Составной паровой двигатель

редактировать

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

A составная паровая машина блок представляет собой тип паровой машины, в которой пар расширяется в две или более ступеней. Типичная компоновка для составного двигателя состоит в том, что пар сначала расширяется в цилиндре высокого давления (HP) , затем, отдав тепло и теряя давление, он выходит непосредственно в один или несколько малых резервуаров большего объема. -цилиндры высокого давления (НД). В двигателях многократного расширения используются дополнительные цилиндры со все более низким давлением для извлечения дополнительной энергии из пара.

Изобретенный в 1781 году, этот метод был впервые применен в корнуоллском лучевом двигателе в 1804 году. Примерно в 1850 году составные двигатели были впервые представлены на текстильных фабриках Ланкашира.

Содержание

  • 1 Составные системы
    • 1.1 Составные машины
    • 1.2 Множественные механизмы расширения
  • 2 История
    • 2.1 Ранние работы
    • 2.2 Двойное расширение
    • 2.3 Множественное расширение
  • 3 Приложения
    • 3.1 Насосные двигатели
    • 3.2 Мельничные двигатели
    • 3.3 Морские применения
    • 3.4 Применение на железнодорожных локомотивах
  • 4 Примечания
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Библиография
  • 8 Внешние ссылки

Составные системы

Существует много составных систем и конфигураций, но есть два основных типа, в зависимости от того, как фазируются ходы поршней высокого и низкого давления и, следовательно, от того, может переходить непосредственно от высокого давления к низкому давлению (соединения Вульфа ) или при колебаниях давления требуется промежуточное «буферное» пространство в виде парового резервуара или трубы, известной как ресивер ().

В паровом двигателе одинарного расширения (или «простом») пар высокого давления входит 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 до конца своего хода, где выпускной клапан открывается и выталкивает частично обедненный пар в атмосферу или в конденсатор. Эта «отсечка » позволяет извлекать гораздо больше работы, поскольку расширение пара выполняет дополнительную работу помимо той, которую выполняет пар при давлении в котле.

Более ранняя отсечка- off 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 тепло не выделялось из системы (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. За пределами определенной точки дальнейшее увеличение степени расширения фактически снизит эффективность из-за увеличения нагрева и охлаждения.

Компаундирование двигателей

Метод уменьшения величины этого нагрева и охлаждения был изобретен в 1804 г. - британский инженер 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 входит в него. 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 высокие коэффициенты 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. крутящий момент более однороден, поэтому балансировка упрощается, 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 вернуть в исходное состояние, чтобы он работал как простой, и, таким образом, продолжал работать.

Чтобы получить равную работу от пара низкого давления требуется больший объем цилиндра, так как 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 двойного расширения (обычно известные как «составные») расширяют пар в две стадии, 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 расположены следующим образом:

  • Перекрестное соединение - цилиндры расположены бок о бок
  • Тандемное соединение - цилиндры встают встык, управляя общим шатун
  • Телескопический состав - цилиндры расположены один внутри другого
  • Угловой состав - цилиндры расположены V-образно (обычно под углом 90 °) и приводят в движение общий кривошип.

Применение компаундирования было широко распространено для стационарных промышленных установок, где требовалось увеличение мощности при снижении стоимости, и почти универсально для судовых двигателей после 1880 года. Оно не использовалось широко в железнодорожных локомотивах, где оно было часто воспринимается как сложный и неподходящий для суровых условий эксплуатации железных дорог и ограниченного пространства, предоставляемого габаритом груза (особенно в Великобритании). Компаундирование никогда не было обычным явлением на британских железных дорогах и вообще не применялось после 1930 года, но использовалось ограниченно во многих других странах.

Первая успешная попытка использовать только самолет тяжелее воздуха с неподвижным крылом на паровой тяге произошло в 1933 году, когда Джордж и Уильям Беслер переделали биплан Travel Air 2000, чтобы летать на угловом паровом двигателе V-twin мощностью 150 л.с. обычный Curtiss OX-5 рядный или радиальный авиационный бензиновый двигатель, который он обычно использовал бы.

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 ступеней. для повышения эффективности. Результатом является механизм множественного расширения . Такие двигатели используют либо три, либо четыре ступени расширения и известны как двигатели с тройным и 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

Ранние работы

  • 1781 - Джонатан Хорнблауэр, внук одного из монтажников двигателей Newcomen в Корнуолле, запатентовал двухцилиндровый двухцилиндровый поршневой двигатель лучевой двигатель в 1781 году. Ему помешал развивать его дальше Джеймс Ватт, который утверждал, что его собственные патенты были нарушены.
  • 1804 - A Британский инженер Артур Вульф изобрел метод уменьшения величины непрерывного нагрева и охлаждения парового двигателя одинарного расширения, приводящего к неэффективности. Вульф запатентовал свой стационарный составной двигатель высокого давления Woolf в 1805 году.

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 это действовало 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, так как два цилиндра не были синхронизированы.
  • 1865 - SS Agamemnon (1865) был запущен, оснащенный составным паровым двигателем мощностью 300 л.с.. Двигатель был разработан Альфредом Холтом, одним из ее владельцев. Холт убедил Торговую палату разрешить давление в котле 60 фунтов на квадратный дюйм вместо обычных 25 фунтов на квадратный дюйм - для реализации преимуществ двойное расширение. Полученная эффективность позволила этому кораблю пройти 8 500 миль до угля. Это сделало ее конкурентоспособной на маршрутах между Китаем и Великобританией.

Многократное расширение

Комбинированный двигатель Coldharbour Mill Pollit and Wigzell, который управляет канатной гонкой, видимой на заднем плане, передавая мощность на линейные валы на всех пяти уровнях комбината
  • 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, Дукинфилд, который открылся в 1867 году.
  • 1871 - Шарль Норманд из Гавра в 1871 году установил двигатель тройного расширения на лодку по реке Сена.
  • 1872 - Сэр Фредрик Дж. Брамвелл 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.
  • 1881 - Александр Карнеги Кирк построил SS Aberdeen, первый крупный корабль, который был успешно оснащен двигателем тройного расширения.
  • 1887 - HMS Victoria спущен на воду, первый линкор с двигателями тройного расширения.
  • 1891 - Составные морские двигатели тройного расширения, работающие при давлении 160 фунтов на квадратный дюйм, потребляли в среднем около 1,5 фунтов угля в час на каждую указанную мощность.

Применения

Перекачивающие двигатели

Двигатели мельниц

Горизонтальный тандемный составной двигатель Marchent Morley, построенный в 1914 году на заводе 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 приводились в движение гидроэнергетикой, после внедрения паровых двигателей производителю больше не нужно было размещать мельницы с помощью проточной воды. 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 на заводах в районе Манчестера было 75 886 лошадиных сил (указанная мощность) двигателей, из которых 32 282 лошадиных силы были обеспечены соединениями, хотя только 41 189 лошадиных сил были произведены котлами, работающими под давлением более 60 фунтов на квадратный дюйм.

В общем, между 1860 и 1926 годами все мельницы Ланкашира управлялись соединениями. Последний комплекс построили Бакли и Тейлор для мельницы Уай №2, Шоу. Этот двигатель представлял собой комбинированную конструкцию мощностью 2500 л.с., приводил в движение маховик длиной 24 фута и массой 90 тонн и работал до 1965 года.

Морские применения

Модель двигателя тройного расширения 1890-х годов тройного расширения. Расширение (три цилиндра диаметром 26, 42 и 70 дюймов в общей раме с ходом 42 дюйма) морской двигатель, который приводил в действие SS Christopher Columbus. SS Ukkopekka судовой двигатель тройного расширения 140-тонный - также описываемый как 135-тонный - вертикальный паровой двигатель тройного расширения типа, который использовался для питания кораблей Второй мировой войны кораблей Liberty, собранных для испытаний перед доставкой. Двигатель имеет длину 21 фут (6,4 метра) и высоту 19 футов (5,8 метра) и был разработан для работы со скоростью 76 об / мин и движением корабля Liberty со скоростью около 11 узлов (12,7 миль / ч; 20,4 км / ч).

В морской среде основным требованием была автономия и увеличенная дальность действия, поскольку корабли должны были нести свой уголь. Таким образом, старый водогрейный котел больше не подходил, и его пришлось заменить замкнутым контуром пресной воды с конденсатором. Результатом, начиная с 1880 года, стал механизм многократного расширения, использующий три или четыре ступени расширения (двигатели трех- и четырехкратного расширения). В этих двигателях использовался 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 ситуации, 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 на одной линии, но использовались и 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 безвибрационной паровой турбиной .

. Этот тип двигателя был важен для его использования на пароходах, так как при выпуске в конденсатор воду можно было регенерировать для подпитки котла, который не мог использовать морскую воду. Наземные паровые машины могли просто выпустить большую часть своего пара, поскольку питательная вода обычно была легко доступна. До и во время Второй мировой войны расширительный двигатель доминировал в морских приложениях, где высокая скорость судна не имела значения. Когда требовалась скорость, она была заменена паровой турбиной, например, для военных кораблей и океанских лайнеров. HMS Dreadnought 1905 года был первым крупным военным кораблем, который заменил испытанную технологию поршневого двигателя новой паровой турбиной.

Применение в железнодорожных локомотивах

Для применения в железнодорожных локомотивах основным преимуществом, полученным от компаундирования, является экономия топлива и воды, а также высокое соотношение мощности и веса из-за перепада температуры и давления, происходящего в течение более длительного времени. цикл, что приводит к повышению эффективности; Дополнительные ощутимые преимущества включали более равномерный крутящий момент.

Хотя разработка составных локомотивов может начаться еще со времен патента Джеймса Сэмюэля 1856 года на «локомотив непрерывного расширения», практическая история составления железных дорог начинается с Анатоля Маллета в 1870-х гг. Локомотивы Mallet эксплуатировались в Соединенных Штатах до окончания магистрального пара на Норфолкской и Западной железной дороге. Проекты Альфреда Джорджа де Глена во Франции также нашли широкое применение, особенно при реконструкции Андре Чапелона. Около 1900 года было опробовано большое количество составных конструкций, но большинство из них не пользовались популярностью из-за их сложности и необходимости обслуживания. В 20-м веке пароперегреватель получил широкое распространение, и подавляющее большинство паровозов были паровозами простого расширения (некоторые составные локомотивы были 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, для тормозов поездов.

Примечания

^Фазирование цилиндров: В двухцилиндровых соединениях, используемых в железнодорожных работах, поршни соединяются с кривошипами как с простым двухцилиндровым двигателем, находящимся в противофазе на 90 ° (разделенные на четыре части).

Когда группа двойного расширения дублируется, образуя 4-цилиндровый состав, отдельные поршни в группе обычно уравновешивается на 180 °, 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, опять же установлен на 90 °, как для двухцилиндрового двигателя.

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

^ihp: Мощность мельничного двигателя первоначально измерялась в номинальной мощности в лошадиных силах, но эта система занижала мощность соединения Система МакНота подходит для соединений, ihp или указанной мощности. Как показывает опыт, ihp в составном двигателе в 2,6 раза больше nhp..

См. Также

Ссылки

Библиография

Внешние ссылки

Викискладе есть средства массовой информации, связанные с . составными паровыми двигателями.
Последняя правка сделана 2021-05-15 08:22:15
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте