Паровой двигатель прямоточного типа использует пар, который течет только в одном направлении в каждой половине цилиндра. Термический КПД увеличивается за счет градиента температуры вдоль цилиндра. Пар всегда поступает в горячие концы цилиндра и выходит через порты в центре охладителя. За счет этого снижается относительный нагрев и охлаждение стенок цилиндра.
.jpg/1280px-Thinktank_Birmingham_-_object_1956S00658(1).jpg)
Поступление пара обычно контролируется тарельчатыми клапанами (которые действуют аналогично тем, которые используются в двигателях внутреннего сгорания ), которые приводятся в действие распределительным валом . Впускные клапаны открываются для впуска пара, когда в начале хода достигается минимальный объем расширения. В течение периода кривошипного цикла впускается пар, а затем впускное отверстие тарелки закрывается, позволяя пару продолжать расширяться во время хода, приводя в движение поршень. Ближе к концу хода поршень откроет кольцо выпускных отверстий, установленных радиально вокруг центра цилиндра. Эти порты соединены коллектором и трубами с конденсатором, что снижает давление в камере ниже атмосферного, вызывая быстрое истощение. Продолжающееся вращение кривошипа приводит в движение поршень. На анимации можно увидеть особенности прямоточного двигателя: большой поршень длиной почти в половину цилиндра, тарельчатые впускные клапаны на обоих концах, распределительный вал (движение которого происходит от движения карданного вала) и центральное кольцо. выпускных отверстий.
Двигатели с однопоточным потоком потенциально обеспечивают большее расширение в одном цилиндре без прохождения относительно холодного выхлопного пара через горячий конец рабочего цилиндра и паровые отверстия обычного парового двигателя с «противоточным потоком» во время такта выпуска. Это условие обеспечивает более высокий тепловой КПД. Выпускные отверстия открыты лишь на небольшую часть хода поршня, а выпускные отверстия закрываются сразу после того, как поршень начинает двигаться к впускному концу цилиндра. Пар, остающийся внутри цилиндра после закрытия выпускных отверстий, улавливается, и этот захваченный пар сжимается возвратным поршнем. Это термодинамически желательно, поскольку при этом горячий конец цилиндра предварительно нагревается перед поступлением пара. Однако риск чрезмерного сжатия часто приводит к тому, что на головках цилиндров располагаются небольшие дополнительные выпускные отверстия. Такая конструкция называется полупрямоточным двигателем.
Двигатели этого типа обычно имеют несколько цилиндров, расположенных рядно, и могут быть одно- или двустороннего действия. Особым преимуществом этого типа является то, что клапаны могут приводить в действие несколько распределительных валов, и за счет изменения относительной фазы этих распределительных валов количество впускаемого пара может быть увеличено для высокого крутящего момента на низкой скорости и может быть уменьшено при крейсерская скорость для экономии эксплуатации. В качестве альтернативы конструкции, использующие более сложную поверхность кулачка, позволяли изменять синхронизацию путем смещения всего распределительного вала в продольном направлении по сравнению с его толкателем, что позволяло изменять момент впуска. (Распределительный вал может перемещаться с помощью механических или гидравлических устройств.) А, изменяя абсолютную фазу, можно изменить направление вращения двигателя. Однопоточная конструкция также поддерживает постоянный температурный градиент в цилиндре, избегая прохождения горячего и холодного пара через один и тот же конец цилиндра.
На практике прямоточный двигатель имеет ряд эксплуатационных недостатков. Большая степень расширения требует большого объема цилиндра. Для получения максимальной потенциальной работы от двигателя требуется высокая скорость возвратно-поступательного движения, обычно на 80% выше, чем у двигателя двойного действия с противотоком. Это приводит к тому, что время открытия впускных клапанов становится очень коротким, что создает большую нагрузку на хрупкую механическую часть. Чтобы выдерживать огромные механические силы, двигатели должны быть прочными, а большой маховик должен сглаживать изменения крутящего момента, поскольку давление пара в цилиндре быстро возрастает и падает. Поскольку в цилиндре существует температурный градиент, металл стенки расширяется в разной степени. Это требует, чтобы отверстие цилиндра было обработано шире в холодном центре, чем на горячих концах. Если цилиндр не нагрет должным образом или в него попадет вода, хрупкий баланс может быть нарушен, что приведет к заклиниванию в середине хода или, возможно, к разрушению.
Прямоточный двигатель был впервые использован в Великобритании в 1827 году Джейкобом Перкинсом и запатентован в 1885 году Леонардом Дженнеттом Тоддом. Он был популяризирован немецким инженером Иоганном Штумпфом в 1909 году, когда годом ранее, в 1908 году, был выпущен первый коммерческий стационарный двигатель.
Принцип прямотока в основном использовался для промышленного производства электроэнергии, но также был опробован на нескольких железнодорожных локомотивах в Англии, таких как прямоточные локомотивы Северо-Восточной железной дороги № 825 1913 года и № 2212 1918 года [1] и Midland . Железнодорожный локомотив Пэджет . Эксперименты проводились также во Франции, [2] Германии, США и России. [1] Ни в коем случае результаты не были достаточно обнадеживающими для дальнейшего развития.
.jpg/1280px-1918_Atkinson,_on_display,_1977_(01).jpg)
Первое крупномасштабное использование двигателя Uniflow произошло в паровых вагонах Аткинсона в 1918 году. [3] Известно, что до сих пор существует только один такой паровой вагон; он был построен в 1918 году, провел свой срок службы и период заброшенности в Австралии, а затем был репатриирован в Англию и восстановлен Томом Варли в 1976-77 годах. [4] [5]
Окончательная коммерческая эволюция прямоточного двигателя произошла в Соединенных Штатах в конце 1930-х и 1940-х годах компанией Skinner Engine Company с разработкой морского парового двигателя Compound Unaflow. [1] Этот двигатель работает в шпильчатой конфигурации и обеспечивает эффективность, приближающуюся к современным дизелям. Многие автомобильные паромы на Великих озерах были так оборудованы, один из них до сих пор работает, SS Badger 1952 года . Эскортный авианосец класса «Касабланка » , самый плодовитый проект авианосца в истории, использовал два 5-цилиндровых двигателя Skinner Unaflow, но эти не были шпилями. Несоставной Skinner Uniflow оставался в эксплуатации до 2013 года на цементовозе Великих озер SS St. Marys Challenger , установленном, когда судно было повторно приведено в действие в 1950 году.
При небольших размерах (менее 1000 л.с. (750 кВт)) поршневые паровые двигатели намного более эффективны, чем паровые турбины. Солнечная электростанция Уайт-Клиффс использовала трехцилиндровый прямоточный двигатель с впускными клапанами типа « Баш » для выработки электрической мощности около 25 кВт.
Конфигурация прямоточного парового двигателя одностороннего действия очень напоминает конфигурацию двухтактного двигателя внутреннего сгорания, и можно преобразовать двухтактный двигатель в прямоточный паровой двигатель, подавая в цилиндр пар через « откидной клапан », установленный в место свечи зажигания. [6] Когда поднимающийся поршень приближается к вершине своего хода, он открывает ударный клапан, пропуская импульс пара. Клапан закрывается автоматически, когда поршень опускается, и пар выпускается через существующие отверстия цилиндра. Затем инерция маховика возвращает поршень обратно в верхнюю часть его хода против сжатия, как это происходит в исходной форме двигателя. Также, как и в оригинале, преобразование не запускается автоматически, и для запуска его необходимо включить с помощью внешнего источника питания. Примером такого преобразования является паровой мопед, который заводится педалью. [7]
