.jpg/1280px-Willans_and_Robinson_engine_(Rankin_Kennedy,_Electrical_Installations,_Vol_III,_1903).jpg)
Двигатель Вилланса или двигатель с центральным клапаном представлял собой высокоскоростной стационарный паровой двигатель, использовавшийся в основном для выработки электроэнергии в начале XX века.
Двигатель Вилланса был одним из самых известных примеров двигателя с колонным компаундом . [1] Это были двигатели с двойным или тройным расширением компаунда , с необычными особенностями цилиндров одностороннего действия и центральным шпиндельным клапаном, общим для всех цилиндров этого шпинделя. [i] [3] [4] Цилиндры расположены как тандемные компаунды , с цилиндрами высокого и низкого давления, установленными на одном вертикальном валу. Такое вертикальное расположение шпиндельного компаунда обеспечивает компактную компоновку 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 двигателей в эксплуатации. [5]
Двигатели были разработаны Питером В. Виллансом и Марком Робинсоном в Thames Ditton , в первую очередь для растущего рынка в производстве электроэнергии. В 1884 году они получили патент на принцип центрального клапана. [5] [6]
К 1890-м годам больше двигателей типа Willans использовались для выработки электроэнергии , чем любые другие типы. [5] [7] Как и в случае с другими высокоскоростными паровыми двигателями, требовался паровой двигатель, который работал бы на достаточно высоких скоростях, чтобы напрямую приводить в действие динамо-машины , а также имел бы точную регулировку скорости при изменении нагрузки, чтобы поддерживать правильное напряжение. Поддержание правильной частоты для систем переменного тока было еще важнее, но системы переменного тока, как правило, отдавали предпочтение тихоходным двигателям с большими маховиками, а не высокоскоростным двигателям, используемым для постоянного тока . [8]
Двигатели Willans также использовались для питания текстильных фабрик , хотя, поскольку к этому времени было построено много фабрик, более давно известные двигатели Corliss с перекрестным соединением и двигатели с каплевидным клапаном лучше известны в этом применении. Двигатель Willans, его низкая инерция и точный контроль скорости сделали его очень подходящим для работы на фабрике. Постоянная скорость вала, которую он обеспечивал, даже при переменной нагрузке, считалась улучшающей качество прядения и уменьшающей количество концов, сломанных ударными нагрузками. [9] [10]
Двигатели Willans использовались для питания противоторпедных катеров Адмиралтейства. [11] Сообщалось, что катера были быстрыми, а двигатели бесшумными. [12]
Двигатель Willans был одностороннего действия ; давление пара подавалось только на верхнюю поверхность поршней. Это было обычной чертой высокоскоростных двигателей того времени, в качестве меры по уменьшению стука и повышенного износа, что позволяло работать на более высоких скоростях. [3] Принцип заключался в том, что в двигателе одностороннего действия силы на шатуне и его подшипниках всегда действуют для сжатия штока, а не меняют направление дважды за каждый оборот, как в двигателе двухстороннего действия. [13] Нижние латуни подшипников, которые несли нагрузку только во время запуска, были меньше, чем шатунная шейка и основные рабочие латуни выше. Хотя двигатели одностороннего действия вырабатывают только половину мощности эквивалентного двигателя двухстороннего действия или же должны работать с удвоенной скоростью, этот уменьшенный стук мог позволить им работать более чем в два раза быстрее.
В обычном двигателе двойного действия остаточный пар удерживался в выпускном цилиндре после закрытия клапана и сжатия. Этот сжатый пар имеет амортизирующий эффект и действует как тормоз поршня в конце хода. [ii] В двигателе одинарного действия нет подобного эффекта в конце рабочего хода. Ранее это было ограничением рабочей скорости двигателей одинарного действия.
В двигателе Willans амортизация в конце хода обеспечивалась дополнительным воздушным цилиндром под другими. Воздушный поршень также действовал как направляющая ствола . Во время хода вверх инерция двигателя продолжает движение вверх, и до начала следующего хода нет ничего, что могло бы его затормозить. Закрытый воздушный цилиндр действует как демпфер сжатого воздуха над направляющим поршнем ствола. [14]
.jpg/1280px-Willans_Patent_Central_Valve_Engine_-_Science_Museum_(London).jpg)
Самой отличительной чертой двигателя был его центральный шпиндельный клапан. Он действовал как многоступенчатый поршневой клапан, контролируя подачу пара в каждый из составных цилиндров. Необычно, что клапан работал внутри полого поршневого штока или ствола, а не в блоке цилиндров или клапанной коробке. Этот полый поршневой шток соединял все цилиндры и был обработан с портами. [15]
Клапанный механизм, приводящий в действие клапан, был очень прост. Каждый поршень имел два параллельных шатуна , работающих на отдельных шатунных шейках между теми же самыми щеками кривошипа. Эксцентрик между двумя шатунными шейками приводил в движение центрально установленный клапанный шток другим коротким шатуном. Из-за необходимости пропускать шток клапана между ними поршень имел два выступающих поршневых пальца , а не один сквозной штифт. [15]
Входной пар подавался в верхнюю часть ствола поршневого штока через характерные куполообразные крышки. Если двигатель был предназначен для фиксированного отключения, входной пар контролировался исключительно клапаном и стволом. Когда нужно было использовать переменное отключение, это достигалось очень просто с помощью вращающегося воротника с угловыми портами, которые перекрывали порты в стволе и таким образом контролировали их синхронизацию. [16]
Смазка двигателя Willans осуществлялась разбрызгиванием из закрытого картера. Он был заполнен смесью масла и воды. [16] Избыток воды из конденсата сливался из картера по мере накопления, но двигатели не имели отдельных сальников между цилиндром и картером с дренажным пространством между ними, которые использовались в двигателях Carel, Belliss и Morcom или Alley & MacLellan (позже Sentinel ). [17]
Двигатели Willans постепенно вышли из эксплуатации после Первой мировой войны по двум причинам.
Во-первых, Беллис и Морком продолжили разработку высокоскоростного двигателя. Изобретение ими 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 одноцилиндровые. Там, где одноцилиндровый двигатель мог заменить небольшой двухцилиндровый двигатель, это также было полезной экономией средств. Хотя некоторые парогенераторные установки оставались в эксплуатации вплоть до 1980-х годов, [iii] почти все они были двухцилиндровыми типа Belliss и Morcom.
Во-вторых, рост производства электроэнергии и развитие Национальной сети благоприятствовали появлению меньшего количества крупных генерирующих станций, а не небольших локальных станций первого поколения. Эти крупные станции могли более эффективно использовать большие паровые турбины и могли позволить себе сложные водотрубные котлы с высоким перегревом , используемые с ними.
Двигатель Carel, построенный SA des Moteurs á Grand Vitesse. Brevet Carel's из Sclessin-Liège , Бельгия, был очень похож на Willans. [20] Он использовал похожую компоновку парных цилиндров, в количестве от двух до восьми. Он также был построен для двойного и тройного расширения. Как и двигатель Willans, он использовал цилиндры одностороннего действия, а также использовал направляющую магистрали Willans с воздушной подушкой. Он отличался конструкцией своих клапанов, так как они были поворотными. Каждая пара цилиндров имела общий поворотный клапан между ними, приводимый в движение конической передачей с половинной скоростью . Как и локомотив Paget , клапаны были из чугуна и работали в гильзе из фосфористой бронзы внутри цилиндра. [21] Поскольку клапан и цилиндры должны работать синхронно, [iv] порты дублируются. Общее преимущество заключается в снижении линейной скорости клапана. Такие поворотные клапаны часто пробовали в этот период, но редко успешно. В то время смазка была затруднена, а перегрев был ограничен, если только клапаны не заклинивали. [20] [v]
Двигатель «Peache Patent» был произведен компанией Davey, Paxman & Co из Колчестера , которая построила 260 таких двигателей в период с 1895 по 1913 год. [22] Джеймс Кортхоуп Пич ранее работал в Willans & Robinson в качестве управляющего производством на заводе Ferry Works. Он покинул Willans в январе 1892 года, а в 1893 году обратился к Джеймсу Паксману с собственной конструкцией высокоскоростного одностороннего двигателя. Позже он вернулся в Willans, в 1904 году став директором компании, которая теперь базировалась в Рагби, а к 1908 году стал управляющим директором. [22]
Двигатель Peache рассматривался как еще один односторонний тандемный компаунд, хотя он имел необычную конструкцию цилиндра. Средний объем цилиндров высокого и низкого давления был общим, без обычного сальника для их изоляции. [22] Поршень высокого давления действует вниз, а низкого давления действует вверх. Пространство между поршнями, называемое «управляющим цилиндром», частично заполнено паром, отбираемым из цилиндра высокого давления. Поскольку он сжимается, когда поршни движутся вверх, он действует аналогично воздушной подушке Willans. [13]
Поршневые клапаны позади цилиндров работали с помощью радиального клапанного механизма , приводимого в действие шатуном. [22]
Необычно для парового двигателя, но несколько выгодно для двигателя одностороннего действия, Peache был двигателем desaxe . За счет небольшого смещения оси коленчатого вала и поршня, силы крейцкопфа оставались направленными к задней части двигателя на протяжении всего рабочего цикла. [22] Как и сам принцип одностороннего действия, это постоянное направление сил помогало уменьшить вибрацию и износ. [22]
Несколько примеров этих больших двигателей для генерации электроэнергии сохранились, включая Willans. Несколько примеров сохранились до сих пор, включая очень маленький в Музее науки . Это двигатель мощностью 10 кВт при 450 об/мин, который демонстрируется рядом с его оригинальной биполярной динамо-машиной. Также демонстрируется один цилиндр более крупного двигателя, разрезанный ( илл. ).
Трехцилиндровый генераторный агрегат 1901 года мощностью 140 л. с. был снят с эксплуатации в 1957 году из мебельного магазина Maples в Лондоне и выставлен на обозрение на оригинальной фабрике Willans в Рагби . В 2011 году он был отмечен премией Engineering Heritage Award . [23] [24] В 2017 году он был передан в Музей внутреннего огня — Музей энергетики в Западном Уэльсе. [25]
Трехцилиндровый двухступенчатый двигатель хранится в Музее науки и техники Каталонии (mNACTEC). [26]
