Катаракта была устройством регулирования скорости, использовавшимся в ранних односторонних двигателях , в частности, в атмосферных двигателях и двигателях Корнуолла . Это было что-то вроде водяных часов .
Катаракта существенно отличается от центробежного регулятора тем, что она контролирует не скорость хода поршня двигателя, а скорее время между ходами поршня.
.jpg/1280px-Cataract_(Steam_and_the_Steam_Engine_-_Land_and_Marine,_1875).jpg)
Типичная установка самодельного двигателя балки охватывала четыре этажа. Цилиндр и обычное рабочее место машиниста двигателя располагались в «нижней камере», примерно на уровне земли. Выше находилась «средняя камера» с верхней крышкой цилиндра и «верхним соплом» (верхняя клапанная коробка), а над ней — «верхняя камера» или камера балки. [3] Катаракты располагались в самой нижней части машинного отделения, в камере под нижней камерой, вместе с выхлопной трубой. Это пространство было неудобным для доступа и не посещалось при нормальной работе.
Клапанный механизм (или «рабочая шестерня») двигателя Ньюкомена или Корниша основан на штоке поршня . Это вертикальный стержень, подвешенный к балке и движущийся параллельно поршню. К этому стержню прикреплены регулируемые толкатели . Эти толкатели ударяют по длинным изогнутым железным рычагам или «рогам», которые установлены на трех горизонтальных валах или «валах». [i] Каждый вал управляет одним из клапанов двигателя. Для циклов Корниша эти клапаны представляют собой верхний паровой впуск в верхнюю часть цилиндра, уравновешивающий клапан, который связывает верхнюю и нижнюю части цилиндра, и нижние выпускные и впрыскивающие клапаны конденсационной воды, которые имеют общий вал. [4] В отличие от большинства других паровых двигателей, эти двигатели могли работать прерывисто: делая один ход перед остановкой и ожидая повторного запуска клапанов. [5] Скорость каждого рабочего хода или «входа в помещение» была особенностью двигателя и не могла быть легко изменена, но не было необходимости в том, чтобы двигатели работали непрерывно, ход за ходом. [4] [6] Это было прямой противоположностью двигателю с вращающейся балкой и вращательной природе почти всех других паровых двигателей. В оригинальном цикле Ньюкомена скорость обратного хода изменялась в зависимости от давления в котле, хотя это все еще не влияло на силу или скорость рабочего хода. [7]
Использование катаракты может позволить двигателю работать только на трети его нерегулируемой скорости. [8] Когда насосная нагрузка была переменной, катаракты также могли подключаться и отключаться по мере необходимости, позволяя двигателю работать на полной скорости в течение определенного периода, а затем останавливаться в промежутке. [9]
Сама катаракта напоминала небольшой плунжерный насос . [2] Это был железный ящик в цистерне, наполненной водой, с плунжером или поршнем, установленным сверху и прижатым вниз грузом. Вода внутри насоса могла выходить только через небольшой кран или клапан. [10] [11] По мере того, как плунжер постепенно опускался, его движение передавалось вверх качающимся рычагом и штоком к клапанному механизму в средней камере. Как только шток поднимался достаточно высоко, это открывало первый клапан, чтобы впустить пар в верхнюю часть цилиндра, начиная новый ход. [ii]
После начала удара качающийся рычаг катаракты толкался вниз двигателем. Это поднимало плунжер, который действовал как всасывающий насос внутри катаракты, чтобы заполнить плунжерную коробку через клапан из окружающей ее цистерны. [13] Цистерна поддерживалась заполненной водой с помощью насоса, который приводил в действие сам двигатель.
Клапан выпуска воды управлялся стержнем из нижней камеры. Это использовалось водителем двигателя для управления рабочей скоростью в соответствии с требуемой работой. [13]
Приводной стержень катаракты также имел винтовой регулятор, который действовал для изменения времени впрыска воды (Ньюкомен) или фазировки между впускными и выпускными клапанами (Корниш). [13] Это можно было использовать для обеспечения более длительного и эффективного времени конденсации, если подача конденсационной воды была теплой, как летом. Однако эта регулировка, по-видимому, была плохо понята и мало использовалась водителями двигателей. [10]
Катаракта впервые появилась на двигателях Ньюкомена в Корнуолле, хотя их изобретатель неизвестен. Они были известны во времена Смитона , и они могут быть еще одним из усовершенствований двигателя Ньюкомена, за которое он отвечал. [6] Джеймс Уатт столкнулся с ними во время своей поездки в Корнуолл в 1777 году. [14] Они были более простого типа, эти ранние катаракты или «джек в коробке» представляли собой простую кувыркающуюся коробку: деревянная коробка на шарнире заполнялась водой через регулируемый кран. [6] Когда коробка заполнялась достаточно, чтобы вызвать перевес, срабатывал клапан впрыска двигателя.
Болтон и Уатт использовали простую конструкцию катаракты с кувыркающимся ящиком в течение нескольких лет после этого, примерно до 1779 года. [15] [16] После этого использовались другие конструкции, включая водный катаракт, где использовалась та же вода и непрерывно рециркулировалась, а также воздушный катаракт с использованием кольцевых мехов. Воздушный катаракт этого типа поставлялся для шахты Ale and Cakes. Конструкция плунжерного насоса катаракты появилась в Корнуолле к 1785 году, но не была изобретением Уатта. [15]
Термин «катаракта» стал синонимом слова «dashpot» , по крайней мере, там, где это было связано с паровыми двигателями и их регуляторами. Они использовались в качестве демпфирующего устройства, чтобы избежать чрезмерной чувствительности центробежных регуляторов. [17]
Катаракты также использовались в качестве устройства безопасности при превышении скорости для водяных насосов прямого действия. [iii] Качели или «дифференциальный» рычаг помещались между поршневым штоком насоса и катарактой, настроенной на нормальную рабочую скорость насоса. Если насос внезапно ускорялся из-за разрыва насоса или чего-то подобного, поршень обгонял катаракту, и действие дифференциального рычага затем закрывало паровой впускной клапан насоса и останавливало насос, ограничивая возможный ущерб. [18]
Катаракта, как и большинство регуляторов, является примером сервомеханизма . Однако в отличие от более известного центробежного регулятора Уатта, это управление с открытым контуром , а не с замкнутым контуром . Катаракта работает на своей собственной скорости, но не измеряет результирующую скорость двигателя. Катаракта также была описана как «водяные часы». [15] Это предполагает, что связь между работой катаракты и скоростью двигателя фиксирована, что является допустимым предположением для двигателя с балкой, поскольку катаракта управляет синхронизацией хода двигателя, а не переменной мощностью или дроссельным клапаном. Когда регулятор управляет таким дроссельным клапаном, как в случае регулятора Уатта, скорость двигателя зависит от сложной и непредсказуемой связи между нагрузкой двигателя, положением клапана и изменяющейся эффективностью двигателя. Такие регуляторы должны использовать управление с замкнутым контуром, если они хотят поддерживать эффективное и точное регулирование.
Одним из преимуществ независимой и открытой природы управления катарактой было то, что два двигателя могли быть настроены на работу синхронно, но в противофазе . С насосными двигателями это давало более равномерный выход для их накачки. [19]
Хотя центробежный регулятор уже был известен по использованию в водяных и ветряных мельницах , только в 1788 году Уатт первым применил его в паровой машине. [20] Это был « Lap Engine », ранний ротационный двигатель, который сейчас хранится в Музее науки в Лондоне .
В случае ротационного двигателя необходимо было контролировать скорость, с которой двигатель двигался на протяжении всего хода, а не просто изменять время между ходами. Это требовало использования дроссельного клапана в системе подачи пара, контролируемого регулятором. Поскольку нагрузка на мельничные двигатели и аналогичные устройства могли меняться, также требовалось управление с обратной связью, например, центробежный регулятор на основе скорости двигателя. [20] Таким образом, катаракта не использовалась в ротационных двигателях, даже там, где в Корнуолле все еще использовались односторонние двигатели с обмоткой Cornish. [21]
Двигатели Cornish не поддавались управлению с помощью дроссельного клапана, поскольку их рабочий цикл зависел от времени конденсации больше, чем от дросселированной подачи пара. Невращающиеся лучевые двигатели также не имели простых средств для управления центробежным регулятором. По этим причинам катаракта оставалась в эксплуатации так же долго, как и двигатель Cornish. [22]
