Паровой двигатель

Составной паровой двигатель — это тип парового двигателя , в котором пар расширяется в два или более этапов. ^{[1] [2]} Типичная схема составного двигателя заключается в том, что пар сначала расширяется в цилиндре высокого давления (ВД) , затем, отдав тепло и потеряв давление, он выпускается непосредственно в один или несколько цилиндров низкого давления (НД) большего объема. Двигатели многократного расширения используют дополнительные цилиндры, с постепенно уменьшающимся давлением, для извлечения дополнительной энергии из пара. ^[3]

Эта технология была изобретена в 1781 году и впервые применена на корнуольном двигателе в 1804 году. Около 1850 года составные двигатели впервые появились на текстильных фабриках Ланкашира.

Существует множество составных систем и конфигураций, но есть два основных типа, в зависимости от того, как фазируются ходы поршней высокого и низкого давления и, следовательно, может ли выхлоп высокого давления проходить непосредственно из высокого давления в низкое давление ( соединений Вульфа ) или же колебания давления требуют промежуточного «буферного» пространства в виде паровой коробки или трубы, известной как ресивер (соединений ресиверов). ^[4]

В паровом двигателе с одинарным расширением (или «простом») пар высокого давления поступает в цилиндр под давлением котла через впускной клапан. Давление пара заставляет поршень опускаться вниз по цилиндру, пока клапан не закроется (например, после 25% хода поршня). После прекращения подачи пара захваченный пар продолжает расширяться, толкая поршень к концу его хода, где открывается выпускной клапан и выбрасывает частично истощенный пар в атмосферу или в конденсатор. Это « отсечение » позволяет извлечь гораздо больше работы, поскольку расширение пара выполняет дополнительную работу сверх той, что выполняется паром под давлением котла. ^[5]

Более раннее отключение увеличивает степень расширения, что в принципе позволяет извлекать больше энергии и повышает эффективность. В идеале пар будет расширяться адиабатически , а температура упадет в соответствии с увеличением объема. Однако на практике материал окружающего цилиндра действует как тепловой резервуар, охлаждая пар на ранней стадии расширения и нагревая его на поздней. Эти необратимые тепловые потоки снижают эффективность процесса, так что после определенной точки дальнейшее увеличение степени расширения фактически снизит эффективность, в дополнение к снижению среднего эффективного давления и, следовательно, мощности двигателя. ^[5]

Решение этой дилеммы было изобретено в 1804 году британским инженером Артуром Вульфом , который запатентовал свой двигатель высокого давления Woolf в 1805 году. В двигателе высокого давления пар 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 в нескольких цилиндрах, и, поскольку в каждом цилиндре расширение меньше, пар меньше охлаждается в каждом цилиндре, что делает более высокие степени расширения практичными и повышает эффективность двигателя.

Есть и другие преимущества: поскольку диапазон температур меньше, конденсация цилиндра уменьшается. Потери из-за конденсации ограничиваются цилиндром низкого давления. Разница давления меньше в каждом цилиндре, поэтому утечка пара на поршне и клапанах меньше. Крутящий момент более равномерный, поэтому балансировка проще, и можно использовать меньший маховик. Только меньший цилиндр высокого давления должен быть построен так, чтобы выдерживать самое высокое давление, что снижает общий вес. Аналогично, компоненты подвергаются меньшей нагрузке, поэтому они могут быть легче. Возвратно-поступательные части двигателя легче, что снижает вибрации двигателя. Компаунд может быть запущен в любой точке цикла, и в случае механического отказа компаунд может быть сброшен, чтобы действовать как простой, и, таким образом, продолжать работать. ^[4]

Для получения равной работы от пара низкого давления требуется больший объем цилиндра, поскольку этот пар занимает больший объем. Поэтому диаметр цилиндра, а в редких случаях и ход поршня увеличиваются в цилиндрах низкого давления, что приводит к увеличению цилиндров.

Двигатели двойного расширения (обычно называемые просто «составными») расширяют пар в два этапа, но это не означает, что все такие двигатели имеют два цилиндра. Они могут иметь четыре цилиндра, работающих как две пары LP-HP, или работа большого цилиндра LP может быть разделена между двумя меньшими цилиндрами, при этом один цилиндр HP выпускается в любой цилиндр LP, что дает 3-цилиндровую компоновку, где диаметр цилиндра и поршня всех трех примерно одинаковы, что упрощает балансировку возвратно-поступательных масс.

Двухцилиндровые соединения могут быть скомпонованы следующим образом:

• Перекрестное соединение – цилиндры расположены рядом
• Тандемное соединение – цилиндры расположены вплотную друг к другу и приводят в движение общий шатун.
• Телескопический-компаунд – цилиндры находятся один внутри другого
• Угловое соединение – цилиндры расположены V-образно (обычно под углом 90°) и приводят в движение общий кривошип. ^{[Фазировка цилиндров]}

Компаундирование было широко распространено для стационарных промышленных установок, где требовалась повышенная мощность при снижении стоимости, и почти повсеместно для судовых двигателей после 1880 года. Оно не получило широкого распространения в железнодорожных локомотивах, где его часто считали сложным и неподходящим для суровых условий эксплуатации железной дороги и ограниченного пространства, предоставляемого габаритом погрузки (особенно в Великобритании). Компаундирование никогда не было распространено на британских железных дорогах и вообще не применялось после 1930 года, но использовалось ограниченно во многих других странах. ^[6]

Первая успешная попытка полета на самолете тяжелее воздуха с фиксированным крылом исключительно на паровой тяге произошла в 1933 году, когда Джордж и Уильям Беслер переоборудовали биплан Travel Air 2000 для полета на 150-сильном V-образном паровом двигателе собственной конструкции вместо обычного рядного или радиального авиационного бензинового двигателя Curtiss OX-5, который обычно использовался. ^{[7] [8]}

Это логическое расширение составного двигателя (описанного выше) для разделения расширения на еще большее количество этапов для повышения эффективности. Результатом является двигатель многократного расширения . Такие двигатели используют либо три, либо четыре этапа расширения и известны как двигатели тройного и четверного расширения соответственно. Эти двигатели используют ряд цилиндров двойного действия с постепенно увеличивающимся диаметром и/или ходом поршня и, следовательно, объемом. Эти цилиндры предназначены для разделения работы на три или четыре равные части, по одной на каждую стадию расширения. На соседнем изображении показана анимация двигателя тройного расширения. Пар проходит через двигатель слева направо. Клапанная коробка для каждого из цилиндров находится слева от соответствующего цилиндра.

Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, дополнив его. ( Декабрь 2009 )

• 1781 – Джонатан Хорнблауэр , внук одного из установщиков двигателей Ньюкомена в Корнуолле, запатентовал двухцилиндровый двигатель с составной возвратно-поступательной балкой в ​​1781 году. Ему помешал в его дальнейшей разработке Джеймс Уатт , который утверждал, что его собственные патенты были нарушены. ^[9]
• 1797 - Ричард Тревитик разрабатывает эффективную паровую машину высокого давления. ^[10]
• 1804 – Артур Вульф разрабатывает стационарный двигатель высокого давления Вульфа , запатентованный в 1805 году. Двигатель Вульфа уменьшил возросшую величину постоянного нагрева и охлаждения парового двигателя высокого давления с одним расширением, что приводило к неэффективности. Он также решил проблему, связанную с тем, что современные чугунные цилиндры не могли с этим справиться.

• 1833 – Hercules (1829) был модифицирован для использования цилиндра сверхнизкого давления, взятого у Agrippina , с паром из ее цилиндров высокого давления. Эта модификация была разработана голландским инженером Герхардом Морицем Рентгеном , ^[11] сделавшим его изобретателем морского составного парового двигателя. Паровой колесный буксир затем успешно использовался для службы на реке Вааль , ^[12] став первым судном с составным паровым двигателем, введенным в эксплуатацию. ^[13]
• 1845 – Уильям Макнот разработал метод установки дополнительного цилиндра высокого давления в существующий двигатель с балкой. Для этого потребовалось использовать длинную трубу для соединения цилиндров и дополнительный набор клапанов для их балансировки. По сути, это действовало как приемный ящик, и был изобретен новый тип соединения. Эта система позволяла лучше контролировать впуск пара и отсечки. Двигатель можно было замедлить либо дросселем, который уменьшал давление пара, либо регулировкой отсечки на любом цилиндре. Последнее было более эффективным, так как не терялась мощность. Цикл был более плавным, так как два цилиндра не были в фазе. ^[14]
• 1865 – Спущен на воду пароход SS  Agamemnon  (1865) , оснащенный паровым двигателем мощностью 300 л. с . Двигатель был разработан Альфредом Холтом , одним из его владельцев. Холт убедил Совет по торговле разрешить давление в котле 60 фунтов на квадратный дюйм вместо обычных 25 фунтов на квадратный дюйм — для реализации преимуществ двойного расширения требовалось более высокое давление. Полученная эффективность позволила этому кораблю пройти 8500 миль до загрузки углем . Это сделало его конкурентоспособным на маршрутах между Китаем и Великобританией. ^{[15] [16] [17]}

• 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 Victoria Mills, Dukinfield , который открылся в 1867 году. ^[18]
• 1871 – Шарль Норман из Гавра установил двигатель тройного расширения на судне, плававшем по Сене в 1871 году. ^[18]
• 1872 г. – Сэр Фредрик Дж. Брамвелл сообщил, что судовые двигатели, работающие при давлении от 45 до 60 фунтов на квадратный дюйм, потребляют от 2 до 2,5 фунтов угля в час на указанную лошадиную силу. ^[18]
• 1881 – Александр Карнеги Кирк построил SS Aberdeen , первое крупное судно, успешно оснащенное двигателем тройного расширения. ^[19] Успех зависел от решения проблемы проектирования котла, который мог бы работать при (тогда) высоких давлениях, необходимых для реализации преимуществ тройного расширения. ^{[20] : 106–111}
• 1887 – Спущен на воду корабль HMS Victoria , первый линкор, оснащенный двигателями тройного расширения. ^[21]
• 1891 г. – Судовые двигатели тройного расширения, работающие при давлении 160 фунтов на квадратный дюйм, потребляли в среднем около 1,5 фунта угля в час на указанную лошадиную силу. ^[18]

Хотя первые мельницы приводились в движение силой воды , как только были приняты паровые двигатели, производителю больше не нужно было размещать мельницы у проточной воды. Хлопкопрядение требовало все более крупных мельниц для удовлетворения спроса, и это заставило владельцев требовать все более мощные двигатели. Когда давление в котле превысило 60 фунтов на квадратный дюйм, составные двигатели достигли термодинамического преимущества, но именно механические преимущества более плавного хода стали решающим фактором в принятии составных двигателей. В 1859 году на мельницах в районе Манчестера было 75 886 л. с. (указанная лошадиная сила ^{[л. с.]} ) двигателей, из которых 32 282 л. с. обеспечивались составными двигателями, хотя только 41 189 л. с. были получены из котлов, работающих при давлении более 60 фунтов на квадратный дюйм. ^[22]

Обобщая, можно сказать, что между 1860 и 1926 годами все мельницы Ланкашира работали на компаундах. Последний компаунд был построен Бакли и Тейлором для мельницы Уай № 2, Шоу . Этот двигатель имел конструкцию кросс-компаунда мощностью 2500 л. с., приводил в движение 24-футовый 90-тонный маховик и проработал до 1965 года. ^[23]

В морской среде общим требованием была автономность и увеличенный рабочий диапазон, поскольку судам приходилось перевозить свои запасы угля. Таким образом, старый котел с соленой водой больше не подходил и его пришлось заменить замкнутым контуром пресной воды с конденсатором. Результатом с 1880 года стал двигатель многократного расширения, использующий три или четыре ступени расширения ( двигатели тройного и четверного расширения ). Эти двигатели использовали ряд цилиндров двойного действия с постепенно увеличивающимся диаметром и/или ходом (и, следовательно, объемом), предназначенных для разделения работы на три или четыре, в зависимости от обстоятельств, равные части для каждой ступени расширения. Когда пространство в дефиците, два меньших цилиндра с большим суммарным объемом могли использоваться для ступени низкого давления. Двигатели многократного расширения обычно имели цилиндры, расположенные в ряд, но использовались и другие конструкции. В конце 19 века на некоторых морских двигателях тройного расширения использовалась «система» балансировки Ярроу-Шлика-Твиди. Двигатели YST разделили ступени расширения низкого давления между двумя цилиндрами, по одному на каждом конце двигателя. Это позволило лучше сбалансировать коленчатый вал, что привело к более плавному, быстрому отклику двигателя, который работал с меньшей вибрацией. Это сделало 4-цилиндровый двигатель тройного расширения популярным на больших пассажирских лайнерах (таких как класс Olympic ), но в конечном итоге был заменен практически безвибрационной паровой турбиной .

Разработка этого типа двигателя была важна для его использования на пароходах, так как путем выпуска в конденсатор вода могла быть возвращена для питания котла, который не мог использовать морскую воду . Наземные паровые двигатели могли просто выпускать большую часть своего пара, так как питательная вода обычно была легкодоступна. До и во время Второй мировой войны двигатель расширения доминировал в морских приложениях, где высокая скорость судна не была важна. Он был заменен паровой турбиной, когда требовалась скорость, например, для военных кораблей и океанских лайнеров . HMS Dreadnought 1905 года был первым крупным военным кораблем, который заменил проверенную технологию поршневого двигателя на тогда еще новую паровую турбину.

Для железнодорожных локомотивов основным преимуществом компаундирования была экономия топлива и воды, а также высокое соотношение мощности и веса за счет падения температуры и давления в течение более длительного цикла, что приводило к повышению эффективности; к дополнительным предполагаемым преимуществам относился более равномерный крутящий момент.

Хотя конструкции составных локомотивов могут датироваться еще патентом Джеймса Сэмюэля 1856 года на «локомотив непрерывного расширения», ^[24] практическая история железнодорожного компаундирования начинается с конструкций Анатоля Маллета в 1870-х годах. Локомотивы Маллета эксплуатировались в Соединенных Штатах вплоть до конца существования магистрального пара на Норфолкской и Западной железной дороге . Конструкции Альфреда Джорджа де Глена во Франции также нашли значительное применение, особенно при перестройках Андре Шапелона . Большое количество составных конструкций было опробовано около 1900 года, но большинство из них были недолго популярны из-за их сложности и ответственности за техническое обслуживание. В 20 веке пароперегреватель получил широкое распространение, и подавляющее большинство паровозов были простого расширения (некоторые составные локомотивы были преобразованы в простые). Инженеры поняли, что локомотивы на постоянной скорости работали наиболее эффективно с широко открытым регулятором и ранним отключением, последнее устанавливалось с помощью реверсивной передачи. Локомотив, работающий при очень раннем отключении пара (например, при 15% хода поршня), обеспечивает максимальное расширение пара с меньшими потерями энергии в конце хода. Перегрев исключает конденсацию и быструю потерю давления, которые в противном случае произошли бы при таком расширении.

На больших американских локомотивах для тормозов поезда использовались два паровых воздушных компрессора с перекрестным приводом, например, Westinghouse 8 1/2" 150-D, ^{[25] .}

Презентация следует учебнику Зоммерфельда, содержащему диаграмму (рисунок 17), которая не воспроизводится по соображениям авторского права. ^[26]

Рассмотрим 4-цилиндровый двигатель на корабле. Пусть x будет вертикальным направлением, z будет направлением вперед-назад, а y будет направлением левый-правый борт. Пусть 4 цилиндра будут установлены в ряд вдоль оси z так, чтобы их поршни были направлены вниз. Поршни соединены с одним и тем же коленчатым валом посредством длинных вертикальных стержней. Теперь мы устанавливаем основные величины двигателя:

• Пусть — эффективные массы составной системы поршень-шток каждого цилиндра.${\displaystyle М_{1},М_{2},М_{3},М_{4}}$
• Пусть цилиндр 2 отделен от цилиндра 1 расстоянием вдоль оси z, и аналогично для .${\displaystyle а_{2}}$${\displaystyle а_{3},а_{4}}$
• Пусть — длина каждого стержня цилиндра.${\displaystyle l_{1},l_{2},l_{3},l_{4}}$
• Пусть — радиусы соединителя коленчатого вала каждого цилиндра.${\displaystyle r_{1},r_{2},r_{3},r_{4}}$
• Пусть — угол соединения коленчатого вала каждого цилиндра.${\displaystyle \phi _{1},\phi _{2},\phi _{3},\phi _{4}}$
• Поскольку коленчатый вал вращается одновременно всеми цилиндрами, является постоянной величиной для каждого из .${\displaystyle \phi _{i}-\phi _{1}}$${\displaystyle \альфа _{я}}$${\displaystyle я=2,3,4}$

Теперь, когда двигатель работает, вертикальное положение цилиндра равно . По тригонометрии имеем${\displaystyle я}$${\displaystyle x_{i}}$

$${\displaystyle x_{i}=r_{i}\cos \phi _{i}+{\sqrt {l_{i}^{2}(r_{i}\sin \phi _{i})^{2}}}=l_{1}+r_{i}\cos \phi _{i}-{\frac {r_{i}^{2}}{l_{i}}}(1-\cos(2\phi _{i}))/2+O(r_{i}^{3}/l^{2})}$$

Когда каждый цилиндр движется вверх и вниз, он оказывает вертикальное усилие на свою монтажную раму, равное . Система YST стремится обеспечить максимально точное погашение всех 4 сил. В частности, она стремится обеспечить, чтобы как общая сила (вдоль оси x), так и общий крутящий момент (вокруг оси y) были равны нулю:${\displaystyle M_{i}{\ddot {x}}_{i}}$

$${\displaystyle \sum _{i=1}^{4}M_{i}{\ddot {x}}_{i}=0;\quad \sum _{i=2}^{4}M_{i }a_{i}{\ddot {x}}_{i}=0}$$

Этого можно достичь, если

$${\displaystyle \sum _{i=1}^{4}M_{i}x_{i}=Const;\quad \sum _{i=2}^{4}M_{i}a_{i}x_{i}=Const}$$

Теперь, подставляя уравнения, мы обнаруживаем, что это означает (до второго порядка)

$${\displaystyle \sum _{i=1}^{4}M_{i}(r_{i}\cos \phi _{i}-{\frac {r_{i}^{2}}{2l_{i}}}\cos(2\phi _{i}))=0;\quad \sum _{i=2}^{4}M_{i}a_{i}(r_{i}\cos \phi _{i}-{\frac {r_{i}^{2}}{2l_{i}}}\cos(2\phi _{i}))=0}$$

Подставляя и расширяя функции косинуса, мы видим, что при произвольном множители должны исчезать по отдельности. Это дает нам 8 уравнений для решения, что в общем случае возможно, если в системе есть по крайней мере 8 переменных, которые мы можем варьировать.${\displaystyle \phi _{i}=\phi _{1}+\alpha _{i}}$${\displaystyle \фи _{1}}$${\displaystyle \sin(\phi _{1}),\cos(\phi _{1}),\sin(2\phi _{1}),\cos(2\phi _{1})}$

Из переменных системы, фиксируются конструкцией цилиндров. Кроме того, абсолютные значения не имеют значения, важны только их отношения. Вместе это дает нам 9 переменных для варьирования: .${\displaystyle M_{i},r_{i}}$${\displaystyle а_{2},а_{3},а_{4}}$${\displaystyle l_{1},l_{2},l_{3},l_{4},{\frac {a_{3}}{a_{2}}},{\frac {a_{4}} a_{2}}},\alpha _{2},\alpha _{3},\alpha _{4}}$

Система YST требует не менее 4 цилиндров. При 3 цилиндрах тот же вывод дает нам только 6 переменных для варьирования, что недостаточно для решения всех 8 уравнений.

Система YST используется на таких кораблях, как SS Kaiser Wilhelm der Grosse и SS Deutschland (1900) . ^[27]

^  Фазировка цилиндров:   в двухцилиндровых двигателях, используемых в железнодорожных работах, поршни соединены с кривошипами как в двухцилиндровом двигателе, сдвинуты по фазе на 90° друг относительно друга ( четверть ).

Когда группа двойного расширения дублируется, создавая 4-цилиндровый компаунд, отдельные поршни в группе обычно уравновешиваются на 180°, а группы устанавливаются на 90° друг к другу. В одном случае (первый тип компаунда Vauclain ) поршни работали в одной фазе, приводя в движение общий крейцкопф и кривошип, снова установленные на 90°, как для двухцилиндрового двигателя.

При компоновке с тремя цилиндрами коленвалы низкого давления устанавливались либо под углом 90°, а коленвал высокого давления — под углом 135° к двум другим, либо, в некоторых случаях, все три коленвала устанавливались под углом 120°.

^  ihp:   Мощность мельничного двигателя изначально измерялась в номинальной лошадиной силе , но эта система занижала мощность составной системы Макнота , подходящей для составных, ihp или указанной лошадиной силы. Как правило, ihp в составном двигателе в 2,6 раза больше nhp. ^[28]

• Компаундная турбина
• двигатель Вилланса

• Гурр, Дункан; Хант, Джулиан (1998), Хлопковые фабрики Олдхэма, Oldham Education & Leisure, ISBN 0-902809-46-6, заархивировано из оригинала 18 июля 2011 г. , извлечено 11 октября 2009 г.
• Нейсмит, Джозеф (1895), Современное строительство и проектирование хлопчатобумажных фабрик, Лондон: Джон Хейвуд, стр. 284, ISBN 1-4021-4558-6
• Робертс, А.С. (1921), «Список двигателей Артура Робертса», Черная книга Артура Робертса. , Один парень из Barlick-Book Transcription, архивировано из оригинала 23 июля 2011 г. , извлечено 11 января 2009 г.
• Уильямс, Майк; Фарни (1992), Хлопковые фабрики Большого Манчестера , Carnegie Publishing, ISBN 0-948789-89-1
• Холст, К. П. (1926), Балансировка многокривошипных паровых машин , Brill, Leiden Publishing, OCLC  494164185

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Композитные паровые машины» .

• Общество двигателей Northern Mill в Музее паровых двигателей в Болтоне