Составной паровой двигатель - Compound steam engine

Для составных паровозов см. Составной локомотив.

Судовой двигатель двойного действия тройного расширения
Пар высокого давления (красный) проходит через три ступени и выходит в виде пара низкого давления (синий) в конденсатор.
В разрезе составной паровой двигатель тройного расширения, 1888 г.
Роби горизонтальный кросс-соединение паровой двигатель
малый цилиндр высокого давления (слева) и большой цилиндр низкого давления (справа)

А составной паровой двигатель единица - это тип паровой двигатель где пар расширяется в две или более ступеней.[1][2]Типичная компоновка для составного двигателя состоит в том, что пар сначала расширяется при высоком давлении. (Л.с.) цилиндр, затем, отдав тепло и потеряв давление, он выходит прямо в один или несколько больших объемов с низким давлением (LP) цилиндры. В двигателях многократного расширения используются дополнительные цилиндры со все более низким давлением для извлечения дополнительной энергии из пара.[3]

Изобретенная в 1781 году, эта техника была впервые применена на корнуоллском корнуолле. луч двигателя в 1804 году. Примерно в 1850 году составные двигатели были впервые представлены на текстильных фабриках Ланкашира.

Составные системы

Существует много составных систем и конфигураций, но есть два основных типа, в зависимости от того, как фазируются ходы поршня высокого и низкого давления и, следовательно, может ли выхлоп высокого давления напрямую переходить от высокого давления к низкому (Смеси для шерсти ) или колебания давления требуют промежуточного «буферного» пространства в виде парового резервуара или трубы, известной как приемник (приемные соединения ).[4]

В паровом двигателе с одинарным расширением (или «простом») пар высокого давления входит в цилиндр под давлением котла через впускной клапан. Давление пара заставляет поршень вниз по цилиндру, пока клапан не закроется (например, после 25% хода поршня). После прекращения подачи пара захваченный пар продолжает расширяться, толкая поршень до конца его хода, где выпускной клапан открывается и выталкивает частично обедненный пар в атмосферу или в конденсатор. Эта "отрезать "позволяет извлекать гораздо больше работы, поскольку расширение пара выполняет дополнительную работу помимо той, которую выполняет пар под давлением в котле.[5]

Более раннее отключение увеличивает степень расширения, что в принципе позволяет извлекать больше энергии и увеличивает эффективность, но по мере расширения захваченного пара его температура падает. Это падение температуры могло бы произойти, даже если бы цилиндр был идеально изолирующим, так что из системы не выделялось тепло (см. адиабатический процесс и § адиабатический нагрев и охлаждение ). В результате пар входит в цилиндр с высокой температурой и выходит с более низкой температурой. Изменяющаяся температура пара поочередно нагревает и охлаждает цилиндр при каждом такте и является источником неэффективности, которая увеличивается при более высоких степенях расширения. После определенного момента дальнейшее увеличение степени расширения фактически снизит эффективность из-за увеличения нагрева и охлаждения.[5]

Компаундирование двигателей

Метод уменьшения величины этого нагрева и охлаждения был изобретен в 1804 году британским инженером. Артур Вульф, который запатентовал свой Составной двигатель высокого давления Woolf в 1805 году. В составном двигателе пар высокого давления из котла сначала расширяется в цилиндре высокого давления (HP), а затем поступает в один или несколько последующих цилиндров низкого давления (LP). Полное расширение пара происходит через несколько цилиндров, и, поскольку в каждом цилиндре расширение меньше, меньше тепла теряется паром в каждом. Это снижает интенсивность нагрева и охлаждения цилиндров, делая более практичным более высокий коэффициент расширения и повышая эффективность двигателя.

Есть и другие преимущества: чем меньше диапазон температур, тем меньше конденсация в цилиндре. Потери из-за конденсации ограничиваются цилиндром низкого давления. Перепад давления меньше в каждом цилиндре, поэтому меньше утечка пара через поршень и клапаны. В момент поворота более однородный, поэтому балансировка проще, и можно использовать маховик меньшего размера. Только меньший цилиндр высокого давления должен быть сконструирован таким образом, чтобы выдерживать максимальное давление, что снижает общий вес. Точно так же компоненты менее подвержены нагрузкам, поэтому они могут быть легче. Возвратно-поступательные части двигателя легче, что снижает вибрации двигателя. Компаунд можно было запустить в любой момент цикла, и в случае механического отказа компаунд можно было сбросить, чтобы он работал как простой, и, таким образом, продолжал работать.[4]

Чтобы получить равную работу от пара более низкого давления, требуется больший объем цилиндра, поскольку этот пар занимает больший объем. Таким образом, диаметр цилиндра, а в редких случаях также и ход поршня, увеличиваются в цилиндрах низкого давления, что приводит к увеличению размеров цилиндров.

Двигатели с двойным расширением (обычно известные как «составные») расширяют пар в два этапа, но это не означает, что все такие двигатели имеют два цилиндра. У них может быть четыре цилиндра, работающих как две пары LP-HP, или работа большого цилиндра LP может быть разделена на два меньших цилиндра, при этом один цилиндр HP выходит в любой из цилиндров LP, что дает трехцилиндровую схему, в которой цилиндр и поршень Диаметр всех трех примерно одинаков, что облегчает балансировку возвратно-поступательных масс.

Двухцилиндровые соединения могут быть устроены как:

  • Кросс-соединение - цилиндры расположены рядом
  • Тандемный состав - цилиндры встают встык, приводя в движение общий шатун
  • Телескопический состав - цилиндры находятся один внутри другого
  • Угловой состав - цилиндры расположены V-образно (обычно под углом 90 °) и приводят в движение общий кривошип.[Фазирование цилиндра]

Принятие компаундирования было широко распространено для стационарных промышленных установок, где требовалось увеличение мощности при снижении затрат, и почти повсеместно для судовые двигатели после 1880 г. Он не получил широкого распространения в железнодорожных локомотивах, поскольку часто воспринимался как сложный и непригодный для суровых условий эксплуатации железной дороги и ограниченного пространства, предоставляемого датчик загрузки (особенно в Великобритании). Компаундирование никогда не было обычным явлением на британских железных дорогах и вообще не использовалось после 1930 года, но использовалось ограниченно во многих других странах.[6]

Первая успешная попытка управлять самолетом тяжелее воздуха исключительно на парах произошла в 1933 году, когда Джордж и Уильям Беслер преобразовал Путешествие Air 2000 биплан, который будет летать на угловом паровом двигателе V-twin мощностью 150 л.с. собственной разработки вместо обычного Curtiss OX-5 рядный или радиальный авиационный бензиновый двигатель, который он обычно использовал бы.[7][8]

Двигатели многократного расширения

Судовой двигатель двойного действия тройного расширения.
Пар высокого давления (красный) проходит через три ступени и выходит в виде пара низкого давления (синий) в конденсатор.

Это логическое продолжение составного двигателя (описанного выше), чтобы разделить расширение на еще большее количество этапов для повышения эффективности. В результате механизм множественного расширения. Такие двигатели используют три или четыре ступени расширения и известны как тройной и двигатели с четырехкратным расширением соответственно. В этих двигателях используется серия цилиндров двустороннего 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 механизма тройного расширения. Пар проходит через двигатель слева направо. Блок клапанов для каждого из цилиндров находится слева от соответствующего цилиндра.

История

Ранняя работа

  • 1781 – Джонатан Хорнблауэр, внук одного из Newcomen Строители двигателей в Корнуолле запатентовали двухцилиндровый составной поршневой двигатель. луч двигателя в 1781 году. Ему помешали развить его дальше. Джеймс Ватт, который утверждал, что его собственные патенты были нарушены.[9]
  • 1804 - Британский инженер изобрел метод уменьшения продолжительности нагрева и охлаждения паровой машины одинарного расширения, приводящей к неэффективности. Артур Вульф. Вульф запатентовал свой стационарный Составной двигатель высокого давления Woolf в 1805 г.

Двойное расширение

  • 1845 – Уильям Макнот разработал метод крепления дополнительного цилиндра высокого давления в существующем балочном двигателе. Для этого использовалась длинная труба для соединения цилиндров и дополнительный набор клапанов для их балансировки. Фактически он действовал как приемный ящик, и был изобретен новый тип соединения. Эта система позволила лучше контролировать подачу пара и отсечки. Двигатель можно было замедлить либо с помощью дроссельной заслонки, которая уменьшала давление пара, либо путем регулировки отсечки на любом цилиндре. Последний был более эффективным, поскольку не терялась мощность. Цикл был более плавным, поскольку два цилиндра не были в фазе.[10]
  • 1865 – SSАгамемнон (1865) была запущена, оснащена 300л.с. составной паровой двигатель. Двигатель был разработан Альфред Холт, один из ее владельцев. Холт убедил Совет по торговле чтобы позволить котлу давление 60psi вместо обычных 25psi - требовалось более высокое давление, чтобы реализовать преимущества двойного расширения. Полученная эффективность позволила этому кораблю пройти 8 500 миль раньше. уголь. Это сделало ее конкурентоспособной на маршрутах между Китаем и Великобританией.[11][12][13]

Множественное расширение

В Coldharbour Mill Комбинированный двигатель Pollit and Wigzell, который приводит в движение канатную гонку на заднем плане, передавая мощность на линейные валы на всех пяти уровнях мельницы.
  • 1861 – Дэниел Адамсон получил патент на двигатель многократного расширения с тремя или более цилиндрами, соединенными с одной балкой или коленчатым валом. Он построил двигатель тройного расширения для Виктория Миллс, Дукинфилд который открылся в 1867 году.[14]
  • 1871 - Шарль Норманд из Гавра установил двигатель тройного расширения на речной лодке Сены в 1871 году.[14]
  • 1872 – Сэр Фредрик Дж. Брэмвелл сообщил, что составные судовые двигатели, работающие под давлением от 45 до 60 фунтов на квадратный дюйм, потребляли от 2 до 2,5 фунтов угля в час на указанную мощность.[14]
  • 1881 – Александр Карнеги Кирк построен SS Абердин, первый крупный корабль, успешно оснащенный двигателем тройного расширения.[15]
  • 1887 – HMS Виктория спущен на воду, первый линкор с двигателями тройного расширения.[16]
  • 1891 г. - составные судовые двигатели тройного расширения, работающие под давлением 160 фунтов на квадратный дюйм, потребляли в среднем около 1,5 фунтов угля в час на указанную мощность.[14]

Приложения

Прокачка двигателей

Основная статья: Корнуолл двигатель

Мельничные двигатели

Основная статья: Стационарный паровой двигатель
Горизонтальный тандемный составной двигатель Marchent & Morley, построенный в 1914 году в Craven Mills, Cole. Воздушный насос и струйный конденсатор находятся ближе всего к цилиндру низкого давления за ним. Он оснащен запатентованными поршневыми клапанами Morley.

Хотя первые мельницы управлялись сила воды После внедрения паровых двигателей производителю больше не нужно было размещать мельницы с проточной водой. Для хлопкопрядения требовались все более крупные фабрики, и это заставляло владельцев требовать все более мощные двигатели. Когда давление в котле превысило 60 фунтов на квадратный дюйм, комбинированные двигатели достигли термодинамического преимущества, но именно механические преимущества более плавного хода были решающим фактором при принятии компаундов. В 1859 году было 75 886 л.с. (указанная мощность[ihp]) двигателей на заводах в районе Манчестера, из которых 32 282 л.с. были обеспечены компаундами, хотя только 41 189 л.с. были произведены из котлов, работающих под давлением более 60 фунтов на квадратный дюйм.[17]

В общем, между 1860 и 1926 годами все фабрики в Ланкашире управлялись компаундами. Последний комплекс построен Бакли и Тейлор за Уай № 2 мельница, Шоу. Этот двигатель представлял собой кросс-составную конструкцию до 2500 л.с., приводил в движение 24-футовый 90-тонный маховик и работал до 1965 года.[18]

Морские приложения

Основная статья: Морской паровой двигатель
Модель двигателя тройного расширения
Судовой двигатель 1890-х годов с тройным расширением (три цилиндра диаметром 26, 42 и 70 дюймов в общей раме с ходом 42 дюйма), который приводил в действие SS Христофор Колумб.
SS Уккопекка судовой двигатель тройного расширения
140-тонный - также описываемый как 135-тонный - вертикальный паровой двигатель тройного расширения, используемый для питания Вторая Мировая Война Корабли свободы, собран для тестирования перед доставкой. Двигатель имеет длину 21 фут (6,4 метра) и высоту 19 футов (5,8 метра) и рассчитан на работу на 76 об / мин и привести в движение корабль Liberty со скоростью около 11 узлов (12,7 миль / ч; 20,4 км / ч).

В морской среде основным требованием было автономность и увеличенная дальность действия, поскольку суда должны были нести свой уголь. Таким образом, старый водогрейный котел больше не подходил, и его пришлось заменить замкнутым контуром пресной воды с конденсатором. В результате с 1880 г. механизм множественного расширения используя три или четыре ступени расширения (тройной и двигатели с четырехкратным расширением). В этих двигателях использовался ряд цилиндров двустороннего действия с постепенно увеличивающимся диаметром и / или ходом (и, следовательно, объемом), предназначенных для разделения работы на три или четыре, в зависимости от случая, равные части для каждой ступени расширения. Если пространство ограничено, для ступени низкого давления можно использовать два цилиндра меньшего размера с большим суммарным объемом. В двигателях с многократным расширением цилиндры обычно располагались в линию, но использовались различные другие конструкции. В конце 19 века балансировочная «система» Ярроу-Шлика-Твиди использовалась на некоторых морских двигателях тройного расширения. Двигатели Y-S-T разделили ступени расширения низкого давления между двумя цилиндрами, по одному на каждом конце двигателя. Это позволило лучше сбалансировать коленчатый вал, что привело к более плавной работе двигателя с более быстрым откликом и меньшей вибрацией. Это сделало 4-цилиндровый двигатель тройного расширения популярным среди больших пассажирских лайнеров (таких как Олимпийский класс ), но в конечном итоге был заменен практически безвибрационным паровая турбина.

Разработка этого типа двигателя была важна для его использования на пароходах, так как при выпуске в конденсатор воду можно было повторно использовать для подпитки котла, который не мог использовать. морская вода. Наземные паровые двигатели могли просто выпустить большую часть своего пара, так как питательная вода обычно была легко доступна. До и во время Вторая Мировая Война, двигатель расширения преобладал в морских приложениях, где высокая скорость судна не была существенной. Когда требовалась скорость, она была заменена паровой турбиной, например, для военных кораблей и океанские лайнеры. HMS Дредноут 1905 года был первым крупным военным кораблем, который заменил проверенную технологию поршневого двигателя новой паровой турбиной.

Применение к железнодорожным локомотивам

Основная статья: Составной локомотив

Для железнодорожных локомотивов основным преимуществом, полученным от смешивания, была экономия топлива и расхода воды плюс высокое соотношение мощности и веса из-за перепада температуры и давления, происходящего в течение более длительного цикла, что привело к повышению эффективности; Дополнительные ощутимые преимущества включали более равномерный крутящий момент.

Хотя разработка составных локомотивов может появиться еще в Джеймс Сэмюэл патент 1856 г. на «локомотив непрерывного действия»,[19] практическая история компаундирования железных дорог начинается с Анатоль Малле в 1870-х гг. Молотковые локомотивы эксплуатировались в Соединенных Штатах до конца магистрального пара Норфолк и Западная железная дорога. Конструкции Альфред Джордж де Глен во Франции также широко использовались, особенно при реконструкции Андре Шапелон. Около 1900 г. было опробовано большое количество составных конструкций, но большинство из них не пользовались популярностью из-за их сложности и необходимости обслуживания. В ХХ веке перегреватель получил широкое распространение, и подавляющее большинство паровозов были простого расширения (с некоторыми составными локомотивами преобразованы в простые). Инженеры поняли, что локомотивы на постоянной скорости наиболее эффективно работают с широко открытым регулятором и ранним отключением, последнее настраивается с помощью реверсивного механизма. Локомотив, работающий при очень раннем прекращении подачи пара (например, при 15% хода поршня), обеспечивает максимальное расширение пара с меньшими потерями энергии в конце хода. Перегрев устраняет конденсацию и быструю потерю давления, которые в противном случае произошли бы при таком расширении.

На крупных американских локомотивах использовалось 2 комбинированных паровых воздушных компрессора, например Westinghouse 8 1/2 "150-D,[20] для тормозов поезда.

Примечания

^ Цилиндр фазировка: В двухцилиндровых соединениях, используемых в железнодорожных работах, поршни соединяются с кривошипами, как в двухцилиндровом простом соединении, сдвинутом по фазе на 90 ° друг к другу (четвертованный).

Когда группа двойного расширения дублируется, образуя 4-цилиндровый компаунд, отдельные поршни в группе обычно уравновешиваются на 180 °, а группы устанавливаются на 90 ° друг к другу. В одном случае (первый тип Состав Воклена ) поршни работали в той же фазе, приводя в движение общую траверсу и кривошип, снова установленный под углом 90 °, как для двухцилиндрового двигателя.

При трехцилиндровом составном устройстве кривошипы LP были установлены на 90 °, а один HP - на 135 ° относительно двух других, или в некоторых случаях все три кривошипа были установлены на 120 °.

^ ihp: Мощность мельничного двигателя первоначально измерялась в Номинальная мощность в лошадиных силах, но эта система занижала силу соединения McNaught система подходит для соединений, ihp или указанной мощности. Как показывает практика, в составном двигателе ihp в 2,6 раза больше nhp.[21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ван Римсдейк, Джон (1970), "Составной локомотив, части 1, 2, 3", Сделки Общества Ньюкоменов (2)
  2. ^ Ван Римсдейк, Составные локомотивы, стр. 4–9.
  3. ^ Холмы (1989), п. 147.
  4. ^ а б Райпут, Р. (2005), "17", Тепловая инженерия (5-е изд.), Бангалор, Нью-Дели: Laxmi Publications, стр. 723 et seq, ISBN  978-81-7008-834-9, OCLC  85232680
  5. ^ а б Семменс и Щегол (2000) С. 147, 162.
  6. ^ Ван Римсдейк, Составные локомотивы, стр. 2–3.
  7. ^ "Первый в мире паровой самолет" Популярная наука, Июль 1933 г., подробная статья с рисунками
  8. ^ Джордж и Уильям Беслер (29 апреля 2011 г.). Паровой самолет Беслера (YouTube). https://www.youtube.com/watch?v=nw6NFmcnW-8: Bomberguy.CS1 maint: location (связь)
  9. ^ Encyclopdia Britannica Online, получено 29 марта 2007 г.
  10. ^ Холмы (1989), п. 157.
  11. ^ Кларк, Артур Х. (1911). Эпоха кораблей Клипера 1843-1869. Нью-Йорк: G.P. Putnam Sons.
  12. ^ Национальный морской музей, Гринвич, Великобритания, http://collections.rmg.co.uk/collections/objects/66013.html
  13. ^ Джарвис, Адриан (1993). «9: Альфред Холт и составной двигатель». В Гардинере, Роберт; Гринхилл, доктор Бэзил (ред.). Пришествие пара - Торговый пароход до 1900 года. Conway Maritime Press. С. 158–159. ISBN  0-85177-563-2.
  14. ^ а б c d Холмы (1981), п. 241.
  15. ^ Дэй, Лэнс и Макнил, Ян (редакторы) 2013 г., Биографический словарь истории техники Рутледж, ISBN  0-203-02829-5 (Стр.694)
  16. ^ Макинтайр, Дональд; Купайся, Бэзил В (1974). Man of War - история боевого корабля. Отсылка к первому боевому кораблю с паровыми двигателями тройного расширения. Mcgraw-Hill Inc. стр. 95. ISBN  9780070445857.
  17. ^ Холмы (1989), п. 160.
  18. ^ Холмы (1989), п. 281.
  19. ^ Перепечатка факсимильных сообщений Compound Engines, Анн-Арбор, Мичиган: Научное издательство, Библиотека Мичиганского университета, 2005 г., стр. 16, 17, ISBN  1-4255-0657-7
  20. ^ 1941 Локомотивная циклопедия американской практики, одиннадцатое издание, Simmons-Boardman Publishing Corporation, 30 Church Street, New York, с.813
  21. ^ Холмы (1989), п. 145.

Библиография

внешняя ссылка