Войти
Схематическое изображение прямоточного парового двигателя.. Тарельчатые клапаны управляются вращающимся распределительным валом вверху. Пар высокого давления входит, красный, и выходит, желтый. В паровом двигателе однопоточного типа используется пар, который течет только в одном направлении в каждой половине цилиндра. Тепловой КПД увеличивается за счет температурного градиента вдоль цилиндра. Пар всегда входит в горячие концы цилиндра и выходит через отверстия в более холодном центре. За счет этого уменьшается относительный нагрев и охлаждение стенок цилиндра.
Гэллоуэй однопоточный паровой двигатель, теперь в Thinktank, Бирмингемский музей науки Вход пара обычно контролируется тарельчатыми клапанами (которые действуют аналогично тем, что 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 периода цикла кривошипа впускается пар, а затем вход тарельчатого клапана закрывается, обеспечивая непрерывное расширение пара во время хода, приводя в движение поршень. Ближе к концу хода поршень откроет кольцо выпускных отверстий, установленных радиально вокруг центра цилиндра. Эти порты соединены коллектором и трубопроводом с конденсатором, что снижает давление в камере ниже атмосферного, вызывая быстрое истощение. Продолжительное вращение кривошипа приводит в движение поршень. Из анимации можно увидеть особенности однопоточного двигателя: большой поршень почти на половину длины цилиндра, тарельчатые впускные клапаны на обоих концах, распределительный вал (движение которого основано на движении приводного вала) и центральное кольцо. выхлопных окон.
Однопоточные двигатели потенциально допускают большее расширение в одном цилиндре без относительно холодного выхлопного пара, протекающего через горячий конец рабочего цилиндра и паровые порты обычного «противотока» паровой двигатель во время такта выпуска. Это условие обеспечивает более высокий тепловой КПД. Выхлопные отверстия открыты только на небольшую часть хода поршня, при этом выпускные отверстия закрываются сразу после того, как поршень начинает движение к входному концу цилиндра. Пар, остающийся в цилиндре после закрытия выпускных отверстий, улавливается, и этот захваченный пар сжимается возвращающимся поршнем. Это термодинамически желательно, так как предварительно нагревается горячий конец цилиндра перед впуском пара. Однако риск чрезмерного сжатия часто приводит к тому, что на головках цилиндров находятся небольшие вспомогательные выпускные отверстия. Такая конструкция называется полупотоковым двигателем .
Двигатели этого типа обычно имеют несколько цилиндров, расположенных в ряд и могут быть одностороннего или двустороннего действия. Особое преимущество этого типа заключается в том, что клапаны могут работать под действием нескольких распределительных валов, и, изменяя относительную фазу этих распределительных валов, количество впускаемого пара может быть увеличено для высокого крутящего момента при низкой скорости и может быть уменьшено при крейсерская скорость для экономии эксплуатации. В качестве альтернативы конструкции, использующие более сложную кулачковую поверхность, позволяли варьировать синхронизацию за счет смещения всего распределительного вала в продольном направлении по сравнению с его ведомым элементом, что позволяло изменять время впуска. (Распределительный вал может переключаться с помощью механических или гидравлических устройств.) И, изменяя абсолютную фазу, можно изменить направление вращения двигателя. Однопоточная конструкция также поддерживает постоянный градиент температуры через цилиндр, избегая прохождения горячего и холодного пара через один и тот же конец цилиндра.
На практике прямоточный двигатель имеет ряд эксплуатационных недостатков. Большая степень расширения требует большого объема цилиндра. Чтобы получить от двигателя максимальную потенциальную работу, требуется высокая частота возвратно-поступательного движения, обычно на 80% быстрее, чем двигатель двустороннего действия противоточного типа. Это приводит к очень короткому времени открытия впускных клапанов, что создает большую нагрузку на хрупкую механическую часть. Чтобы выдерживать огромные механические силы, двигатели должны иметь прочную конструкцию, и требуется большой маховик для сглаживания колебаний крутящего момента, поскольку давление пара в цилиндре быстро растет и падает. Поскольку в цилиндре существует температурный градиент, металл стенки расширяется в разной степени. Для этого требуется, чтобы отверстие цилиндра в холодном центре было шире, чем в горячих концах. Если цилиндр не нагревается должным образом или в него попадает вода, хрупкое равновесие может быть нарушено, вызывая заедание в середине хода или, возможно, разрушение.
Однопоточный двигатель был впервые использован в Великобритании в 1827 году Джейкобом Перкинсом и был запатентован в 1885 году. Его популяризировал немецкий инженер Иоганн Штумпф в 1909 году, когда годом ранее в 1908 году был выпущен первый коммерческий стационарный двигатель.
В основном использовался принцип однопотока. для промышленной выработки электроэнергии, но также был опробован на нескольких железнодорожных локомотивах в Англии, таких как Северо-Восточная железная дорога прямоточные локомотивы № 825 1913 и 1919 годов, а также Локомотив Мидленд Рейлвей Пэджет. Эксперименты проводились также во Франции, Германии, США и России. Ни в коем случае результаты не были достаточно обнадеживающими для дальнейшего развития.
Первое крупномасштабное использование двигателя Uniflow было в паровозах Аткинсона в 1918 году.
Финальный рекламный ролик Эволюция однопоточного двигателя произошла в Соединенных Штатах в конце 1930-х и 1940-х годах компанией Skinner Engine Company с разработкой морского парового двигателя Compound Unaflow. Этот двигатель работает в конфигурации со ступенчатым соединением и обеспечивает эффективность, приближающуюся к современным дизелям. Так были оборудованы многие автомобильные паромы на Великих озерах, один из которых работает до сих пор, SS Badger 1952 года. Класс Casablanca эскортный авианосец, самая плодовитая конструкция авианосца в истории, использовала два 5-цилиндровых двигателя Skinner Unaflow, но это не были ступенчатые соединения. Несоставной Skinner Uniflow оставался в эксплуатации до 2013 года на цементовозе Great Lakes SS St.Marys Challenger, установленном при перевооружении судна в 1950 году.
Небольшие размеры ( менее 1000 л.с. (750 кВт)), поршневые паровые двигатели намного эффективнее паровых турбин. Солнечная электростанция White Cliffs использовала трехцилиндровый прямоточный двигатель с впускными клапанами типа «Баш » для выработки электрической мощности около 25 кВт.
Конфигурация одностороннего прямоточного парового двигателя очень похожа на конфигурацию двухтактного двигателя внутреннего сгорания, и это возможно преобразование двухтактного двигателя в паровой двигатель с прямоточным потоком путем подачи в цилиндр пара через «запорный клапан », установленный вместо свечи зажигания. Когда поднимающийся поршень приближается к вершине своего хода, он открывает запорный клапан, чтобы пропустить импульс пара. Клапан закрывается автоматически, когда поршень опускается, и пар выходит через имеющееся отверстие в цилиндре. Затем инерция маховика переносит поршень обратно в верхнюю часть своего хода против сжатия, как это происходит в исходной форме двигателя. Как и в оригинале, преобразование не запускается автоматически и для запуска должно быть отключено от внешнего источника питания. Примером такого преобразования является паровой мопед, который запускается с помощью педалирования.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с паровыми двигателями Uniflow. |
