Паровой двигатель — это тип парового двигателя , в котором поворотная верхняя балка используется для приложения силы от вертикального поршня к вертикальному шатуну . Эта конфигурация, в которой двигатель напрямую приводит в действие насос, была впервые использована Томасом Ньюкоменом около 1705 года для удаления воды из шахт в Корнуолле . Эффективность двигателей была улучшена инженерами, включая Джеймса Уатта , который добавил отдельный конденсатор ; Джонатана Хорнблауэра и Артура Вульфа , которые компаундировали цилиндры ; и Уильяма Макнота , который разработал метод компаундирования существующего двигателя. Паровые двигатели сначала использовались для откачки воды из шахт или в каналы, но могли использоваться для перекачки воды в дополнение к потоку для водяного колеса, приводящего в действие мельницу .
Чугунная балка двигателя Болтона и Уатта 1812 года на насосной станции Крофтон – старейший в мире действующий образец, сохранившийся на месте.Задняя часть музея Де Крукиус около Амстердама , старая насосная станция, использовавшаяся для откачки воды из озера Харлеммермер . На ней изображены балки насосной машины и 9-метровый перепад уровня воды в реке Спарне . Балочная машина является крупнейшей из когда-либо построенных и использовалась до 1933 года.Остатки работающего на воде лучевого двигателя в Уонлокхеде
Двигатель вращающейся балки является более поздней конструкцией двигателя балки, в котором шатун приводит в движение маховик посредством кривошипа (или, исторически, посредством солнечной и планетарной шестерни ). Эти двигатели балки могли использоваться для непосредственного приведения в действие линейного вала в мельнице . Они также могли использоваться для приведения в действие паровых судов .
История
Первые двигатели с балкой работали на воде и использовались для откачки воды из шахт. Сохранившийся пример можно увидеть на свинцовой шахте Стрейтстепс в Уонлокхеде в Шотландии .
Двигатели-коромысла широко применялись для питания насосов в системе Английских каналов , когда она была расширена с помощью шлюзов в начале промышленной революции , а также для откачки воды из шахт в тот же период и в качестве подъемных двигателей .
Первый паровой лучевой двигатель был разработан Томасом Ньюкоменом . Строго говоря, он не был паровым, так как пар, вводимый под поршень, конденсировался, создавая частичный вакуум, что позволяло атмосферному давлению толкать поршень вниз. Поэтому его называли атмосферным двигателем. Атмосферный двигатель Ньюкомена был принят на вооружение многими шахтами в Корнуолле и других местах, но он был относительно неэффективен и потреблял большое количество топлива. Двигатель был усовершенствован Джоном Смитоном , но Джеймс Уатт устранил основные недостатки двигателя Ньюкомена в своей паровой машине Уатта, добавив отдельный конденсатор, что позволило цилиндру оставаться горячим. Технически это был все еще атмосферный двигатель, пока (согласно последующим патентам) он не закрыл верхнюю часть цилиндра, введя пар, чтобы также толкать поршень вниз. Это сделало его настоящим паровым двигателем [ сомнительно – обсудим ] и, возможно, подтверждает его как изобретателя парового двигателя. Он также запатентовал центробежный регулятор и параллельное движение . последний позволял заменять цепи вокруг головки арки и, таким образом, позволял использовать его в качестве ротационного двигателя.
Его патенты оставались в силе до начала 19 века, и некоторые говорят, что это сдерживало развитие. Однако в действительности развитие продолжалось другими, и в конце периода патента произошел взрыв новых идей и усовершенствований. Лучевые двигатели Уатта использовались в коммерческих целях в гораздо больших количествах, и многие из них продолжали работать в течение 100 лет или более.
Уатт имел патенты на ключевые аспекты конструкции своего двигателя, но его ротационный двигатель был в равной степени ограничен патентом Джеймса Пикарда на простую рукоятку. Двигатель балки был значительно улучшен и увеличен в богатых оловом и медью районах юго-западной Англии, что позволило осушить глубокие шахты, которые там существовали. В результате двигатели балки Корнуолла стали всемирно известными, поскольку они остаются одними из самых массивных двигателей балки, когда-либо построенных.
Из-за большого количества патентов на различные части двигателей и последствий нарушения патентных прав существуют примеры двигателей Beam, на которых не указано название производителя ни на одной из частей (коллекция паровых двигателей Hollycombe).
В двигателе с вращающейся балкой поршень установлен вертикально, а поршневой шток приводит в движение балку, как и прежде. Шатун с другого конца балки, вместо того чтобы приводить в движение насосный шток, теперь приводит в движение маховик.
Ранние двигатели Уатта использовали патентованную солнечную и планетарную шестерню Уатта , а не простой кривошип, поскольку использование последнего было защищено патентом, принадлежащим Джеймсу Пикарду . После истечения срока действия патента простой кривошип стал использоваться повсеместно. После достижения вращательного движения приводной ремень можно было прикрепить рядом с маховиком. Он передавал мощность на другие приводные валы, а от этих других ремней можно было затем прикрепить для приведения в действие различных статических машин, например, молотильных, шлифовальных или фрезерных машин.
Судовые лучевые двигатели
Первые паровые суда использовали варианты вращающегося двигателя с балкой. Эти морские паровые двигатели , известные как боковые рычаги, кузнечики , крейцкопфы или «шагающие балки» и другие, отличались от оригинальных наземных машин тем, что балка или балки располагались в разных положениях, чтобы занимать меньше места на борту судна.
Компаундирование
Компаундирование включает в себя два или более цилиндров; пар низкого давления из первого цилиндра высокого давления передается во второй цилиндр, где он расширяется дальше и обеспечивает большую тягу. Это эффект компаундирования; отработанный пар из этого может производить дополнительную работу, если затем его обычным образом передать в конденсатор. Первый эксперимент с компаундированием был проведен Джонатаном Хорнблауэром , который получил патент в 1781 году. Его первый двигатель был установлен на шахте Тинкрофт, Корнуолл. Он имел два цилиндра — один диаметром 21 дюйм (0,53 м) с ходом 6 футов (1,8 м) и один диаметром 27 дюймов (0,69 м) с ходом 8 футов (2,4 м) — размещенные рядом друг с другом на одном конце балки. Ранние двигатели показали небольшой прирост производительности: давление пара было слишком низким, соединительные трубы были малого диаметра, а конденсатор неэффективен. [1]
В то время законы термодинамики не были адекватно поняты, в частности, концепция абсолютного нуля . Инженеры, такие как Артур Вульф, пытались решить инженерную проблему с несовершенным пониманием физики. В частности, их клапанный механизм включался в неправильном положении в ходе, не допуская расширения работы в цилиндре. Успешные двигатели Вульфа были произведены в 1814 году для медного рудника Уил-Абрахам и оловянного рудника Уил-Вор . [2]
двигатели Макнота
Уильям Макнот запатентовал двигатель с составной балкой в 1845 году. На двигателе с составной балкой стандартной конструкции Болтона и Уатта он поместил цилиндр высокого давления на противоположной стороне балки по отношению к существующему одиночному цилиндру, где обычно устанавливался водяной насос. Это имело два важных эффекта: это значительно снизило давление на балку, а соединительная паровая труба, будучи длинной, действовала как расширяющийся приемник — элемент, отсутствовавший в конструкции Вульфа. [3] Эта модификация могла быть сделана ретроспективно, и двигатели, модифицированные таким образом, как говорили, были «McNaughted». Преимущества двигателя с составной балкой были незначительны при давлении ниже 60 фунтов на квадратный дюйм (410 кПа), но проявлялись при давлении более 100 фунтов на квадратный дюйм (690 кПа). [ необходима цитата ]
Музей паровой техники в Болтоне ( Болтон , Англия) – включает в себя несколько вращающихся паровых двигателей, первоначально использовавшихся для привода мельниц.
Насосная станция Клеймиллс ( Бертон-апон-Трент , Англия) — четыре роторных насосных машины Вульфа; пять котлов Ланкашира; более тридцати вспомогательных двигателей на объекте, включая старейшую в стране работающую паровую динамо-машину.
Мельница Колдхарбор ( Аффкулм , Девон) - 1867 Kittoe и Brotherhood балочный двигатель плюс Pollit & Wigzell 300 л. с. перекрестный компаундный двигатель. На паре большинство Банковских праздников, управляя канатной гонкой, вместе с другими машинами меньшего размера.
Насосная станция Крофтон ( Грейт-Бедвин , Англия) — два двигателя, включая старейший в мире работающий двигатель «Корнуолл» на своем первоначальном месте (1812 г.).
Насосная станция Кросснесс ( Эбби Вуд , Англия) — комплект из четырех вращающихся балочных двигателей: самые крупные сохранившиеся рабочие образцы.
Истни Бим Дэзо ( Портсмут , Англия) — содержит два роторных балочных двигателя для перекачки сточных вод, построенных в 1887 году.
Центр наследия Эльсекара ( Эльсекар , Англия) – единственный сохранившийся паровоз Ньюкомена (в мире), оставшийся на своем первоначальном месте (1795 г.).
Водопроводная станция Гоулберна ( Гоулберн , Австралия) — двигатель Appleby Bros Beam Engine (1883 г.) мощностью 120 л. с. в рабочем состоянии, все еще в оригинальном здании насосной станции.
Двигатель балки Грейзбрука — большой насосный двигатель, разработанный компанией Boulton & Watt, с диаметром цилиндра 42 дюйма (1,1 м) на статической выставке на кольцевой развязке Дартмута на трассе A38(M) в Бирмингеме , Англия.
Коллекция паровых машин Холликомба ( Липхук , Англия) — небольшой (мощностью около 5 лошадиных сил) рабочий роторный двигатель, датируемый примерно 1850 годом, использовавшийся для приведения в действие сельскохозяйственных машин, с прикрепленным водяным колесом для дополнительной мощности.
Middleton Top Engine House, Middleton-by-Wirksworth , Дербишир . Двухбалочный двигатель (построенный в 1829 году) является старейшим в мире рабочим поршневым двигателем, все еще находящимся в своем первоначальном машинном отделении. [5] [6]
Музей Де Крукиус ( Крукиус , Нидерланды) – восьмибалочный двигатель в Крукиусе считается крупнейшим паровым двигателем, когда-либо построенным.
Nottingham Industrial Museum ( Ноттингем , Англия) - В паровой галерее находится впечатляющий двигатель Basford Beam Engine, один из двух двигателей, построенных в 1858 году компанией R&W Hawthorn в Ньюкасл-апон-Тайн . Он был установлен на насосной станции Basford для подъема воды на 110 футов (34 м) из песчаника ниже для снабжения города Ноттингема пресной водой. Двигатель был заменен в 1965 году и перемещен в специально построенную паровую галерею, где он впервые был запущен в 1975 году.
Шахта Полдарк ( Тренир , Англия) — двигатель Harvey's of Hayle Cornish Beam Engine из шахты Bunny Tin Mine, а затем из глиняного карьера Greensplat China Clay Pit, датируемый примерно 1850 годом. Гидравлический механизм добавлен для демонстрационных целей. Последний работал в коммерческих целях в Корнуолле до декабря 1959 года, переехал в Полдарк в 1972 году. [7]
Музей паровозов в Стрампшоу ( Стрампшоу , Англия) — здесь представлен бывший паровой двигатель из Эддингтона, работающий теперь на сжатом воздухе.
Насосная станция Tees Cottage ( Дарлингтон , Англия) — рабочий ротационный двухцилиндровый двигатель Вульфа , разработанный Гленфилдом и Кеннеди из Килмарнока и построенный Teasdale Bros. под руководством T&C Hawksley , Civil Engineers, Лондон.
Двигатель вращающейся балки Болтона и Уатта (солнечно-планетного типа) в Национальном музее Шотландии (1786 г.). [8] [9] Иногда работающая пневматика
Лондонский музей воды и пара ( Брентфорд , Англия) — пять паровозов «Корниш» (на первоначальном месте), четыре из которых находятся в рабочем состоянии, а также два действующих роторных двигателя (в музее), включая самый большой в мире работающий паровоз «Корниш» с цилиндром диаметром 90 дюймов (2286 мм).
Western Springs Water Works ( Окленд , Новая Зеландия) – двойной паровоз Woolf Compaucon 1877 года. Находится на своем первоначальном месте, восстановлен в рабочем состоянии, вокруг него построен Музей транспорта и технологий. Реставрация насосной станции и оригинального инженерного коттеджа была отмечена наградой 2009 года «За заслуги» от Премии ЮНЕСКО за Азиатско-Тихоокеанское наследие в рамках программы сохранения культурного наследия.
