Паровой двигатель однопоточного типа использует пар, который течет в одном направлении только в каждой половине цилиндра. Тепловая эффективность увеличивается за счет градиента температуры вдоль цилиндра. Пар всегда поступает в горячие концы цилиндра и выходит через отверстия в более холодном центре. Таким образом, относительное нагревание и охлаждение стенок цилиндра уменьшается.
.jpg/1280px-Thinktank_Birmingham_-_object_1956S00658(1).jpg)
Поступление пара обычно контролируется тарельчатыми клапанами (действующими 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 некоторого периода цикла кривошипа пар впускается, а затем тарельчатый впуск 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 отверстия соединены коллектором и трубопроводом с конденсатором, понижая давление в камере ниже атмосферного, что приводит к быстрому выпуску. Продолжающееся вращение кривошипа перемещает поршень. Из анимации можно увидеть особенности двигателя с прямым потоком, с большим поршнем, длина которого почти вдвое меньше длины цилиндра, тарельчатыми впускными клапанами на обоих концах, распределительным валом (движение которого происходит от движения приводного вала) и центральным кольцом выпускных отверстий.
Однопоточные двигатели потенциально допускают большее расширение в одном цилиндре без относительно холодного выхлопного пара, протекающего через горячий конец рабочего цилиндра и паровые отверстия обычного «противоточного» парового двигателя во время такта выпуска. Это условие обеспечивает более высокую тепловую эффективность. Выхлопные отверстия открыты только в течение небольшой части хода поршня, при этом выпускные отверстия закрываются сразу после того, как поршень начинает движение к впускному концу цилиндра. Пар, остающийся в цилиндре после закрытия выпускных отверстий, захватывается, и этот захваченный пар сжимается возвращающимся поршнем. Это термодинамически желательно, поскольку он предварительно нагревает горячий конец цилиндра перед впуском пара. Однако риск чрезмерного сжатия часто приводит к тому, что в головках цилиндров включаются небольшие вспомогательные выпускные отверстия. Такая конструкция называется полуоднопоточным двигателем
Двигатели этого типа обычно имеют несколько цилиндров в рядном расположении и могут быть одно- или двухстороннего действия. Особое преимущество этого типа заключается в том, что клапаны могут управляться эффектом нескольких распределительных валов, и путем изменения относительной фазы этих распределительных валов количество впускаемого пара может быть увеличено для высокого крутящего момента на низкой скорости и может быть уменьшено на крейсерской скорости 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 синхронизацию впуска. (Распределительный вал можно было смещать механическими или гидравлическими устройствами.) И, путем изменения абсолютной фазы, можно изменять направление вращения двигателя. Конструкция с прямым потоком также поддерживает постоянный градиент температуры через цилиндр, избегая прохождения горячего и холодного пара через один и тот же конец цилиндра.
На практике двигатель с однопоточным движением имеет ряд эксплуатационных недостатков. Большая степень расширения требует большого объема цилиндра. Чтобы получить максимальную потенциальную работу от двигателя, требуется высокая скорость возвратно-поступательного движения, как правило, на 80% быстрее, чем у двигателя с противоточным движением двойного действия. Это приводит к тому, что время открытия впускных клапанов становится очень коротким, что создает большую нагрузку на чувствительную механическую часть. Чтобы выдерживать огромные механические силы, двигатели должны быть прочными, и требуется большой маховик как для сглаживания колебаний крутящего момента, когда давление пара быстро растет и падает в цилиндре, так и для компенсации инерции тяжелого поршня. Поскольку по всему цилиндру существует температурный градиент, металл стенки расширяется в разной степени. Это требует, чтобы отверстие цилиндра было обработано шире в холодном центре (иногда его называют «яйцевидным»), чем на горячих концах. Если цилиндр не нагревается должным образом или если в него попадает вода, хрупкое равновесие может быть нарушено, что приведет к заклиниванию в середине хода и, возможно, к разрушению.
Двигатель с прямым потоком был впервые использован в Великобритании в 1827 году Якобом Перкинсом и запатентован в 1885 году Леонардом Дженнетом Тоддом. Он был популяризирован немецким инженером Иоганном Штумпфом в 1909 году, а первый коммерческий стационарный двигатель был произведен годом ранее в 1908 году.
Принцип прямотока в основном использовался для промышленной выработки электроэнергии, но также был опробован в нескольких железнодорожных локомотивах в Англии, таких как локомотивы с прямотоком North Eastern Railway № 825 1913 года и № 2212 1918 года [1] и локомотив Paget Midland Railway . Эксперименты также проводились во Франции [2] , Германии, США и России [1] . Ни в одном случае результаты не были достаточно обнадеживающими для дальнейших разработок.
.jpg/1280px-1918_Atkinson,_on_display,_1977_(01).jpg)
Первое крупномасштабное использование двигателя Uniflow было в паровых вагонах Аткинсона в 1918 году. [3] Известно, что до сих пор сохранился только один такой паровой вагон; он был построен в 1918 году, проработал и некоторое время простаивал в Австралии, а затем был репатриирован в Англию и восстановлен Томом Варли в 1976-77 годах. [4] [5]
Окончательная коммерческая эволюция двигателя uniflow 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 конфигурации каскадного компаунда и обеспечивает эффективность, приближающуюся к современным дизелям. Многие автомобильные паромы на Великих озерах были оборудованы таким образом, один из которых все еще работает, SS Badger 1952 года. Эскортный авианосец класса Casablanca , самый плодовитый проект авианосца в истории, использовал два 5-цилиндровых двигателя Skinner Unaflow, но это не были каскадные компаунды. Некомпаундный двигатель Skinner Uniflow оставался в эксплуатации до 2013 года на цементовозе Великих озер SS St. Marys Challenger , установленном при переоснащении судна в 1950 году.
В небольших размерах (менее 1000 л.с. (750 кВт)) поршневые паровые двигатели намного эффективнее паровых турбин. Солнечная электростанция Уайт Клиффс использовала трехцилиндровый прямоточный двигатель с впускными клапанами типа « Баш » для выработки около 25 кВт электрической мощности.
Конфигурация одностороннего парового двигателя очень похожа на двухтактный двигатель внутреннего сгорания, и двухтактный двигатель можно преобразовать в односторонний паровой двигатель, подавая в цилиндр пар через « клапан удара », установленный вместо свечи зажигания. [6] Когда поднимающийся поршень приближается к верхней точке своего хода, он открывает клапан удара, чтобы впустить импульс пара. Клапан автоматически закрывается, когда поршень опускается, и пар выпускается через существующее отверстие цилиндра. Затем инерция маховика возвращает поршень обратно в верхнюю точку своего хода против сжатия, как это происходит в оригинальной форме двигателя. Также, как и оригинал, преобразование не является самозапускающимся и должно быть включено внешним источником энергии для запуска. Примером такого преобразования является паровой мопед, который заводится при вращении педалей. [7]
