Составная паровая машина — это тип паровой машины , в которой пар расширяется в две или более стадии. [1] [2] Типичная конструкция составного двигателя заключается в том, что пар сначала расширяется в цилиндре высокого давления (ВД) , затем, отдав тепло и потеряв давление, он выбрасывается непосредственно в один или несколько нижних цилиндров большего объема. -баллоны давления (НД) . Двигатели многократного расширения используют дополнительные цилиндры с постепенно более низким давлением для извлечения дополнительной энергии из пара. [3]
Изобретенный в 1781 году, этот метод был впервые применен на корнуэльском балочном двигателе в 1804 году. Примерно в 1850 году составные двигатели были впервые внедрены на текстильных фабриках Ланкашира.
Существует множество составных систем и конфигураций, но есть два основных типа, в зависимости от того, как фазированы ходы поршней ВД и НД и, следовательно, может ли выхлоп ВД проходить непосредственно от ВД к НД ( соединения Вулфа ) или же колебания давления требуют промежуточное «буферное» пространство в виде паровой камеры или трубы, называемое ресивером ( приемник соединения). [4]
В паровом двигателе одинарного расширения (или «простом») пар высокого давления поступает в цилиндр под давлением котла через впускной клапан. Давление пара толкает поршень вниз по цилиндру до тех пор, пока клапан не закроется (например, после 25% хода поршня). После прекращения подачи пара захваченный пар продолжает расширяться, толкая поршень до конца своего хода, где выпускной клапан открывается и выбрасывает частично обедненный пар в атмосферу или в конденсатор. Это « отсечение » позволяет извлечь гораздо больше работы, поскольку расширение пара совершает дополнительную работу сверх той, которую совершает пар под давлением котла. [5]
Более раннее отключение увеличивает степень расширения, что в принципе позволяет извлечь больше энергии и повышает эффективность. В идеале пар должен расширяться адиабатически , а температура падать соответственно увеличению объема. Однако на практике материал окружающего цилиндра действует как резервуар тепла, охлаждая пар на ранней стадии расширения и нагревая его на более поздней стадии. Эти необратимые тепловые потоки снижают эффективность процесса, так что после определенного момента дальнейшее увеличение степени расширения фактически снизит эффективность, а также уменьшит среднее эффективное давление и, следовательно, мощность двигателя. [5]
Решение дилеммы было изобретено в 1804 году британским инженером Артуром Вульфом , который запатентовал свой составной двигатель высокого давления Вулфа в 1805 году. В составном двигателе пар под высоким давлением из котла сначала расширяется в цилиндре высокого давления (ВД) и затем поступает в один или несколько последующих баллонов низкого давления (LP). Полное расширение пара происходит в нескольких цилиндрах, и, поскольку расширение в каждом цилиндре меньше, пар меньше охлаждается в каждом цилиндре, что делает более практичными более высокие степени расширения и повышает эффективность двигателя.
Есть и другие преимущества: поскольку диапазон температур меньше, конденсация в цилиндре снижается. Потери из-за конденсации ограничиваются цилиндром низкого давления. Разница давлений в каждом цилиндре меньше, поэтому утечка пара через поршень и клапаны меньше. Поворотный момент более равномерен, поэтому балансировка проще, и можно использовать маховик меньшего размера. Только цилиндр высокого давления меньшего размера должен быть изготовлен так, чтобы выдерживать самое высокое давление, что снижает общий вес. Аналогичным образом, компоненты подвергаются меньшей нагрузке, поэтому они могут быть легче. Поступательно-поступательные части двигателя легче, что снижает вибрацию двигателя. Соединение можно было запустить в любой момент цикла, а в случае механического отказа соединение можно было перезапустить, чтобы оно действовало как простое, и, таким образом, продолжить работу. [4]
Чтобы получить равную работу от пара более низкого давления, требуется больший объем цилиндра, поскольку этот пар занимает больший объем. Поэтому диаметр цилиндра, а в редких случаях и ход поршня увеличиваются в цилиндрах низкого давления, что приводит к увеличению размеров цилиндров.
Двигатели двойного расширения (обычно называемые «составными») расширяют пар в две стадии, но это не означает, что все такие двигатели имеют два цилиндра. Они могут иметь четыре цилиндра, работающие как две пары LP-HP, или работа большого цилиндра LP может быть разделена на два цилиндра меньшего размера, при этом один цилиндр HP выбрасывает воздух в любой цилиндр LP, что дает трехцилиндровую компоновку, в которой цилиндр и поршень Диаметр всех трех примерно одинаковый, что облегчает балансировку возвратно-поступательных масс.
Двухцилиндровые соединения могут быть расположены как:
Применение компаундирования было широко распространено для стационарных промышленных установок, где требовалось увеличение мощности при снижении стоимости, и почти универсально для морских двигателей после 1880 года. Он не получил широкого распространения в железнодорожных локомотивах, где его часто считали сложным и непригодным для суровых условий эксплуатации. условия эксплуатации железных дорог и ограниченное пространство, предоставляемое погрузочной габаритом (особенно в Великобритании). Компаундирование никогда не было распространено на британских железных дорогах и вообще не применялось после 1930 года, но использовалось ограниченно во многих других странах. [6]
Первая успешная попытка управлять самолетом тяжелее воздуха исключительно на паровой силе произошла в 1933 году, когда Джордж и Уильям Беслер переоборудовали биплан Travel Air 2000 для полетов на паровом V-образном паровом двигателе с угловым соединением мощностью 150 л.с. их собственная конструкция вместо обычного рядного или радиального авиационного бензинового двигателя Curtiss OX-5, который он обычно использовал. [7] [8]
Это логическое расширение составного двигателя (описанного выше), позволяющее разделить расширение на еще большее количество этапов для повышения эффективности. Результатом является механизм многократного расширения . В таких двигателях используются три или четыре ступени расширения, и они известны как двигатели тройного и четверного расширения соответственно. В этих двигателях используется ряд цилиндров двойного действия с постепенно увеличивающимся диаметром и/или ходом и, следовательно, объемом. Эти цилиндры предназначены для разделения работы на три или четыре равные части, по одной на каждую ступень расширения. На соседнем изображении показана анимация двигателя тройного расширения. Пар проходит через двигатель слева направо. Клапанная коробка каждого из цилиндров находится слева от соответствующего цилиндра.
Хотя первые мельницы приводились в движение силой воды , с появлением паровых двигателей производителю больше не нужно было размещать мельницы с помощью проточной воды. Для удовлетворения спроса хлопкопрядению требовались все более крупные фабрики, и это заставило владельцев требовать все более мощных двигателей. Когда давление в котле превысило 60 фунтов на квадратный дюйм, составные двигатели достигли термодинамического преимущества, но именно механические преимущества более плавного хода стали решающим фактором при использовании компаундов. В 1859 году мощность двигателей на мельницах в районе Манчестера составляла 75 886 л.с. (указанная мощность [ihp] ), из которых 32 282 л.с. обеспечивались соединениями, хотя только 41 189 л.с. вырабатывалось котлами, работавшими под давлением более 60 фунтов на квадратный дюйм. [22]
Подводя итог, можно сказать, что между 1860 и 1926 годами все мельницы Ланкашира приводились в движение с помощью составных частей. Последний комплекс был построен Бакли и Тейлором для мельницы № 2 в Уай, Шоу . Этот двигатель имел перекрестную конструкцию мощностью 2500 л.с., приводил в движение 24-футовый 90-тонный маховик и работал до 1965 года .
В морской среде общим требованием была автономность и увеличенная дальность действия, поскольку судам приходилось перевозить запасы угля. Таким образом, старый котел с соленой водой больше не подходил, и его пришлось заменить замкнутым контуром пресной воды с конденсатором. Результатом, начиная с 1880 года, стал двигатель многократного расширения с тремя или четырьмя ступенями расширения ( двигатели тройного и четверного расширения ). В этих двигателях использовался ряд цилиндров двойного действия с постепенно увеличивающимся диаметром и/или ходом (и, следовательно, объемом), предназначенными для разделения работы на три или четыре, в зависимости от обстоятельств, равные части для каждой ступени расширения. Если пространство ограничено, для ступени низкого давления можно использовать два баллона меньшего размера с большим суммарным объемом. В двигателях многократного расширения цилиндры обычно располагались рядно, но использовались и другие конструкции. В конце 19 века балансировочная «система» Ярроу-Шлика-Твиди использовалась на некоторых морских двигателях тройного расширения. Двигатели YST разделили ступени расширения низкого давления между двумя цилиндрами, по одному на каждом конце двигателя. Это позволило лучше сбалансировать коленчатый вал, в результате чего двигатель стал работать более плавно, быстрее и работал с меньшей вибрацией. Это сделало 4-цилиндровый двигатель тройного расширения популярным на больших пассажирских лайнерах (таких как олимпийский класс ), но в конечном итоге он был заменен практически безвибрационной паровой турбиной .
Разработка этого типа двигателя была важна для его использования на пароходах, поскольку при выпуске в конденсатор воду можно было повторно использовать для питания котла, который не мог использовать морскую воду . Паровые двигатели наземного базирования могли просто выпустить большую часть своего пара, поскольку питательная вода обычно была легко доступна. До и во время Второй мировой войны расширительный двигатель доминировал в морской технике, где высокая скорость судна не была существенной. Когда требовалась скорость, например, для военных кораблей и океанских лайнеров , ее заменила паровая турбина . HMS Dreadnought 1905 года был первым крупным военным кораблем, заменившим проверенную технологию поршневого двигателя на новейшую на тот момент паровую турбину.
Для железнодорожных локомотивов основной выгодой от компаундирования была экономия топлива и воды, а также высокое соотношение мощности и веса из-за падения температуры и давления, происходящего в течение более длительного цикла, что привело к повышению эффективности; Дополнительные предполагаемые преимущества включали более равномерный крутящий момент.
Хотя конструкции составных локомотивов, возможно, датируются еще патентом Джеймса Сэмюэля на «локомотив непрерывного расширения» в 1856 году, [24] практическая история железнодорожных составов начинается с проектов Анатоля Малле в 1870-х годах. Локомотивы Mallet эксплуатировались в США до конца магистральных паровых линий Норфолкской и Западной железной дороги . Проекты Альфреда Джорджа де Глена во Франции также нашли широкое применение, особенно при реконструкции Андре Шапелона . Около 1900 года были опробованы самые разнообразные составные конструкции, но популярность большинства из них продлилась недолго из-за их сложности и необходимости обслуживания. В 20 веке пароперегреватель получил широкое распространение, и подавляющее большинство паровозов были простого расширения (некоторые составные локомотивы были преобразованы в простые). Инженеры поняли, что локомотивы на постоянной скорости работают наиболее эффективно при широко открытом регуляторе и раннем отключении, причем последнее осуществляется через реверсивный редуктор. Локомотив, работающий при очень раннем отключении пара (например, при 15% хода поршня), обеспечивает максимальное расширение пара с меньшими потерями энергии в конце хода. Перегрев исключает конденсацию и быструю потерю давления, которые в противном случае могли бы произойти при таком расширении.
В больших американских локомотивах для тормозов поезда использовались два перекрестных воздушных компрессора с паровым приводом, например, Westinghouse 8 1/2" 150-D [25] .
Презентация соответствует учебнику Зоммерфельда, который содержит диаграмму (рис. 17), которая не воспроизводится по соображениям авторского права. [26]
Рассмотрим 4-цилиндровый двигатель на корабле. Пусть x — вертикальное направление, z — продольное направление, а y — направление левый-правый борт. Пусть 4 цилиндра установлены в ряд по оси Z так, чтобы их поршни были направлены вниз. Поршни соединены с одним и тем же коленчатым валом посредством длинных вертикальных шатунов. Теперь настраиваем основные величины двигателя:
Теперь при работе двигателя вертикальное положение цилиндра равно . По тригонометрии мы имеем
Когда каждый цилиндр движется вверх и вниз, он оказывает на свою монтажную раму вертикальную силу, равную . Система YST призвана обеспечить максимально точное уравновешивание суммы всех четырех сил. В частности, он направлен на то, чтобы убедиться, что общая сила (вдоль оси X) и общий крутящий момент (вокруг оси Y) равны нулю:
Этого можно достичь, если
Теперь, подставляя уравнения, находим, что это означает (с точностью до второго порядка)
Подставив и разложив косинусные функции, мы увидим, что при произвольном множители должны обращаться в нуль по отдельности. Это дает нам возможность решить 8 уравнений, что в целом возможно, если в системе есть хотя бы 8 переменных, которые мы можем варьировать.
Из переменных системы фиксируются конструкцией цилиндров. Кроме того, абсолютные значения не имеют значения, имеют значение только их соотношения. В совокупности это дает нам 9 переменных, которые можно изменять: .
Для системы YST требуется как минимум 4 цилиндра. При трех цилиндрах тот же вывод дает нам возможность варьировать только 6 переменных, чего недостаточно для решения всех 8 уравнений.
Система YST используется на таких кораблях, как SS Kaiser Wilhelm der Grosse и SS Deutschland (1900 г.) . [27]
^ Фазировка цилиндров: в двухцилиндровых соединениях, используемых на железнодорожном транспорте, поршни соединяются с кривошипами, как и в простом двухцилиндровом двигателе, со сдвигом фазы друг относительно друга на 90 ° ( четверть ).
Когда группа двойного расширения дублируется, образуя четырехцилиндровый агрегат, отдельные поршни внутри группы обычно балансируются под углом 180°, а группы устанавливаются под углом 90° друг к другу. В одном случае (первый тип соединения Vauclain ) поршни работали в одной фазе, приводя в движение общую крейцкопф и кривошип, снова установленные под углом 90°, как для двухцилиндрового двигателя.
При трехцилиндровой компоновке кривошипы LP либо были установлены на 90°, а кривошипы HP - на 135° по отношению к двум другим, или в некоторых случаях все три кривошипа устанавливались на 120°.
^ ihp:
мощность мельничного двигателя первоначально измерялась в номинальной мощности в лошадиных силах , но эта система занижала мощность составной системы Макнота, подходящей для составных частей, ihp или указанной мощности в лошадиных силах. Как правило, в составном двигателе мощность л.с. в 2,6 раза превышает мощность л.с. [28]
{{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь )