Ранняя конфигурация парового двигателя, в которой для соединения основных компонентов использовалась качающаяся балка.
Двигатель Ватта : показывает поступление пара и воды.
Балочный двигатель — это тип паровой машины , в которой поворотная верхняя балка используется для приложения силы от вертикального поршня к вертикальному шатуну . Эта конфигурация, в которой двигатель напрямую приводит в движение насос, впервые была использована Томасом Ньюкоменом около 1705 года для удаления воды из шахт в Корнуолле . Эффективность двигателей была улучшена инженерами, в том числе Джеймсом Уоттом , который добавил отдельный конденсатор ; Джонатан Хорнблауэр и Артур Вульф , составлявшие цилиндры ; и Уильям Макнот , который разработал метод компаундирования существующего двигателя. Лучевые двигатели впервые использовались для откачки воды из шахт или в каналы, но их можно было использовать и для перекачивания воды в дополнение к потоку водяного колеса, приводящего в действие мельницу .
Чугунная балка двигателя Boulton & Watt 1812 года на насосной станции Крофтон - старейший действующий образец в мире, установленный на месте.За музеем Де Крукиус недалеко от Амстердама , старой насосной станцией, используемой для перекачивания воды из реки Харлеммермер . На нем показаны лучи насосной машины и 9-метровый перепад уровня воды в реке Спаарне . Лучевой двигатель является самым большим из когда-либо построенных и использовался до 1933 года.Остатки лучевого двигателя с водяным приводом в Ванлокхеде
Вращающийся лучевой двигатель представляет собой более позднюю конструкцию лучевого двигателя, в которой шатун приводит в движение маховик с помощью кривошипа (или, исторически, с помощью солнечной и планетарной передачи ). Эти лучевые двигатели можно было бы использовать для прямого привода в действие линейного вала мельницы . Их также можно было бы использовать для привода пароходов .
История
Первые лучевые двигатели были водяными и использовались для откачки воды из шахт. Сохранившийся образец можно увидеть на свинцовом руднике Стрейтстепс в Ванлокхеде в Шотландии .
Лучевые двигатели широко использовались для приведения в действие насосов в системе английских каналов , когда она была расширена с помощью шлюзов в начале промышленной революции , а также для отвода воды из шахт в тот же период, а также в качестве намоточных двигателей .
Первый лучевой двигатель с паровым двигателем был разработан Томасом Ньюкоменом . Строго говоря, это не был паровой привод, поскольку пар, подаваемый под поршень, конденсировался, создавая частичный вакуум, что позволяло атмосферному давлению толкать поршень вниз. Поэтому его назвали атмосферным двигателем. Атмосферный двигатель Ньюкомена использовался на многих шахтах Корнуолла и других городов, но он был относительно неэффективен и потреблял большое количество топлива. Двигатель был улучшен Джоном Смитоном, но Джеймс Уатт устранил основные недостатки двигателя Ньюкомена в своей паровой машине Уатта , добавив отдельный конденсатор, что позволило цилиндру оставаться горячим. Технически это все еще был атмосферный двигатель, пока (согласно последующим патентам) он не закрыл верхнюю часть цилиндра, вводя пар, чтобы также толкать поршень вниз. Это сделало его настоящим паровым двигателем и, возможно, подтверждает его роль изобретателя парового двигателя. Он также запатентовал центробежный регулятор и параллельное движение . последний позволил заменить цепи вокруг головки арки и, таким образом, позволил использовать ее в качестве вращательного двигателя.
Его патенты оставались в силе до начала XIX века, и некоторые говорят, что это сдерживало развитие. Однако на самом деле разработку продолжали другие, и в конце срока действия патента произошел взрыв новых идей и усовершенствований. Лучевые двигатели Ватта использовались в коммерческих целях в гораздо больших количествах, и многие из них продолжали работать в течение 100 и более лет.
Уотт имел патенты на ключевые аспекты конструкции своего двигателя, но его вращательный двигатель был в равной степени ограничен патентом Джеймса Пикарда на простой кривошип. Лучевой двигатель был значительно усовершенствован и расширен в богатых оловом и медью районах юго-западной Англии, что позволило осушить существовавшие там глубокие шахты. Следовательно, лучевые двигатели Корнуолла стали всемирно известными, поскольку они остаются одними из самых массивных лучевых двигателей, когда-либо созданных.
Из-за количества патентов на различные части двигателей и последствий нарушений патентных прав существуют примеры лучевых двигателей без указания производителя ни на одной из частей (Hollycombe Steam Collection).
В роторно-балочном двигателе поршень установлен вертикально, а шток поршня приводит в движение балку, как и раньше. Шатун с другого конца балки теперь приводит в движение маховик, а не насосную штангу.
В ранних двигателях Ватта использовалась запатентованная солнечная и планетарная передача Уотта , а не простой кривошип, поскольку использование последнего было защищено патентом, принадлежащим Джеймсу Пикарду . После истечения срока действия патента простая рукоятка стала использоваться повсеместно. После достижения вращательного движения рядом с маховиком можно было прикрепить приводной ремень. Он передавал мощность на другие приводные валы, и от этих других ремней можно было затем присоединить для привода различные статические машины, например, молотильные, шлифовальные или фрезерные машины.
Морские лучевые двигатели
Первые корабли с паровым двигателем использовали варианты поворотно-балочного двигателя. Эти морские паровые машины , известные, среди прочего, как боковой рычаг, кузнечик , траверса или «шагающая балка», отличались от оригинальных наземных машин тем, что балка или балки располагались в разных положениях, чтобы занимать меньше места на борту корабля. .
Компаундирование
В компаундировании участвуют два или более цилиндров; Пар низкого давления из первого цилиндра высокого давления подается во второй цилиндр, где он расширяется дальше и обеспечивает больший привод. Это составной эффект; отработанный пар может произвести дополнительную работу, если затем обычным способом направить его в конденсатор. Первый эксперимент с компаундированием был проведен Джонатаном Хорнблауэром , получившим патент в 1781 году. Его первый двигатель был установлен на шахте Тинкрофт в Корнуолле. Он имел два цилиндра - один диаметром 21 дюйм (0,53 м) с ходом 6 футов (1,8 м) и один диаметром 27 дюймов (0,69 м) с ходом 8 футов (2,4 м), - расположенные рядом друг с другом на одном конце. луча. Первые двигатели показали небольшой прирост производительности: давление пара было слишком низким, соединительные трубы были небольшого диаметра, а конденсатор неэффективен. [1]
В то время законы термодинамики не были должным образом поняты, особенно концепция абсолютного нуля . Такие инженеры, как Артур Вульф , пытались решить инженерную проблему, не имея полного понимания физики. В частности, их клапанный механизм врезался в неправильное положение хода, не позволяя проводить расширенную работу в цилиндре. Успешные составные двигатели Вулфа были произведены в 1814 году для медного рудника Уил Абрахам и оловянного рудника Уил Вор . [2]
Двигатели Макнота
Уильям Макнот запатентовал двигатель со сложной балкой в 1845 году. На балочном двигателе стандартной конструкции Boulton & Watt он разместил цилиндр высокого давления на стороне балки, противоположной существующему одиночному цилиндру, где обычно устанавливался водяной насос. Это имело два важных эффекта: значительно снизилось давление на балку, а соединительная паровая труба, будучи длинной, действовала как расширительный ресивер – элемент, отсутствующий в конструкции Вульфа. [3] Эта модификация могла быть произведена ретроспективно, и модифицированные таким образом двигатели назывались «Макнотедом». Преимущества составного двигателя были незначительными при давлении ниже 60 фунтов на квадратный дюйм (410 кПа), но проявлялись при давлении более 100 фунтов на квадратный дюйм (690 кПа). [ нужна цитата ]
Болтонский паровой музей ( Болтон , Англия) - включает несколько вращающихся лучевых двигателей, первоначально использовавшихся для привода мельниц.
Насосная станция Клэймиллс ( Бертон-апон-Трент , Англия) - четыре ротационных балочных насосных двигателя типа Woolf; пять котлов Ланкашира; На объекте имеется более тридцати вспомогательных двигателей, включая самую старую действующую паровую динамо-машину в стране.
Coldharbour Mill ( Уффкулм , Девон) - 1867 г., балочный двигатель Kittoe and Brotherhood , а также перекрестный двигатель Pollit & Wigzell мощностью 300 л.с. В большинстве государственных праздников в парах участвуют в гонках на веревках вместе с другими машинами меньшего размера.
Насосная станция Крофтон ( Грейт-Бедвин , Англия) — два двигателя, включая самый старый работающий двигатель «Корнуолл», на своем первоначальном месте в мире (1812 г.).
Насосная станция Кросснесс ( Эбби-Вуд , Англия) — комплект из четырёх поворотно-балочных двигателей: крупнейшие из сохранившихся действующих образцов.
Машинный завод Eastney Beam ( Портсмут , Англия) - содержит два ротационных балочных двигателя для откачки сточных вод, датированные 1887 годом.
Центр наследия Эльсекара ( Эльсекар , Англия) — единственный сохранившийся двигатель Ньюкомена (в мире), сохранившийся на первоначальном месте (1795 г.).
Goulburn Waterworks ( Гоулберн , Австралия) — лучевой двигатель Appleby Bros (1883 г.), мощностью 120 л.с. в рабочем состоянии, все еще находится в оригинальном здании насосной станции.
Балочный двигатель Grazebrook — большая насосная машина Boulton & Watt с диаметром цилиндра 42 дюйма (1,1 м) на статическом дисплее на кольцевой развязке Дартмута на автомагистрали A38 (M) в Бирмингеме , Англия.
Коллекция Hollycombe Steam ( Липхук , Англия) — небольшой (около 5 лошадиных сил) рабочий ротационный бобовый двигатель, датируемый примерно 1850 годом и используемый для привода сельскохозяйственной техники, с прикрепленным к нему водяным колесом для увеличения мощности.
Машинный завод Миддлтон-Топ, Миддлтон-бай-Вирксворт , Дербишир . Двухлучевой двигатель (построенный в 1829 году) является старейшим в мире работающим двигателем с возвратно-поступательной обмоткой, который до сих пор находится в своем первоначальном машинном отделении. [5] [6]
Музей Де Крукиус ( Крукиус , Нидерланды) – восьмилучевой двигатель Крукиуса считается самым большим паровым двигателем, когда-либо построенным.
Ноттингемский промышленный музей ( Ноттингем , Англия). В паровой галерее хранится впечатляющий балочный двигатель Басфорда, один из пары двигателей, построенных в 1858 году компанией R&W Hawthorn в Ньюкасл-апон-Тайн . Он был установлен на насосной станции Басфорд для подъема воды на 110 футов (34 м) из песчаника внизу для подачи пресной воды в город Ноттингем. Двигатель был заменен в 1965 году и перевезен в специально построенную паровую галерею, где он впервые был запущен в 1975 году.
Шахта Полдарк ( Тренир , Англия) — балочная машина Харви из Хейла Корнуолла с оловянной шахты Банни, а затем с китайской глиняной ямы Гринсплат, датируемая примерно 1850 годом. Гидравлический механизм добавлен для демонстрационных целей. Последний из тех, кто работал коммерчески в Корнуолле до декабря 1959 года, переехал в Полдарк в 1972 году .
Паровой музей Стрампшоу ( Стрампшоу , Англия) - представляет бывший балочный двигатель из Аддингтона, работающий на сжатом воздухе.
Насосная станция Tees Cottage ( Дарлингтон , Англия) — работающий ротационный двухцилиндровый составной двигатель Вульфа , спроектированный Гленфилдом и Кеннеди из Килмарнока и построенный компанией Teasdale Bros под руководством T&C Hawksley , Civil Engineers, Лондон.
Двигатель с вращающимся лучом Бултона и Ватта (типа Солнца и планеты) в Национальном музее Шотландии (1786 г.). [8] [9] Периодическая работа с пневматикой
Лондонский музей воды и пара ( Брентфорд , Англия) – пять «корнуоллских» двигателей (в исходном месте), четыре из которых находятся в рабочем состоянии, а также два действующих вращающихся лучевых двигателя (в музее), включая самый большой работающий «корнуоллский» двигатель в мире. мир с цилиндром диаметром 90 дюймов (2286 мм).
Водоочистные сооружения Вестерн-Спрингс ( Окленд , Новая Зеландия) – двойной составной двигатель Вульфа, 1877 год. На первоначальном месте, восстановлен в рабочем состоянии, вокруг построен Музей транспорта и технологий. Реставрация насосной станции и оригинального инженерного коттеджа была удостоена в 2009 году Премии за заслуги перед программой ЮНЕСКО по сохранению культурного наследия Азиатско-Тихоокеанского региона.
