоки, связанной с уменьшенным ходом клапана Стивенсона, и повысить эффективность для стационарных двигателей, которые могли работать на низкой мощности в течение длительных периодов.

Последующие типы клапанов

Однако в полностью разработанных формах высокоскоростного двигателя (примерно с 1900 года) расширение контролировалось путем управления синхронизацией [v] одного клапана, а не отдельного расширительного клапана. Это привело к появлению дополнительных сложных типов клапанов, таких как тарельчатые клапаны , часто приводимые в действие кулачковыми клапанными шестернями, а не тягами. [vi]

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

Сноски

На Викискладе есть медиафайлы по теме Расширительные клапаны .
  1. ^ Это падение давления при расширении неизбежно, согласно закону Бойля . [2]
  2. ^ Этот двигатель был одним из первых, в котором использовалась какая-либо отсечка и преднамеренное расширение пара. Однако эта отсечка была фиксированной и не могла быть изменена во время работы двигателя.
  3. ^ Десмодромный кулачковый привод клапанов с очень быстродействующими решетчатыми клапанами, приводимыми в действие на половине скорости коленчатого вала, был ключевой особенностью высокоскоростных вертикальных генераторных двигателей Ferranti с перекрестным соединением. [ 8]
  4. ^ Эта длина относительно расстояния между портами контролирует впускной зазор клапана.
  5. ^ Поскольку контролировалась синхронизация клапана , а не его ход , это позволило избежать некоторых недостатков дросселирования, присущих звену Стефенсона.
  6. ^ Зубчатые передачи с кулачковым и радиусным клапанами просты в изготовлении, но имеют ограничения по производительности. Кулачки произвольной формы могут обеспечить управление клапанами, более приближенное к идеальной работе, хотя их было трудно изготовить точно, а их производительность резко ухудшалась по мере износа. Улучшения в методах обработки, металлургии и смазке все больше благоприятствовали кулачкам.

Ссылки

  1. ^ abcde Эверс, Генри (1875). Пар и паровой двигатель: наземные и морские . Глазго: Williams Collins. С. 78–81.
  2. ^ abc Evers (1875), стр. 51–53.
  3. ^ Хиллз 1989, стр. 102
  4. ^ Тревитик, Фрэнсис (1872). Жизнь Ричарда Тревитика с рассказом о его изобретениях . Т. II. С. 132.
  5. ↑ Эверс (1875), стр. 73–74.
  6. ^ Саутворт (1986), стр. 26
  7. ^ ab Hills 1989, стр. 188
  8. ^ ab Hills 1989, стр. 226–227
  9. ↑ Хокинс, Неемия (1897). Новый катехизис паровой машины. Нью-Йорк: Тео Одель. С. 97–99.
  10. ↑ GB 3207, опубликовано 1869-11-05 
  11. ↑ GB 9571, Джеймс Моррис, опубликовано 22 декабря 1842 г. 
  12. ^ Саутворт, П. Дж. М. (1986). Некоторые ранние паровые двигатели Роби . П. Дж. М. Саутворт. С. 4, 21–22, 24. ISBN 0-9511856-0-8.
  13. ^ "Расширительный золотниковый клапан и регуляторы". Старый машинный зал. Архивировано из оригинала 2012-02-04 . Получено 2012-03-30 .
  14. ^ Хиллс, Ричард Л. (1989). Энергия пара. Cambridge University Press . стр. 174. ISBN 0-521-45834-X.
  15. ^ Двигатель Robey & Co. 1887 года, Саутворт (1986), стр. 21–22, 24
  16. ^ Эверс (1875), стр. 78
  17. ↑ GB 14753, Джон Ричардсон, опубликовано в 1885 г. 
  18. ^ "Губернатор Ричардсона". Old Engine House. Архивировано из оригинала 2011-09-19 . Получено 2012-03-30 .
  19. ^ Саутворт (1986), стр. 20
  20. ^ Аронс, Э. Л. (1966). Британский паровой железнодорожный локомотив . Том I, до 1925 г. Ян Аллан . стр. 345.
  21. ↑ Селф, Дуглас (8 февраля 2004 г.). «Локомотив Пэджета». Галерея Loco Loco.