Высокоскоростной паровой двигатель - Википедия - High-speed steam engine

Поздно Эшворт и Паркер генераторная установка, установлена ​​в 1988 г.
Ранний горизонтальный двигатель с динамо-машиной с прямым соединением

Скоростные паровые машины были одним из последних достижений стационарный паровой двигатель. Они бежали на большой скорости, несколько сотен оборотов в минуту,[1] что было необходимо для таких задач, как производство электроэнергии.[2]

Определяющие характеристики

Питерское братство двигатель около 1900 г., поставленный на Королевский флот для бортовой генерации

У них есть две основные характеристики:

  • Высокоскоростной.
Этого достаточно, чтобы проехать небольшой динамо напрямую, а не в повышающем приводе ремнями.
  • Точная регулировка скорости.
Генерация с помощью динамо-машины требует стабильной скорости вращения для стабильного выходного напряжения даже при изменении нагрузки. Когда генератор при управлении, выходная частота также зависела от стабильной скорости вращения.

Это также привело к появлению ряда второстепенных характеристик. Хотя они не были определяющими для типа или всегда были таковыми, они были широко распространены:

  • Улучшенная смазка, как того требует их высокая скорость.
При этом часто использовался закрытый картер с масляным картером и смазкой от 'всплеск 'или кольцевые масленки. Некоторые зашли так далеко, что использовали двигатель масляные насосы и система циркуляции.
Поскольку картер стал более важным для смазки, компоновка была проще, если давление пара прикладывалось только к одной стороне цилиндра. Это имеет второе преимущество: поскольку сила пара теперь действует только на одной стороне поршня, сила, действующая на подшипники, будет по-прежнему изменяться во время хода, но больше не меняет свое направление.[я] Это снижает влияние любого перекоса подшипников на высокой скорости.[3]

Высокая скорость не требовалась для выработки электроэнергии на крупнейших предприятиях города.[ii] Поскольку эти установки обязательно были большими, они также могли использовать динамо-машины большого диаметра с множеством полюсов. Это дало необходимую линейную скорость (число прошедших полюсов / время) для более низкой скорости вращения вала.

Эти двигатели производились либо с просто или же сложный рабочие циклы. Примеры меньшего размера обычно были простыми, поскольку трудности достижения хорошего регулирования перевешивали эффективность компаундирования. Высокоскоростные двигатели заработали репутацию расточительных.[1] Для более мощных двигателей экономия топлива была оправданной, и такие сложные конструкции, как Двигатель Willans были использованы.

Они также использовали широкий ассортимент клапанов. Примеры с золотниковыми или поршневыми клапанами были обычными. В многоцилиндровых двигателях одностороннего действия обычно используется один поршневой клапан между двумя цилиндрами, либо между цилиндрами, либо горизонтально над ними.[1]

Клапан, приводящий в движение эти клапаны, обычно был прост, одиночный эксцентрик предназначен только для работы с одной скоростью в одном направлении при довольно постоянной нагрузке. Хотя эти двигатели были современниками сложных и эффективных клапанных механизмов, таких как Корлисс эти регулирующие клапаны не могли работать достаточно быстро.[3][4][5]

Типичный горизонтальный двигатель с компактной рамой
Беллисс и Морком одноцилиндровый двигатель

"Автоматические" двигатели

Автоматический регулятор Эймса с центробежным грузом и листовой пружиной

Ключевым требованием к высокоскоростной паровой машине было точное управление постоянной скоростью даже при быстро меняющейся нагрузке. Хотя управление паровыми двигателями через центробежный регулятор датируется Ватт, этот контроль был неадекватным. Эти ранние правители управляли дроссель клапан для регулирования подачи пара в двигатель. Это дает неадекватно чувствительное управление постоянной скоростью, необходимой для выработки электроэнергии.

Решением, разработанным для высокоскоростных паровых двигателей, стал «автоматический» регулятор. Вместо того, чтобы контролировать расход пара, он контролировал время илиотрезать впускных клапанов.[6][7] Этот регулятор находился между коленчатым валом и эксцентриком, приводящим в действие шестерню клапана. Его часто делали как часть маховика двигателя. Центробежный грузик в регуляторе двигался против пружины с возрастающей скоростью. Это привело к смещению эксцентрика относительно кривошипа, изменению фаз газораспределения и преждевременному отключению. Поскольку этот элемент управления действовал непосредственно на порт цилиндра, а не через длинную трубу от дроссельной заслонки, он мог быть очень быстродействующим.

Смазка

Закрытая смазка картера разбрызгиванием

Секция закрытого двигателя со смазкой разбрызгиванием

Смазка разбрызгиванием: Смазка первых быстроходных двигателей, таких как Идеально (коленчатый горизонтальный двигатель),[8] были смазаны развитием чашка масла системы, ранее широко распространенные на среднеоборотных стационарных двигателях. Масляные колпачки и многоточечные лубрикаторы могли достаточно хорошо смазывать подшипники вала, и даже самый неосторожный водитель двигателя или нефтяник. Сложность заключалась в том, что на высокоскоростных двигателях масленки больше нельзя было устанавливать на движущиеся части, такие как крейцкопф или шатун. Любой масляный резервуар здесь будет перемешиваться движением, и такой обязательно небольшой запас может также быть недостаточной для двигателя, выполняющего так много работы в небольшом пространстве. Таким образом, больше внимания уделялось тщательности смазки, и движущиеся части, такие как шатунный шатун, подавались через отверстия через коленчатый вал из маслоснабжения, которые вращались, но не двигались, таких как основные подшипники. Центробежная сила также использовалась для распределения масла.[8] Обычно в высокоскоростных двигателях использовались только один или два лубрикатора,[iii] Таким образом, уход за двигателем был более простой задачей и менее подвержен поломкам из-за простой невнимательности и работы масленки всухую.

Двигатели одностороннего действия

Двухцилиндровый вертикальный двигатель одностороннего действия с закрытым картером. Регулятор можно увидеть внутри картера.

По мере увеличения скорости высокоскоростной двигатель эволюционировал в свою развитую форму многоцилиндрового вертикального двигателя с закрытым картер. Также существовала тенденция использовать поршни одностороннего действия. Это имело два преимущества: смазка могла обеспечиваться за счет обширной системы «разбрызгивания» внутри картера, которая также способствовала охлаждению, и, во-вторых, силы в двигателе одностороннего действия всегда действуют таким же образом, как сила сжатия вдоль картера. поршневой шток и шатун. Это означало, что даже если зазоры подшипника были относительно небольшими, подшипник всегда удерживался плотно. Подшипники с провисанием и, следовательно, свободным ходом могут быть приемлемыми. Примером такого двигателя может быть двухцилиндровый Westinghouse двигатели.[9] Эти двигатели использовали ствол поршня, как сегодня используется в двигателях внутреннего сгорания, где нет отдельной траверсы, а поршневой палец шатуна перемещается вверх внутри самого поршня. Это обеспечивает очень компактную компоновку, но, очевидно, требует поршня одностороннего действия. Основные подшипники коленчатого вала этого двигателя были снабжены отдельными масленками, которые стекали в поддон картера. Было обнаружено, что масло картера будет загрязнено водой из-за конденсированного пара и прорыва поршней. Был предусмотрен клапан для слива накопившегося конденсата из-под масла на дне глубокого отстойника.

Двигатели двойного действия и изобретение системы смазки под давлением

Важное понятие смазка под давлением подшипников двигателей началось с высокоскоростных паровых двигателей и теперь является жизненно важной частью двигатель внутреннего сгорания. Это надежно как система смазки, а также позволяет использовать гидродинамические подшипники («масляный клин»), способный выдерживать большие нагрузки. Первые патенты на это были выданы Беллисс и Морком в 1890 году по работе их рисовальщика Альберта Чарльза Пейна.[3] Belliss & Morcom предпочитала цилиндры двустороннего действия, чтобы производить двигатели наименьшего размера для заданной мощности; один из их основных рынков, например Питерское братство, поставляла генераторные установки в Королевский флот для использования в машинном отделении военного корабля. Сложность двигателя двойного действия заключалась в том, что теперь направление сил в шатуне меняет направление между сжатием и растяжением, так что зазоры подшипников необходимо сделать более жесткими, чтобы избежать дребезжания. Беллисс и Морком разработали двухцилиндровый двигатель мощностью 20 л.с. при 625 об / мин, в котором использовался небольшой отдельный масляный насос для подачи масла под давлением к подшипникам коленчатого вала через длинные просверленные отверстия в коленчатом валу. Это обеспечивало надежную смазку и охлаждение, а давление масляной пленки было достаточным для использования двигателей двойного действия с достаточным зазором для обеспечения свободного хода.[10]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Такое же постоянное направление силы является особенностью двухтактный двигатель внутреннего сгорания, хотя и не из четырехтактный.
  2. ^ Первые из этих заводов были произведены либо для уличное освещение или же электрические трамваи, за несколько лет до того, как отечественное электроснабжение стало популярным.
  3. ^ Паровое масло для использования внутри цилиндра часто отличалось от масла подшипников, особенно если подача пара была перегретый.

Рекомендации

  1. ^ а б c Высокоскоростной паровой двигатель. Справочник Scientific American: Руководство для офиса, дома и магазина (в кожаном переплете). Scientific American. 1921 г., От 400 до 1200 об / мин
  2. ^ Кеннеди, Рэнкин (1912). Книга современных двигателей и генераторов. Vol. IV (издание 1912 г., кн. 1905 г.). Лондон: Кэкстон. С. 195–215.
  3. ^ а б c «Высокоскоростные паровые двигатели». 20 декабря 2005 г.
  4. ^ Хокинс, Неемия (1897). Новый катехизис парового двигателя. Нью-Йорк: Тео Одель.
  5. ^ Далби, Уильям Эрнест (октябрь 2008 г.). Клапаны и механизмы клапанного механизма. ISBN  9780559366307.
  6. ^ Хокинс, Новый катехизис парового двигателя С. 100–101.
  7. ^ Кеннеди, Рэнкин (1903). Производство электроэнергии, первичных двигателей, генераторов и двигателей. Электроустановки. Vol. III (издание 1903 года (пять томов) из четырех томов до 1903 года). Лондон: Кэкстон. С. 78–80.
  8. ^ а б Хокинс, Новый катехизис парового двигателя, п. 105.
  9. ^ Хокинс, Новый катехизис парового двигателя С. 110–113.
  10. ^ Сторер, Дж. Д. (1969). «11: Высокоскоростные паровые двигатели». Простая история парового двигателя. Джон Бейкер. С. 155–156. ISBN  0212-98356-3.

дальнейшее чтение