Морской паровой двигатель — это паровой двигатель , который используется для приведения в действие корабля или лодки . В этой статье в основном рассматриваются морские паровые двигатели возвратно-поступательного типа, которые использовались с момента появления парохода в начале 19 века до последних лет их крупномасштабного производства во время Второй мировой войны . В течение 20 века поршневые паровые двигатели постепенно заменялись в морских применениях паровыми турбинами и морскими дизельными двигателями .
Первый коммерчески успешный паровой двигатель был разработан Томасом Ньюкоменом в 1712 году. Усовершенствования парового двигателя, внесенные Джеймсом Уаттом во второй половине 18-го века, значительно повысили эффективность парового двигателя и позволили создать более компактные двигатели. Успешной адаптации парового двигателя к морским применениям в Англии пришлось ждать почти столетие после Ньюкомена, когда шотландский инженер Уильям Саймингтон построил «первый в мире практический пароход », Charlotte Dundas , в 1802 году. [1] Соперничающие изобретатели Джеймс Рамси и Джон Фитч были первыми, кто построил пароходы в Соединенных Штатах. Рамси продемонстрировал свой проект парохода в 1787 году на реке Потомак; однако Фитч выиграл соревнование в 1790 году после того, как его успешные испытания привели к пассажирскому сообщению на реке Делавэр. [2] В 1807 году американец Роберт Фултон построил первый в мире коммерчески успешный пароход, известный просто как « North River Steamboat» , и оснащенный двигателем Уатта.
После успеха Фултона пароходная технология быстро развивалась по обе стороны Атлантики . Первоначально пароходы имели небольшую дальность плавания и не были особенно мореходными из-за своего веса, малой мощности и склонности к поломкам, но они успешно использовались на реках и каналах, а также для коротких поездок вдоль побережья. Первое успешное трансатлантическое пересечение пароходом произошло в 1819 году, когда « Саванна» отплыла из Саванны, штат Джорджия, в Ливерпуль, Англия . Первым пароходом, совершившим регулярные трансатлантические переходы, был колесный пароход Great Western в 1838 году. [3]
В течение 19 века морские паровые двигатели и технология пароходства развивались бок о бок. Гребной двигатель постепенно уступил место гребному винту , а введение железных, а позднее и стальных корпусов вместо традиционных деревянных позволило судам становиться все больше, что потребовало паровых силовых установок, которые становились все более сложными и мощными. [4]
В течение 19 века было разработано большое разнообразие поршневых морских паровых двигателей. Два основных метода классификации таких двигателей — по механизму соединения и по технологии цилиндра .
Большинство ранних морских двигателей имели одинаковую технологию цилиндра (простое расширение, см. ниже), но использовались различные методы подачи мощности на коленчатый вал (т. е. механизм соединения). Таким образом, ранние морские двигатели классифицируются в основном по механизму соединения. Некоторые распространенные механизмы соединения были боковым рычагом, шпилем, шагающей балкой и прямого действия (см. следующие разделы).
Однако паровые двигатели также можно классифицировать по технологии цилиндров (простого расширения, составные, кольцевые и т. д.). Поэтому можно найти примеры двигателей, классифицированных по обоим методам. Двигатель может быть составным с шагающими балками, где составной является технология цилиндров, а шагающей балкой является метод соединения. Со временем, поскольку большинство двигателей стали двигателями прямого действия, а технологии цилиндров усложнились, люди начали классифицировать двигатели исключительно по технологии цилиндров.
Наиболее часто встречающиеся типы паровых двигателей для морских судов перечислены в следующих разделах. Обратите внимание, что не все эти термины являются исключительными для морских приложений.
Двигатель с боковым рычагом был первым типом парового двигателя, широко принятым для использования на море в Европе . [5] [6] В первые годы парового судоходства (с 1815 года) двигатель с боковым рычагом был наиболее распространенным типом морского двигателя для внутренних водных путей и прибрежного обслуживания в Европе, и в течение многих лет он оставался предпочтительным двигателем для океанского обслуживания по обе стороны Атлантики . [ 7]
Боковой рычаг был адаптацией самой ранней формы парового двигателя, двигателя с балкой . Типичный двигатель с боковым рычагом имел пару тяжелых горизонтальных железных балок, известных как боковые рычаги, которые соединялись в центре с нижней частью двигателя с помощью штифта. Это соединение позволяло рычагам вращаться по ограниченной дуге. Эти рычаги простирались со стороны цилиндра к каждой стороне нижней части вертикального цилиндра двигателя. Поршневой шток, соединенный вертикально с поршнем, выступал из верхней части цилиндра. Этот шток был прикреплен к горизонтальной траверсе, соединенной на каждом конце с вертикальными стержнями (известными как боковые стержни). Эти стержни соединялись с рычагами с каждой стороны цилиндра. Это образовывало соединение рычагов с поршнем на стороне цилиндра двигателя. Другая сторона рычагов (противоположный конец шарнира рычага к цилиндру) были соединены друг с другом с помощью горизонтального крестовины. Эта крестовина, в свою очередь, соединялась и управляла одним шатуном , который вращал коленчатый вал . Вращение коленчатого вала осуществлялось рычагами, которые со стороны цилиндра приводились в действие вертикальными колебаниями поршня. [8]
Главным недостатком двигателя с боковым рычагом было то, что он был большим и тяжелым. [6] Для внутренних водных путей и прибрежного обслуживания его вскоре заменили более легкие и эффективные конструкции. Однако он оставался доминирующим типом двигателя для океанского обслуживания на протяжении большей части первой половины 19-го века из-за своего относительно низкого центра тяжести , что давало кораблям большую устойчивость в бурных морях. [7] Это был также распространенный ранний тип двигателя для военных кораблей, [9] поскольку его относительно небольшая высота делала его менее восприимчивым к повреждениям в бою. С первого парового судна Королевского флота в 1820 году до 1840 года в эксплуатацию поступило 70 паровых судов, большинство из которых были оснащены двигателями с боковым рычагом, использующими котлы, установленные на максимальное давление 4 фунта на квадратный дюйм. [9] Низкое давление пара диктовало большие размеры цилиндров для двигателей с боковым рычагом, хотя эффективное давление на поршень было разницей между давлением в котле и вакуумом в конденсаторе.
Двигатель с боковым рычагом был гребным колесом и не подходил для привода винтовых винтов . Последним судном, построенным для трансатлантических перевозок, на котором был установлен двигатель с боковым рычагом, был колесный пароход RMS Scotia компании Cunard Line , считавшийся анахронизмом, когда он вошел в эксплуатацию в 1862 году. [10]
Двигатель «кузнечик» или «полурычаг» [11] был вариантом двигателя с боковым рычагом. Двигатель «кузнечик» отличается от обычного двигателя с боковым рычагом тем, что расположение оси рычага и шатуна более или менее поменяно местами, причем ось расположена на одном конце рычага вместо центра, в то время как шатун прикреплен к рычагу между цилиндром на одном конце и осью на другом. [12]
Главными преимуществами двигателя Grasshopper были дешевизна конструкции и надежность, при этом тип, как говорят, требовал меньше обслуживания, чем любой другой тип морского парового двигателя. Другим преимуществом является то, что двигатель можно было легко запустить из любого положения рукоятки. Однако, как и обычный двигатель с боковым рычагом, двигатели Grasshopper имели недостатки из-за своего веса и размера. Они в основном использовались на небольших судах, таких как речные суда и буксиры . [12]
Двигатель крейцкопфа, также известный как квадратный , лесопильный или двигатель А-рамы , был типом гребного колеса, использовавшегося в Соединенных Штатах. Это был наиболее распространенный тип двигателя в первые годы американского парового судоходства. [13]
Двигатель крейцкопфа описывается как имеющий вертикальный цилиндр над коленчатым валом, с поршневым штоком, закрепленным на горизонтальной крейцкопфе, от каждого конца которой, на противоположных сторонах цилиндра, выступал шатун, который вращал свой собственный отдельный коленчатый вал. [14] Крейцкопф перемещался внутри вертикальных направляющих, так что узел сохранял правильный путь при движении. [15] Альтернативное название двигателя — «А-образная рама» — предположительно произошло от формы рам, которые поддерживали эти направляющие. Некоторые двигатели крейцкопфа имели более одного цилиндра, и в этом случае поршневые штоки обычно все были соединены с одной и той же крейцкопфой. Необычной особенностью ранних образцов этого типа двигателя была установка маховиков, соединенных с коленчатыми валами, которые считались необходимыми для обеспечения плавной работы. Эти шестерни часто были шумными в работе.
Поскольку в этом типе двигателя цилиндр находился над коленчатым валом, он имел высокий центр тяжести и поэтому считался непригодным для эксплуатации в океане. [16] Это в значительной степени ограничивало его применение судами, построенными для внутренних водных путей. [14] Поскольку морские двигатели постоянно становились больше и тяжелее в течение 19 века, высокий центр тяжести двигателей с квадратной головкой становился все более непрактичным, и к 1840-м годам судостроители отказались от них в пользу двигателей с шагающими балками. [17]
Название этого двигателя может вызвать путаницу, так как «crosshead» также является альтернативным названием для двигателя steeple (ниже). Многие источники предпочитают называть его неформальным названием «квадратный» двигатель, чтобы избежать путаницы. Кроме того, морской крейцкопфный или квадратный двигатель, описанный в этом разделе, не следует путать с термином « квадратный двигатель », применяемым к двигателям внутреннего сгорания , который в последнем случае относится к двигателю, диаметр которого равен его ходу .
Шагающая балка, также известная как «вертикальная балка», «верхняя балка» или просто «балка», была еще одной ранней адаптацией двигателя балки, но ее использование было ограничено почти полностью Соединенными Штатами. [18] После своего появления шагающая балка быстро стала самым популярным типом двигателя в Америке для внутренних водных путей и прибрежного обслуживания, и этот тип оказался удивительно долговечным, причем двигатели с шагающей балкой все еще иногда производились вплоть до 1940-х годов. В морских применениях сама балка, как правило, была усилена железными распорками, которые придавали ей характерную ромбовидную форму, хотя опоры, на которых покоилась балка, часто были сделаны из дерева. Прилагательное «шагающий» было применено, потому что балку, которая возвышалась высоко над палубой корабля, можно было видеть работающей, и ее качательное движение (несколько причудливо) сравнивали с движением ходьбы.
Двигатели с шагающими балками были разновидностью гребного колеса и редко использовались для приведения в действие винтов. Они использовались в основном для кораблей и лодок, работающих на реках, озерах и вдоль береговой линии, но были менее популярным выбором для морских судов, поскольку большая высота двигателя делала судно менее устойчивым в бурных водах. [19] Они также имели ограниченное применение в военных целях, поскольку двигатель был открыт для огня противника и, таким образом, мог быть легко выведен из строя. Их популярность в Соединенных Штатах была обусловлена в первую очередь тем фактом, что двигатель с шагающими балками хорошо подходил для мелкосидящих лодок , которые работали на мелководных прибрежных и внутренних водных путях Америки. [18]
Двигатели с шагающими балками оставались популярными на американских судоходных линиях и экскурсионных судах вплоть до начала 20-го века. Хотя двигатель с шагающими балками был технически устаревшим в конце 19-го века, он оставался популярным среди пассажиров экскурсионных пароходов, которые ожидали увидеть «шагающую балку» в движении. Были также технические причины для сохранения двигателя с шагающими балками в Америке, так как его было легче построить, и требовалось меньше точности в его конструкции. Дерево можно было использовать для основной рамы двигателя, что было гораздо дешевле, чем типичная практика использования чугунного литья для более современных конструкций двигателей. Топливо также было намного дешевле в Америке, чем в Европе, поэтому более низкая эффективность двигателя с шагающими балками не имела большого значения. Филадельфийский судостроитель Чарльз Х. Крамп считал , что общая неконкурентоспособность Америки по сравнению с британской судостроительной промышленностью в середине-конце XIX века объясняется консерватизмом американских судостроителей и владельцев судоходных линий, которые упорно цеплялись за устаревшие технологии, такие как шагающая балка и связанное с ней гребное колесо, даже после того, как в других частях мира от них отказались. [20]
Двигатель с крейцкопфом, иногда называемый двигателем «крейцкопф», был ранней попыткой отойти от концепции балки, общей как для шагающего типа, так и для типа с боковым рычагом, и придумать более меньшую, легкую и эффективную конструкцию. В двигателе с крейцкопфом вертикальное колебание поршня не преобразуется в горизонтальное качательное движение, как в двигателе с крейцкопфом, а вместо этого используется для перемещения узла, состоящего из крейцкопфа и двух стержней, через вертикальную направляющую в верхней части двигателя, которая, в свою очередь, вращает шатун коленчатого вала ниже. [21] В ранних образцах этого типа узел крейцкопфа имел прямоугольную форму, но со временем он был усовершенствован до вытянутого треугольника. Треугольный узел над цилиндром двигателя придает двигателю его характерную форму «шпиля», отсюда и название.
Двигатели Steeple были высокими, как двигатели с шагающими балками, но гораздо уже по бокам, что экономило и пространство, и вес. Из-за своей высоты и высокого центра тяжести они, как и шагающие балки, считались менее подходящими для океанской службы, но оставались очень популярными в течение нескольких десятилетий, особенно в Европе, для судов внутреннего плавания и прибрежных судов. [22]
Двигатели типа «стипл» начали появляться на пароходах в 1830-х годах, а в начале 1840-х годов этот тип был усовершенствован шотландским судостроителем Дэвидом Нейпиром . [23] Двигатель типа «стипл» постепенно вытеснялся различными типами двигателей прямого действия.
Сиамский двигатель, также называемый «двухцилиндровым» или «двухцилиндровым», был еще одной ранней альтернативой двигателю с балкой или боковым рычагом. Этот тип двигателя имел два одинаковых вертикальных цилиндра двигателя, расположенных бок о бок, поршневые штоки которых были прикреплены к общей Т-образной крейцкопфе. Вертикальный рычаг крейцкопфа простирался вниз между двумя цилиндрами и был прикреплен внизу как к шатуну коленчатого вала, так и к направляющему блоку, который скользил между вертикальными сторонами цилиндров, позволяя узлу сохранять правильный путь при движении. [24]
Сиамский двигатель был изобретен британским инженером Джозефом Модсли (сыном Генри ), но хотя он изобрел его после своего осциллирующего двигателя (см. ниже), он не получил такого же широкого признания, поскольку был лишь незначительно меньше и легче двигателей с боковыми рычагами, которые он был призван заменить. [25] Однако он использовался на ряде военных кораблей середины века, включая первый военный корабль, оснащенный гребным винтом, HMS Rattler .
В литературе 19 века встречаются два определения двигателя прямого действия. Более раннее определение применяет термин «прямого действия» к любому типу двигателя, кроме двигателя с балкой (т. е. шагающего бруса, бокового рычага или кузнечика). Более позднее определение использует этот термин только для двигателей, которые передают мощность непосредственно на коленчатый вал через поршневой шток и/или шатун. [26] Если не указано иное, в этой статье используется более позднее определение.
В отличие от двигателя с боковым рычагом или балочного двигателя, двигатель прямого действия можно было легко адаптировать для питания как гребных колес, так и гребного винта. Помимо того, что двигатели прямого действия имели более низкий профиль, они имели то преимущество, что были меньше и весили значительно меньше, чем двигатели с балочным рычагом или боковым рычагом. Королевский флот обнаружил, что в среднем двигатель прямого действия (раннее определение) весил на 40% меньше и требовал машинного отделения размером всего в две трети от такового для двигателя с боковым рычагом эквивалентной мощности. Одним из недостатков таких двигателей было то, что они были более подвержены износу и, следовательно, требовали большего обслуживания. [25]
Колебательный двигатель был типом двигателя прямого действия, который был разработан для достижения дальнейшего уменьшения размера и веса двигателя. Колебательные двигатели имели поршневые штоки, соединенные непосредственно с коленчатым валом, что исключало необходимость в шатунах. Чтобы достичь этого, цилиндры двигателя не были неподвижны, как в большинстве двигателей, а закреплялись посередине цапфами, которые позволяли самим цилиндрам поворачиваться вперед и назад при вращении коленчатого вала — отсюда и термин, колебательный . [27] Пар подавался и выпускался через цапфы. Колебательное движение цилиндра обычно использовалось для выравнивания отверстий в цапфах, чтобы направлять подачу и выпуск пара в цилиндр в нужное время. Однако часто предусматривались отдельные клапаны, управляемые колебательным движением. Это позволяло изменять синхронизацию, чтобы обеспечить экспансивную работу (как в двигателе на колесном судне PD Krippen ). Это обеспечивает простоту, но все еще сохраняет преимущества компактности.
Первый запатентованный двигатель колебательного типа был построен Джозефом Модсли в 1827 году, но считается, что этот тип был усовершенствован Джоном Пенном . Двигатель колебательного типа оставался популярным типом морского двигателя на протяжении большей части 19 века. [27]
Двигатель с тронковым расположением цилиндров, еще один тип двигателя прямого действия, изначально был разработан как средство уменьшения высоты двигателя при сохранении длинного хода поршня . (В то время длинный ход поршня считался важным, поскольку он снижал нагрузку на компоненты.)
Двигатель с багажником размещает шатун внутри полого поршня большого диаметра. Этот «хобот» почти не несет нагрузки. Внутренняя часть багажника открыта для внешнего воздуха и достаточно широка, чтобы обеспечить боковое движение шатуна, который соединяет поршневой палец на головке поршня с внешним коленчатым валом.
Стенки ствола либо привинчивались к поршню, либо отливались как одно целое с ним и двигались вперед и назад вместе с ним. Рабочая часть цилиндра имеет кольцевую или кольцевую форму, ствол проходит через центр самого цилиндра. [28] [29]
Ранние образцы двигателей с тронковым расположением цилиндров имели вертикальные цилиндры. Однако судостроители быстро поняли, что этот тип достаточно компактен, чтобы располагаться горизонтально поперек киля . В этой конфигурации он был очень полезен для флота, так как имел достаточно низкий профиль, чтобы полностью поместиться ниже ватерлинии корабля , максимально защищенный от вражеского огня. Этот тип в основном производился для военной службы Джоном Пенном.
Двигатели Trunk были распространены на военных кораблях середины 19 века. [29] Они также приводили в действие коммерческие суда, где, хотя и ценились за компактный размер и низкий центр тяжести, они были дороги в эксплуатации. Однако двигатели Trunk плохо работали с более высоким давлением в котле , которое стало распространенным во второй половине 19 века, и строители отказались от них в пользу других решений. [29]
Двигатели ствола обычно были большими, но небольшая, массовая, высокооборотная, высоконапорная версия была произведена для Крымской войны. Будучи довольно эффективным, этот тип сохранился в более поздних канонерских лодках. [30] Оригинальный двигатель ствола канонерского типа находится в Музее Западной Австралии во Фримантле . После того, как он затонул в 1872 году, он был поднят в 1985 году с SS Xantho и теперь его можно переворачивать вручную. [31] Режим работы двигателя, иллюстрирующий его компактную природу, можно увидеть на веб-сайте проекта Xantho . [32]
_vibrating-lever_engine.jpg/1280px-USS_Monadnock_(1863)_vibrating-lever_engine.jpg)
Вибрационный рычаг, или двигатель с полустволом , был развитием обычного двигателя с стволом, задуманного шведско - американским инженером Джоном Эрикссоном . Эрикссону нужен был небольшой, низкопрофильный двигатель, такой как двигатель с стволом, для питания мониторов федерального правительства США , типа военного корабля, разработанного во время Гражданской войны в США , на котором было очень мало места для обычной силовой установки. [33] Однако сам двигатель с стволом был непригоден для этой цели, поскольку преобладание веса приходилось на ту сторону двигателя, где находились цилиндр и ствол — проблема, которую конструкторы не могли компенсировать на небольших военных кораблях с створом.
Эрикссон решил эту проблему, разместив два горизонтальных цилиндра спина к спине в середине двигателя, приводя в действие два «вибрирующих рычага», по одному с каждой стороны, которые посредством валов и дополнительных рычагов вращали расположенный по центру коленчатый вал. [33] Двигатели с вибрирующим рычагом позже использовались на некоторых других военных кораблях и торговых судах, но их применение ограничивалось судами, построенными в Соединенных Штатах и на родине Эрикссона, в Швеции, [34] и поскольку они имели мало преимуществ по сравнению с более традиционными двигателями, вскоре были вытеснены другими типами.
Двигатель обратного действия, также известный как двигатель с возвратным шатуном , был еще одним двигателем, разработанным для очень низкого профиля. Двигатель обратного действия был по сути модифицированным двигателем с шатунами, установленным горизонтально поперек киля судна, а не стоящим вертикально над ним. [34] Однако вместо треугольного узла крейцкопфа, встречающегося в типичном двигателе с шатунами, двигатель обратного действия обычно использовал набор из двух или более удлиненных параллельных поршневых штоков, заканчивающихся крейцкопфом, для выполнения той же функции. Термин «обратнодействующий» или «возвратный шатун» происходит от того факта, что шатун «возвращается» или возвращается со стороны двигателя, противоположной цилиндру двигателя, чтобы вращать центрально расположенный коленчатый вал. [35]
Двигатели обратного действия были еще одним типом двигателей, популярным как на военных кораблях, так и на коммерческих судах в середине 19-го века, но, как и многие другие типы двигателей в эту эпоху быстро меняющихся технологий, они в конечном итоге были заброшены в пользу других решений. Известен только один сохранившийся двигатель обратного действия — двигатель TV Emery Rice (ранее USS Ranger ), который теперь является центральным экспонатом экспозиции в Американском музее торгового флота . [36] [37]
Поскольку пароходы неуклонно росли в размерах и тоннаже в течение 19-го века, потребность в двигателях с низким профилем и низким центром тяжести соответственно снижалась. Все больше освобождаясь от этих ограничений конструкции, инженеры смогли вернуться к более простым, более эффективным и более простым в обслуживании конструкциям. Результатом стало растущее доминирование так называемого «вертикального» двигателя [26] (более правильно известного как вертикальный перевернутый двигатель прямого действия ).
В этом типе двигателя цилиндры расположены непосредственно над коленчатым валом, а поршневые стержни/шатуны образуют более или менее прямую линию между ними. [26] Конфигурация похожа на конфигурацию современного двигателя внутреннего сгорания (одним заметным отличием является то, что паровой двигатель является двигателем двойного действия, см. ниже, тогда как почти все двигатели внутреннего сгорания генерируют мощность только в ходе вниз). Вертикальные двигатели иногда называют двигателями «молот», «кузнечный молот» или «паровой молот» из-за их примерно похожего внешнего вида на другую распространенную паровую технологию 19-го века — паровой молот . [38]
Вертикальные двигатели вытеснили почти все остальные типы морских паровых двигателей к концу 19 века. [26] [38] Поскольку они стали настолько распространенными, вертикальные двигатели обычно не называют таковыми, а вместо этого называют на основе их технологии цилиндра, то есть как составные, тройного расширения, четверного расширения и т. д. Термин «вертикальный» для этого типа двигателя неточен, поскольку технически любой тип парового двигателя является «вертикальным», если цилиндр ориентирован вертикально. Двигатель, который кто-то описывает как «вертикальный», может не быть вертикальным перевернутым прямого действия, если только он не использует термин «вертикальный» без уточнения.
_engines_cropped.JPG/1280px-USS_Wisconsin_(BB-9)_engines_cropped.JPG)
Двигатель простого расширения — это паровой двигатель, который расширяет пар только через одну стадию, то есть все его цилиндры работают при одинаковом давлении. Поскольку это был самый распространенный тип двигателя в ранний период развития судовых двигателей, термин «простое расширение» встречается редко. Предполагается, что двигатель является двигателем простого расширения, если не указано иное.
Компаундный двигатель — это паровой двигатель, который управляет цилиндрами через более чем одну стадию, при разных уровнях давления. Компаундные двигатели были методом повышения эффективности. До разработки компаундных двигателей паровые двигатели использовали пар только один раз, прежде чем они возвращали его обратно в котел. Компаундный двигатель сначала перерабатывает пар в один или несколько больших вторых цилиндров с более низким давлением, чтобы использовать больше его тепловой энергии. Компаундные двигатели могут быть настроены для увеличения либо экономичности судна, либо его скорости. В широком смысле, компаундный двигатель может относиться к паровому двигателю с любым количеством цилиндров разного давления, однако этот термин обычно относится к двигателям, которые расширяют пар только через две стадии, т. е. тем, которые управляют цилиндрами только при двух разных давлениях (или двигателям «двойного расширения»). [39]
Обратите внимание, что составной двигатель (включая двигатели многократного расширения, см. ниже) может иметь более одного набора цилиндров переменного давления. Например, двигатель может иметь два цилиндра, работающих при давлении x, и два, работающих при давлении y, или один цилиндр, работающий при давлении x, и три, работающих при давлении y. Что делает его составным (или двойным расширением) в отличие от многократного расширения, так это то, что есть только два давления , x и y. [40]
Первый составной двигатель, который, как полагают, был установлен на судне, был установлен на Генри Экфорде американским инженером Джеймсом П. Аллером в 1824 году. Однако многие источники приписывают «изобретение» морского составного двигателя Джону Элдеру из Глазго в 1850-х годах. Элдер внес усовершенствования в составной двигатель, которые впервые сделали его безопасным и экономичным для океанских путешествий. [41] [42]
Чтобы полностью реализовать свои преимущества, морские двигатели на основе комбинированного топлива требовали давления в котле выше предела, установленного Советом по торговле Соединенного Королевства , который допускал только 25 фунтов на квадратный дюйм (170 кПа). Судовладелец и инженер Альфред Холт смог убедить разрешить более высокое давление в котле, спустив на воду SS Agamemnon в 1865 году с котлами, работающими при 60 фунтах на квадратный дюйм (410 кПа). Сочетание более высокого давления в котле и двигателя на основе комбинированного топлива дало значительное увеличение топливной эффективности, что позволило пароходам превзойти парусные суда на маршруте из Великобритании в Китай, даже до открытия Суэцкого канала в 1869 году. [43]
Двигатель тройного расширения — это составной двигатель, который расширяет пар в три этапа, например, двигатель с тремя цилиндрами при трех различных давлениях. Двигатель четверного расширения расширяет пар в четыре этапа и так далее. [40] Однако, как объяснялось выше, количество ступеней расширения определяет двигатель, а не количество цилиндров, например, у RMS Titanic были четырехцилиндровые двигатели тройного расширения. [44] Первым успешным коммерческим использованием был двигатель, построенный в Говане в Шотландии Александром К. Кирком для SS Aberdeen в 1881 году . [45] Более ранний эксперимент с почти идентичным двигателем на SS Propontis в 1874 году имел проблемы с котлами. Первоначальную установку, работавшую при 150 фунтах на квадратный дюйм (1000 кПа), пришлось заменить другой конструкцией, работающей всего при 90 фунтах на квадратный дюйм (620 кПа). Этого было недостаточно, чтобы полностью реализовать экономические преимущества тройного расширения. Aberdeen был оснащен двумя двухсторонними стальными котлами шотландского типа , работающими при 125 фунтах на квадратный дюйм (860 кПа). Эти котлы имели патентованные гофрированные топки, которые преодолевали конкурирующие проблемы теплопередачи и обладали достаточной прочностью, чтобы справляться с давлением котла. Это обеспечило техническое решение, которое гарантировало, что практически все вновь построенные океанские пароходы были оснащены двигателями тройного расширения в течение нескольких лет после ввода Aberdeen в эксплуатацию. [46] : 106–111
Производство двигателей многократного расширения продолжалось и в 20 веке. Все 2700 кораблей типа «Либерти», построенные Соединенными Штатами во время Второй мировой войны, были оснащены двигателями тройного расширения, поскольку возможности США по производству морских паровых турбин были полностью направлены на строительство военных кораблей. Крупнейшим производителем двигателей тройного расширения во время войны был Joshua Hendy Iron Works . К концу войны корабли типа «Виктори» с турбинными двигателями производились во все большем количестве. [47]
Кольцевой двигатель — необычный тип двигателя, имеющий кольцевой (в форме кольца) цилиндр. [48] Некоторые из ранних составных двигателей американского инженера-пионера Джеймса П. Аллера были кольцевого типа, с меньшим цилиндром высокого давления, помещенным в центр большего кольцевого цилиндра низкого давления. [49] Двигатели с тронком были другим типом кольцевого двигателя. Третий тип кольцевого морского двигателя использовал сиамский механизм соединения двигателей, но вместо двух отдельных цилиндров он имел один кольцевой цилиндр, обернутый вокруг вертикального рычага крейцкопфа (см. схему под «Сиамским» выше). [50]
Некоторые другие термины встречаются в литературе по морским двигателям того периода. Эти термины, перечисленные ниже, обычно используются в сочетании с одним или несколькими базовыми терминами классификации двигателей, перечисленными выше.
Простой двигатель — это двигатель, работающий с одним расширением пара, независимо от количества цилиндров, установленных на двигателе. Примерно до середины 19 века большинство кораблей имели двигатели только с одним цилиндром, хотя некоторые суда имели многоцилиндровые простые двигатели и/или более одного двигателя.
Двигатель двойного действия — это двигатель, в котором пар подается на обе стороны поршня. Ранние паровые двигатели подавали пар только в одном направлении, позволяя импульсу или гравитации возвращать поршень в исходное положение, но двигатель двойного действия использует пар, чтобы заставить поршень двигаться в обоих направлениях, тем самым увеличивая скорость вращения и мощность. [51] Как и термин «простой двигатель», термин «двойного действия» встречается в литературе реже, поскольку почти все судовые двигатели были двойного действия.
Эти термины относятся к ориентации цилиндра двигателя. Вертикальный цилиндр стоит вертикально, а его поршневой шток работает над (или под) ним. Вертикальный перевернутый двигатель определяется как вертикальное расположение цилиндра, при котором коленчатый вал установлен непосредственно под цилиндром(ами). При наклонном или горизонтальном типе цилиндр и поршень расположены под наклоном или горизонтально. Наклонный перевернутый цилиндр — это перевернутый цилиндр, работающий под наклоном. Все эти термины обычно используются в сочетании с типами двигателей, указанными выше. Таким образом, можно иметь горизонтальный двигатель прямого действия или наклонный составной двигатель двойного действия и т. д.
Наклонные и горизонтальные цилиндры могли быть очень полезны на военно-морских судах, поскольку их ориентация сохраняла профиль двигателя как можно ниже и, таким образом, была менее восприимчива к повреждениям. [52] Их также можно было использовать на судне с низким профилем или для поддержания центра тяжести судна ниже. Кроме того, наклонные или горизонтальные цилиндры имели преимущество в снижении уровня вибрации по сравнению с вертикальным цилиндром.
Двигатель с зубчатой передачей или «зубчатый винт» вращает винт с другой скоростью, чем двигатель. Ранние морские гребные двигатели имели зубчатую передачу вверх, то есть винт был настроен на работу с более высокой скоростью вращения, чем сам двигатель. [53] [54] Поскольку двигатели становились быстрее и мощнее во второй половине 19 века, зубчатая передача почти повсеместно отменялась, и винт вращался с той же скоростью вращения, что и двигатель. Такое расположение прямого привода является механически наиболее эффективным, и поршневые паровые двигатели хорошо подходят для скорости вращения, наиболее эффективной для винтовых винтов.
_twin_side-lever_engine.jpg/1280px-Ruby_(1836_steamboat)_twin_side-lever_engine.jpg)
.jpg/1280px-USS_Delaware_(1861).jpg)
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )