Высокоскоростные паровые двигатели были одним из последних достижений стационарного парового двигателя . Они работали на высокой скорости, в несколько сотен оборотов в минуту, [1] что было необходимо для таких задач, как выработка электроэнергии. [2]
.jpg/1280px-Brotherhood's_high-speed_engine_(Rankin_Kennedy,_Modern_Engines,_Vol_IV).jpg)
Они имеют две основные характеристики:
Это также привело к появлению ряда вторичных характеристик. Хотя они не были определяющими для типа или всегда были таковыми, они были узнаваемо распространены:
Высокая скорость не была нужна для выработки электроэнергии на крупнейших городских заводах. [ii] Поскольку эти заводы были обязательно большими, они также могли использовать динамо-машины большого диаметра с большим количеством полюсных наконечников. Это давало необходимую линейную скорость (в пройденных полюсах/время) для более низкой скорости вращения вала.
Эти двигатели выпускались с простыми или составными рабочими циклами. Меньшие образцы обычно были простыми, поскольку трудности достижения хорошего регулирования перевешивали эффективность компаундирования. Высокоскоростные двигатели действительно приобрели репутацию расточительных. [1] Для более крупных двигателей экономия затрат на топливо была оправданной, и использовались составные конструкции, такие как двигатель Willans .
Они также использовали широкий спектр клапанов. Примеры с золотниковыми или поршневыми клапанами были обычными. Многоцилиндровые двигатели одностороннего действия обычно делили один поршневой клапан между двумя цилиндрами, либо между цилиндрами, либо горизонтально над ними. [1]
Клапанный механизм, приводящий эти клапаны в движение, обычно был простым, один эксцентрик, разработанный только для работы на одной скорости, в одном направлении, для довольно постоянной нагрузки. Хотя эти двигатели были современниками сложных и эффективных клапанных механизмов, таких как Corliss , эти отключающие клапаны не могли работать достаточно быстро. [3] [4] [5]
.jpg/1280px-Racine_high-speed_steam_engine_(New_Catechism_of_the_Steam_Engine,_1904).jpg)
.jpg/1280px-Ames_automatic_governor_(New_Catechism_of_the_Steam_Engine,_1904).jpg)
Ключевым требованием для высокоскоростного парового двигателя было точное управление постоянной скоростью, даже при быстро меняющейся нагрузке. Хотя управление паровыми двигателями с помощью центробежного регулятора восходит к Уатту , это управление было недостаточным. Эти ранние регуляторы управляли дроссельным клапаном для управления потоком пара в двигатель. Это давало недостаточно отзывчивое управление для постоянной скорости, необходимой для выработки электроэнергии.
Решением, разработанным для высокоскоростных паровых двигателей, был «автоматический» регулятор. Вместо того, чтобы контролировать расход пара, он контролировал синхронизацию или « отсечку » впускных клапанов. [6] [7] Этот регулятор был вставлен между коленчатым валом и эксцентриком, приводящим в движение клапанный механизм. Он часто изготавливался как часть маховика двигателя. Центробежный груз в регуляторе выдвигался против пружины с увеличивающейся скоростью. Это приводило к смещению положения эксцентрика относительно кривошипа, изменяя синхронизацию клапанов и вызывая раннее отключение. Поскольку этот регулятор действовал непосредственно на порт цилиндра, а не через длинную трубу от дроссельной заслонки, он мог быть очень быстродействующим.
.jpg/1280px-Buffalo_horizontal_steam_engine_(New_Catechism_of_the_Steam_Engine,_1904).jpg)
Смазка первых высокоскоростных двигателей, таких как Ideal (горизонтальный двигатель с открытым кривошипом), [8] осуществлялась с помощью усовершенствованных систем масляных чашек, ранее широко распространенных на стационарных двигателях средней скорости. Масляные чашки и многоточечные лубрикаторы могли смазывать подшипники вала достаточно хорошо, и даже самый невнимательный машинист или смазчик мог наблюдать за одним смотровым стеклом . Трудность заключалась в том, что на высокоскоростных двигателях масляные камеры больше не могли устанавливаться на движущихся частях, таких как крейцкопф или шатун. Любой масляный резервуар здесь перемешивался бы движением, и такой неизбежно небольшой запас также мог быть недостаточным для двигателя, выполняющего так много работы в небольшом пространстве. Таким образом, больше внимания уделялось тщательности смазки, и движущиеся части, такие как шатунная шейка, питались через сверления через коленчатый вал от источников масла, которые вращались, но не двигались, таких как основные подшипники. Центробежная сила также использовалась для распределения масла. [8] Обычно высокоскоростные двигатели имели только один или два лубрикатора, [iii] поэтому обслуживание двигателя было более простой задачей и он был менее подвержен поломкам из-за простой небрежности и работы всухую лубрикатора.
.jpg/1280px-Buffalo_steam_engine_(New_Catechism_of_the_Steam_Engine,_1904).jpg)
По мере увеличения скорости высокоскоростной двигатель эволюционировал в сторону своей развитой формы многоцилиндрового вертикального двигателя с закрытым картером . Также существовала тенденция использовать поршни одностороннего действия . Это имело два преимущества: смазка могла обеспечиваться щедрой системой «разбрызгивания» внутри картера, что также помогало с охлаждением, и, во-вторых, силы в двигателе одностороннего действия всегда действовали одинаково, как сила сжатия вдоль штока поршня и шатуна. Это означало, что даже если зазоры подшипника были относительно слабыми, подшипник всегда удерживался плотно. Слабые и, следовательно, свободные подшипники могли быть приемлемы. Примером такого двигателя могут служить двухцилиндровые двигатели Westinghouse . [9] Эти двигатели использовали тронковый поршень , который используется для двигателей внутреннего сгорания сегодня, где нет отдельной крейцкопфы, а поршневой палец шатуна перемещается вверх внутри самого поршня. Это обеспечивает очень компактную компоновку, но, очевидно, требует поршня одностороннего действия. Главные подшипники коленчатого вала этого двигателя были снабжены отдельными масленками, которые сливались в картерный поддон. Было признано, что масло картера загрязняется водой из конденсированного пара и прорыва газов из поршней. Для слива этого собранного конденсата из-под масла в нижней части глубокого поддона был предусмотрен клапан.
Важная концепция смазки под давлением подшипников двигателя началась с высокоскоростных паровых двигателей и теперь является важной частью двигателей внутреннего сгорания . Это и надежная система смазки, и также позволяет использовать гидростатические подшипники («масляный клин»), которые могут выдерживать большие нагрузки. Первые патенты на это были выданы Belliss & Morcom в 1890 году по работе их чертежника Альберта Чарльза Пейна. [3] Belliss & Morcom предпочитали цилиндры двойного действия, чтобы производить минимально возможные двигатели для заданной мощности; одним из их основных рынков, как и Peter Brotherhood , была поставка генераторных установок Королевскому флоту для использования в пределах машинного отделения военного корабля. Сложность двигателя двойного действия заключалась в том, что направление сил в шатуне теперь меняется между сжатием и растяжением, поэтому зазоры подшипников должны быть сделаны более узкими, чтобы избежать любого дребезжания. Беллис и Морком разработали двухцилиндровый двигатель мощностью 20 л. с. при 625 об/мин, который использовал небольшой отдельный масляный насос для подачи масла под давлением в подшипники кривошипа через длинные просверленные отверстия в коленчатом валу. Это обеспечивало надежную смазку и охлаждение, а давление масляной пленки было достаточным для использования двигателей двойного действия с достаточным зазором для обеспечения свободного хода. [10]
{{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь ) , от 400 до 1200 об/мин