Клапанный механизм парового двигателя — это механизм, который управляет впускными и выпускными клапанами , пропуская пар в цилиндр и позволяя выхлопному пару выходить соответственно в нужных точках цикла. Он также может служить реверсивной передачей . 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 конструкция для парового двигателя, поскольку наибольшая мощность достигается за счет удержания впускного клапана открытым на протяжении всего рабочего хода (таким образом, при полном давлении в котле, за вычетом потерь в трансмиссии, против поршня на протяжении всего хода), в то время как пиковый КПД достигается. достигается за счет того, что впускной клапан открывается только на короткое время, а затем позволяет пару расширяться в цилиндре (расширительная работа).
Точка, в которой пар перестает поступать в цилиндр, называется точкой отсечки , 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 обычно предпочтительнее, поскольку это обеспечивает более эффективное использование котлового пара.
Дополнительную выгоду можно получить, впустив пар в цилиндр немного раньше передней или задней мертвой точки . Этот расширенный вход (также известный как свинцовый пар ) помогает смягчить инерцию движения на высокой скорости.
В двигателе внутреннего сгорания эту задачу выполняют кулачки на распределительном валу , приводящие в движение тарельчатые клапаны , но такое расположение обычно не используется в паровых двигателях, отчасти потому, что добиться изменения фаз газораспределения двигателя с помощью кулачков сложно. Вместо этого обычно используется система эксцентриков , кривошипов и рычагов для управления золотниковым клапаном D или поршневым клапаном от движения. Обычно два простых гармонических движения с разными фиксированными фазовыми углами добавляются в различных пропорциях, чтобы обеспечить выходное движение, переменное по фазе и амплитуде. За прошедшие годы были разработаны различные такие механизмы с переменным успехом.
Как золотниковые, так и поршневые клапаны имеют ограничение: события впуска и выпуска фиксированы по отношению друг к другу и не могут быть оптимизированы независимо. На паровых кромках клапана предусмотрен притир, так что, хотя ход клапана уменьшается по мере продвижения отсечки, клапан всегда полностью открыт для выпуска воздуха. Однако по мере сокращения отсечки события выхлопа также ускоряются. Точка выпуска выхлопных газов возникает раньше в рабочем такте, а сжатие - раньше в такте выпуска. При раннем выпуске часть энергии пара тратится впустую, а при раннем закрытии также тратится энергия на сжатие излишне большого количества пара. Другим эффектом раннего отключения является то, что клапан движется довольно медленно в точке отключения, и это создает точку сужения, из-за которой пар попадает в цилиндр при давлении ниже полного в котле (так называемое «волочение проволоки» пара, названное в честь процесс изготовления металлической проволоки путем протягивания ее через отверстие), еще один расточительный термодинамический эффект, видимый на индикаторной диаграмме .
Эта неэффективность привела к широкому распространению экспериментов с тарельчатыми клапанами 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 уж много локомотивов было оснащено тарельчатыми клапанами, но они были обычным явлением в паровых вагонах и грузовиках, например, практически все грузовики, локомотивы и железнодорожные вагоны Sentinel использовали тарельчатые клапаны. В очень поздней британской конструкции, классе SR Leader , использовались золотниковые клапаны, адаптированные от двигателей внутреннего сгорания, но этот класс не имел успеха.
В стационарных паровых машинах , тяговых двигателях и судовых двигателях недостатки клапанов и клапанных механизмов были среди факторов, приводящих к расширению соединения . В стационарных двигателях также широко использовались распределительные клапаны .
Клапанный механизм был благодатной почвой для изобретений: за годы было разработано, вероятно, несколько сотен вариаций. Однако лишь небольшое количество из них получили широкое распространение. Их можно разделить на те, которые приводят в движение стандартные возвратно-поступательные клапаны (будь то поршневые клапаны или золотниковые клапаны), те, которые используются с тарельчатыми клапанами, и неподвижные механизмы отключения двигателя , используемые с полуповоротными клапанами Корлисса или перепускными клапанами . [1]
Один компонент движения исходит от кривошипа или эксцентрика. Другой компонент поступает из отдельного источника, обычно это траверса .
.jpg/1280px-Stephenson_link_motion_(Heat_Engines,_1913).jpg)
Два эксцентрика, соединенные изогнутым или прямым звеном. Простое устройство, которое хорошо работает на низкой скорости. Говорят, что на высокой скорости передача типа Walscharts обеспечивает лучшее распределение пара и более высокий КПД.
Оба компонента движения происходят от одного кривошипа или эксцентрика. Проблема с этим устройством (применительно к локомотивам) заключается в том, что на один из компонентов движения влияет подъем и падение локомотива на его пружинах. Вероятно, это объясняет, почему в железнодорожной практике радиальные шестерни были в значительной степени вытеснены шестернями типа Вальшертса, но продолжали использоваться в тяговых и судовых двигателях.
Они позволяют построить 3-цилиндровый или 4-цилиндровый локомотив только с двумя комплектами клапанного механизма. Наиболее известен сопряженный клапанный механизм Гресли , используемый на 3-цилиндровых локомотивах. Шестерня Walscharts обычно используется для двух внешних цилиндров. Два рычага, соединенные со стержнями клапана внешнего цилиндра, приводят в движение клапан внутреннего цилиндра. Гарольд Холкрофт разработал другой метод сопряжения клапанного механизма, соединив средний цилиндр с узлом комбинированного рычага внешнего цилиндра, создав производную клапанную передачу Холкрофта . На 4-цилиндровом локомотиве устройство проще. Клапанный механизм может находиться внутри или снаружи, и для соединения клапанов на внутреннем и внешнем цилиндрах необходимы только короткие качающиеся валы.
В больших стационарных двигателях часто использовалась усовершенствованная форма клапанного механизма, разработанная Джорджем Генри Корлиссом, обычно называемая клапанным механизмом Корлисса . В этом механизме использовались отдельные клапаны для впуска и выпуска, чтобы можно было точно контролировать отсечку на впуске. Использование отдельных клапанов и каналов для впуска и выпуска пара также значительно снизило потери, связанные с конденсацией и повторным испарением в цилиндре. Эти функции привели к значительному повышению эффективности.
Направление движения и отсечка локомотива задаются из кабины с помощью реверсивного рычага или винтового реверсора, приводящего в действие тягу, идущую к собственно клапанному механизму. В некоторых более крупных паровых двигателях используется реверс мощности, представляющий собой сервомеханизм , обычно приводимый в движение паром. Это облегчает водителю управление задней передачей .