Морской паровой двигатель

Периодическая диаграмма паровой машины тройного расширения в разрезе, около 1918 года. Эта конкретная диаграмма иллюстрирует возможные места отключения двигателя после «Лузитании» катастрофы и других, которые дали понять, что это важная функция безопасности.

Морской паровой двигатель — это паровой двигатель , который используется для привода корабля или лодки . В данной статье рассматриваются главным образом морские паровые машины возвратно-поступательного типа, находившиеся в эксплуатации с момента появления парохода в начале XIX века до последних лет их крупносерийного производства во время Второй мировой войны . В 20-м веке в судоходстве постепенно заменялись поршневые паровые двигатели паровыми турбинами и судовыми дизельными двигателями .

История

Первый коммерчески успешный паровой двигатель был разработан Томасом Ньюкоменом в 1712 году. Усовершенствования парового двигателя, предложенные Джеймсом Уаттом во второй половине 18 века, значительно повысили эффективность парового двигателя и позволили сделать его более компактным. Успешная адаптация парового двигателя для морского применения в Англии должна была подождать почти столетие после Ньюкомена, когда шотландский инженер Уильям Симингтон построил «первый в мире практичный пароход » « Шарлотта Дандас » в 1802 году. Соперничающие изобретатели Джеймс Рамси и Джон Фитч первыми построили пароходы в Соединенных Штатах. Рамси выставил свой проект парохода в 1787 году на реке Потомак; однако Fitch выиграло соперничество в 1790 году после того, как его успешный тест привел к открытию пассажирских перевозок по реке Делавэр. В 1807 году американец Роберт Фултон построил первый в мире коммерчески успешный пароход, известный просто как North River Steamboat , с двигателем Ватта.

После успеха Фултона технология пароходства быстро развивалась по обе стороны Атлантики . Пароходы изначально имели небольшой запас хода и не отличались мореходными качествами из-за веса, малой мощности и склонности к поломкам, но успешно применялись по рекам и каналам, а также для коротких путешествий вдоль побережья. Первое успешное трансатлантическое пересечение парохода произошло в 1819 году, когда Саванна отплыла из Саванны, штат Джорджия, в Ливерпуль, Англия . Первым пароходом, совершившим регулярные трансатлантические рейсы, был пароход с боковым колесом Great Western в 1838 году.

В XIX веке морские паровые двигатели и пароходные технологии развивались параллельно. Лопастная двигательная установка постепенно уступила место винтовому гребному винту , а появление железных, а затем и стальных корпусов вместо традиционного деревянного корпуса позволило кораблям стать еще больше, что потребовало создания паровых электростанций, которые становились все более сложными и мощными.

Типы судовых паровых двигателей

Анимация типичного вертикального двигателя тройного расширения.

В течение 19 века было разработано большое количество поршневых морских паровых двигателей. Двумя основными методами классификации таких двигателей являются механизм соединения и технология цилиндров .

ряд различных методов подачи мощности на коленчатый вал Большинство ранних судовых двигателей имели одинаковую технологию цилиндров (простое расширение, см. ниже), но использовался (т.е. механизм соединения). Таким образом, ранние судовые двигатели классифицируются в основном по механизму соединения. Некоторыми распространенными механизмами соединения были боковой рычаг, шпиль, шагающая балка и прямое действие (см. Следующие разделы).

Однако паровые машины можно классифицировать и по технологии цилиндров (просторасширительные, составные, кольцевые и т. д.). Таким образом, можно найти примеры двигателей, классифицированных по обоим методам. Двигатель может представлять собой составную балансирную балку, где компаунд представляет собой технологию цилиндров, а шагающая балка представляет собой метод соединения. Со временем, когда большинство двигателей стали прямыми, а технологии цилиндров стали более сложными, люди начали классифицировать двигатели исключительно по технологии цилиндров.

В следующих разделах перечислены наиболее часто встречающиеся типы судовых паровых двигателей. Обратите внимание, что не все эти условия относятся исключительно к морским приложениям.

Двигатели классифицируются по механизму соединения

Боковой рычаг

Двигатель с боковым рычагом был первым типом паровой машины, широко применяемым для морского использования в Европе . В первые годы парового судоходства (с 1815 года) боковой рычаг был наиболее распространенным типом судового двигателя для внутренних водных путей и прибрежного сообщения в Европе, и в течение многих лет он оставался предпочтительным двигателем для океанского плавания по обе стороны моря. Атлантика .

Боковой рычаг был адаптацией самой ранней формы парового двигателя, балочного двигателя . Типичный двигатель с боковым рычагом имел пару тяжелых горизонтальных железных балок, известных как боковые рычаги, которые соединялись в центре с нижней частью двигателя штифтом. Это соединение позволяло рычагам поворачиваться по ограниченной дуге. Эти рычаги простирались со стороны цилиндра до каждой стороны нижней части вертикального цилиндра двигателя. Поршневой шток, вертикально соединенный с поршнем, выступал из верхней части цилиндра. Этот стержень прикреплен к горизонтальной траверсе, соединенной на каждом конце с вертикальными стержнями (известными как боковые стержни). Эти стержни соединялись с рычагами на каждой стороне цилиндра. При этом образовалось соединение рычагов с поршнем со стороны цилиндра двигателя. Другая сторона рычагов (противоположный цилиндру конец оси рычага) соединялась между собой горизонтальной крестовиной. Эта поперечная хвостовая часть, в свою очередь, соединялась с единственным шатуном и приводила его в действие , который поворачивал коленчатый вал . Вращение коленчатого вала приводилось в движение рычагами, которые со стороны цилиндра приводились в движение вертикальными колебаниями поршня.

Основным недостатком двигателя с боковым рычагом было то, что он был большим и тяжелым. Для внутреннего водного и прибрежного сообщения его вскоре заменили более легкие и эффективные конструкции. Однако он оставался доминирующим типом двигателя для океанской эксплуатации на протяжении большей части первой половины XIX века из-за его относительно низкого центра тяжести , который придавал кораблям большую устойчивость в сильном море. Это также был распространенный тип двигателя для военных кораблей. поскольку его относительно небольшая высота делала его менее восприимчивым к боевым повреждениям. С первого парохода Королевского флота в 1820 году до 1840 года в строй поступило 70 паровых судов, большинство из которых имели двигатели с боковым расположением рычага и котлы, настроенные на максимальное давление 4 фунта на квадратный дюйм. Низкое давление пара обусловило большие размеры цилиндров для двигателей с боковым рычагом, хотя эффективное давление на поршень было разницей между давлением в котле и вакуумом в конденсаторе.

Двигатель с боковым рычагом представлял собой гребной двигатель и не был пригоден для привода гребных винтов . Последним кораблем, построенным для трансатлантических перевозок и имевшим двигатель с боковым расположением рычага, был Cunard Line компании колесный пароход RMS Scotia , считавшийся анахронизмом, когда он вступил в строй в 1862 году.

• 
  Боковой двигатель SS Pacific (1849 г.)
• 
  Боковой рычаг двигателя RMS Persia (1855 г.)
• 
  Модель сдвоенных боковых рычажных двигателей по Темзе 1836 года. парохода Руби
• 
  Ранний двигатель Napier с боковым рычагом от PS Leven , выставленный в Думбартоне , Шотландия.

Кузнечик

Схема двигателя кузнечика

Дополнительная информация: лучевой двигатель Grasshopper.

Кузнечик или «полурычаг» Двигатель представлял собой вариант двигателя с боковым рычагом. Двигатель «Кузнечик» отличается от обычного бокового рычага тем, что расположение оси рычага и шатуна более или менее поменяно местами, причем ось расположена на одном конце рычага, а не в центре, а шатун прикреплен к рычаг между цилиндром на одном конце и шарниром на другом.

Основными преимуществами двигателя «Кузнечик» были дешевизна конструкции и надежность, при этом этот тип двигателя, как утверждается, требует меньшего обслуживания, чем любой другой тип морского парового двигателя. Еще одним преимуществом является то, что двигатель можно легко запустить из любого положения рукоятки. Однако, как и обычный двигатель с боковым рычагом, двигатели «Кузнечик» имели недостатки из-за своего веса и размера. В основном они использовались на небольших плавсредствах, таких как речные суда и буксиры .

Крестовина (квадратная)

Двигатель с крейцкопфом, также известный как двигатель с квадратной , лесопилкой или двигателем с А-образной рамой , представлял собой тип гребного двигателя, используемого в Соединенных Штатах. Это был наиболее распространенный тип двигателя в первые годы американского парового судоходства.

Двигатель с крейцкопфом описывается как имеющий вертикальный цилиндр над коленчатым валом, при этом шток поршня прикреплен к горизонтальной крейцкопфе, от каждого конца которого, на противоположных сторонах цилиндра, выступает шатун, который вращает отдельный коленчатый вал. Траверса перемещалась внутри вертикальных направляющих, чтобы узел сохранял правильную траекторию во время движения. Альтернативное название двигателя — «А-образная рама» — предположительно произошло от формы рам, на которых поддерживались эти направляющие. Некоторые двигатели с крейцкопфом имели более одного цилиндра, и в этом случае все поршневые штоки обычно были соединены с одной и той же крейцкопфом. Необычной особенностью ранних образцов этого типа двигателя была установка маховиков , соединенных с коленчатыми валами, которые считались необходимыми для обеспечения плавной работы. Эти механизмы часто издавали шум в работе.

Поскольку в этом типе двигателя цилиндр располагался над коленчатым валом, он имел высокий центр тяжести и поэтому считался непригодным для эксплуатации в океане. В основном это ограничивалось судами, построенными для внутренних водных путей. По мере того, как в течение XIX века морские двигатели постоянно становились больше и тяжелее, высокий центр тяжести двигателей с квадратной траверсой становился все более непрактичным, и к 1840-м годам судостроители отказались от них в пользу двигателя с шагающей балкой.

Название этого двигателя может вызвать путаницу, поскольку «крестовина» также является альтернативным названием шпильного двигателя (ниже). Поэтому многие источники предпочитают называть его неофициальным названием «квадратный» двигатель, чтобы избежать путаницы. Кроме того, морской траверсный или квадратный двигатель, описанный в этом разделе, не следует путать с термином « квадратный двигатель » применительно к двигателям внутреннего сгорания , который в последнем случае относится к двигателю, диаметр цилиндра которого равен его ходу .

• 
  Модель крейцкопфа или «квадратного» двигателя, показывающая расположение цилиндра двигателя над коленчатым валом; также шток поршня, крейцкопф, шатуны и лопастные колеса.
• 
  Схема типичного крейцкопфного двигателя парохода на реке Гудзон (вид сбоку)
• 
  Колёсный пароход « Нью-Йорк» , 1836 год . Между лопастными колесами находится высокий квадратный двигатель, или двигатель с А-образной рамой, внутри которого можно увидеть длинный шток поршня, расположенный в верхней части хода, образующий букву «Т» с горизонтальной траверсой.

Шагающая балка

Шагающая балка, также известная как «вертикальная балка», «верхняя балка» или просто «балка», была еще одной ранней адаптацией лучевого двигателя, но ее использование почти полностью ограничивалось Соединенными Штатами. После своего появления шагающая балка быстро стала самым популярным типом двигателей в Америке для внутренних водных путей и прибрежных перевозок, и этот тип оказался удивительно долговечным: двигатели с шагающей балкой все еще время от времени производились вплоть до 1940-х годов. В морских применениях сама балка обычно укреплялась железными распорками, которые придавали ей характерную ромбовидную форму, хотя опоры, на которых опиралась балка, часто были деревянными. Прилагательное «ходьба» было применено потому, что балку, которая поднималась высоко над палубой корабля, можно было увидеть работающей, а ее покачивание (несколько причудливо) сравнивалось с ходьбой.

Двигатели с шагающей балкой представляли собой разновидность гребного двигателя и редко использовались для привода гребных винтов. Они использовались в основном для кораблей и лодок, работающих на реках, озерах и вдоль береговой линии, но были менее популярным выбором для морских судов, поскольку большая высота двигателя делала судно менее устойчивым в сильном волнении. Они также имели ограниченное применение в военных целях, поскольку двигатель подвергался огню противника и поэтому мог быть легко выведен из строя. Их популярность в США объяснялась прежде всего тем, что двигатель с шагающей балкой хорошо подходил для мелкосидящих лодок , эксплуатирувшихся на мелководных прибрежных и внутренних водных путях Америки.

Двигатели с шагающим лучом оставались популярными на американских судоходных линиях и экскурсионных предприятиях вплоть до начала 20 века. Хотя двигатель с шагающей балкой технически устарел в конце 19 века, он оставался популярным среди пассажиров экскурсионных пароходов, которые ожидали увидеть «шагающую балку» в движении. Были также технические причины для сохранения двигателя с шагающей балкой в ​​Америке, поскольку его было легче построить и требовалась меньшая точность при его изготовлении. Для изготовления основной рамы двигателя можно было использовать древесину, причем это обходится гораздо дешевле, чем типичная практика использования чугунного литья для более современных конструкций двигателей. Топливо в Америке также было намного дешевле, чем в Европе, поэтому более низкий КПД двигателя с шагающей балкой не имел особого значения. Кораблестроитель из Филадельфии Чарльз Х. Крамп винил в общей неконкурентоспособности Америки по сравнению с британской судостроительной промышленностью в середине-конце XIX века консерватизм американских отечественных судостроителей и владельцев судоходных линий, которые упорно цеплялись за устаревшие технологии, такие как шагающий луч и связанное с ним гребное колесо спустя долгое время после того, как они были заброшены в других частях мира.

• 
  Принципиальная схема двигателя с шагающей балкой
• 
  Военный корабль США «Делавэр» (1861 г.) . На миделе корабля хорошо виден «ходячий луч» ромбовидной формы.

Шпиль

Шпиль двигатель

Шпильный двигатель, иногда называемый двигателем с «крестовой головкой», был ранней попыткой отойти от концепции балки, общей как для шагающей балки, так и для типов с боковым рычагом, и создать меньшую, легкую и более эффективную конструкцию. В шпильчатом двигателе вертикальные колебания поршня не преобразуются в горизонтальное покачивающее движение, как в лучевом двигателе, а вместо этого используются для перемещения узла, состоящего из крейцкопфа и двух стержней, через вертикальную направляющую в верхней части двигателя. двигатель, который, в свою очередь, вращает расположенный внизу шатун коленчатого вала. В ранних образцах этого типа крейцкопф имел прямоугольную форму, но со временем он превратился в вытянутый треугольник. Треугольная конструкция над цилиндром двигателя придает двигателю характерную «шпиль» форму, отсюда и название.

Двигатели-шпили были высокими, как двигатели с шагающей балкой, но намного уже в поперечном направлении, что позволяло экономить пространство и вес. Из-за своей высоты и высокого центра тяжести они, как и шагающие балки, считались менее подходящими для океанских перевозок, но оставались очень популярными в течение нескольких десятилетий, особенно в Европе, для судов внутреннего водного и прибрежного плавания.

Шпильные двигатели начали появляться на пароходах в 1830-х годах, а этот тип был усовершенствован в начале 1840-х годов шотландским кораблестроителем Дэвидом Нэпьером . Шпильный двигатель постепенно был вытеснен различными типами двигателей прямого действия.

Сиамский

Сиамский двигатель, также называемый «двухцилиндровым» или «двухцилиндровым» двигателем, был еще одной ранней альтернативой двигателю с балкой или боковым рычагом. Этот тип двигателя имел два одинаковых вертикальных цилиндра, расположенных рядом, поршневые штоки которых были прикреплены к общей Т-образной крейцкопфе. Вертикальный рычаг крейцкопфа проходил вниз между двумя цилиндрами и был прикреплен внизу как к шатуну коленчатого вала, так и к направляющему блоку, который скользил между вертикальными сторонами цилиндров, позволяя узлу сохранять правильную траекторию при движении. .

Сиамский двигатель был изобретен британским инженером Джозефом Модслеем (сыном Генри ), но, хотя он изобрел его после своего колебательного двигателя (см. ниже), он не получил такого же широкого признания, поскольку был лишь незначительно меньше и легче, чем боковой двигатель. -рычажные двигатели он был призван заменить. Однако он использовался на ряде военных кораблей середины века, включая первый военный корабль, оснащенный винтовым гребным винтом, HMS Rattler .

• 
  Принципиальная схема сиамского двигателя
• 
  Схема кольцевого двигателя (см. ниже) с сиамским механизмом подключения.
• 
  Сиамский двигатель HMS Retribution (1844 г.)

Прямое действие

В литературе XIX века встречаются два определения двигателя прямого действия. В более раннем определении термин «прямого действия» применяется к любому типу двигателя, кроме двигателя с балкой (т. е. с шагающей балкой, с боковым рычагом или кузнечиком). В более позднем определении этот термин используется только для двигателей, которые передают мощность непосредственно на коленчатый вал через шток поршня и/или шатун. Если не указано иное, в этой статье используется более позднее определение.

В отличие от двигателя с боковым рычагом или балки, двигатель прямого действия можно было легко адаптировать для привода гребных колес или гребного винта. Помимо более низкого профиля, двигатели прямого действия имели то преимущество, что были меньше и весили значительно меньше, чем двигатели с балкой или боковым рычагом. Королевский флот обнаружил, что в среднем двигатель прямого действия (раннее определение) весил на 40% меньше и требовалось машинное отделение, составляющее всего две трети от размера бокового рычага эквивалентной мощности. Одним из недостатков таких двигателей является то, что они более склонны к износу и, следовательно, требуют большего обслуживания.

Колеблющийся

Основная статья: Паровой двигатель с качающимся цилиндром

Колебательный двигатель — это тип двигателя прямого действия, который был разработан для дальнейшего уменьшения размера и веса двигателя. В колебательных двигателях поршневые штоки были соединены непосредственно с коленчатым валом, что устраняло необходимость в шатунах. Чтобы добиться этого, цилиндры двигателя не были неподвижными, как в большинстве двигателей, а закреплялись посередине цапфами, которые позволяли самим цилиндрам поворачиваться вперед и назад при вращении коленчатого вала - отсюда и термин « колеблющийся» . Пар подавался и отводился через цапфы. Колебательное движение цилиндра обычно использовалось для выравнивания отверстий в цапфах, чтобы в нужное время направлять подачу и выпуск пара в цилиндр. Однако часто предусматривались отдельные клапаны, управляемые колебательным движением. Это позволило изменять время, чтобы обеспечить расширенную работу (как в двигателе на гребном корабле PD Krippen ). Это обеспечивает простоту, но при этом сохраняет преимущества компактности.

Первый запатентованный колебательный двигатель был построен Джозефом Модслеем в 1827 году, но считается, что этот тип был усовершенствован Джоном Пенном . Колебательные двигатели оставались популярным типом судовых двигателей на протяжении большей части XIX века.

• 
  Модель колебательного двигателя Модслея.
• 
  Колеблющиеся гребные двигатели корабля HMS Black Eagle . Колебательные двигатели могли использоваться для привода гребных колес или гребных винтов.
• 
  Колебательный двигатель, построенный в 1853 году лондонской компанией J. & A. Blyth для австрийского колесного парохода «Орсова».

Ствол

Магистральный двигатель, еще один тип двигателя прямого действия, изначально был разработан как средство уменьшения высоты двигателя при сохранении длинного хода . (В то время длинный ход считался важным, поскольку он уменьшал нагрузку на компоненты.)

В магистральном двигателе шатун находится внутри полого поршня большого диаметра. Этот «багажник» почти не несет нагрузки. Внутренняя часть багажника открыта для внешнего воздуха и достаточно широка, чтобы обеспечить перемещение шатуна из стороны в сторону, который соединяет поршневой палец на головке поршня с внешним коленчатым валом.

Стенки ствола либо привинчивались к поршню, либо отливались с ним как единое целое и перемещались вместе с ним вперед и назад. Рабочая часть цилиндра кольцевая или кольцеобразная, со стволом, проходящим через центр самого цилиндра.

Ранние образцы магистральных двигателей имели вертикальные цилиндры. Однако судостроители быстро поняли, что этот тип достаточно компактен, чтобы лежать горизонтально поперек киля . корабля В этой конфигурации он был очень полезен для военно-морских сил, поскольку имел достаточно низкий профиль, чтобы полностью поместиться ниже ватерлинии , что было максимально безопасно от огня противника. Этот тип обычно производился для военной службы Джоном Пенном.

Магистральные двигатели были обычным явлением на военных кораблях середины XIX века. Они также приводили в движение коммерческие суда, эксплуатация которых, хотя и ценилась за компактные размеры и низкий центр тяжести, была дорогостоящей. Однако магистральные двигатели плохо работали при более высоком давлении в котле , которое стало преобладающим во второй половине XIX века, и строители отказались от них в пользу других решений.

Магистральные двигатели обычно были большими, но для Крымской войны производилась небольшая, серийная, высокооборотная версия с высоким давлением. Будучи достаточно эффективным, этот тип сохранился и на более поздних канонерских лодках. Оригинальный хоботный двигатель типа канонерской лодки существует в Западно-Австралийском музее во Фримантле . После затопления в 1872 году он был поднят в 1985 году с корабля « Ксанто » , и теперь его можно перевернуть вручную. Режим работы двигателя, иллюстрирующий его компактность, можно посмотреть на «Ксанто» . сайте проекта

• 
  Иллюстрация двигателя багажника
• 
  Вид в разрезе магистрального двигателя HMS Bellerophon , показывающий (слева) цилиндр двигателя, кольцевой поршень и узел ствола, а также шатун внутри ствола.
• 
  Глядя вниз на магистральный двигатель HMS Warrior (1860 г.) . Справа виден шатун, выходящий из багажника.

Вибрационный рычаг

Виброрычажный двигатель военного корабля США Монаднок (1863 г.) - вид спереди

Вибрирующий рычаг, или полухоботный двигатель, был развитием обычного хоботного двигателя, задуманного шведско - американским инженером Джоном Эрикссоном . Эрикссону требовался небольшой, низкопрофильный двигатель, подобный магистральному, для питания мониторов федерального правительства США , тип военного корабля, разработанного во время Гражданской войны в США , на котором было очень мало места для обычной силовой установки. Однако сам магистральный двигатель был непригоден для этой цели, поскольку преобладание веса приходилось на сторону двигателя, на которой находились цилиндр и ствол, - проблема, которую конструкторы не могли компенсировать на небольших боевых кораблях-мониторах.

Внешние видео
Модель виброрычажного двигателя USS Monitor в действии

Эрикссон решил эту проблему, разместив два горизонтальных цилиндра спиной к спине в середине двигателя, задействовав два «вибрирующих рычага», по одному с каждой стороны, которые с помощью валов и дополнительных рычагов вращали расположенный в центре коленчатый вал. Вибрационные рычажные двигатели позже использовались на некоторых других военных кораблях и торговых судах, но их использование ограничивалось судами, построенными в Соединенных Штатах и ​​​​в родной стране Эрикссона, Швеции. и, поскольку у них было мало преимуществ перед более традиционными двигателями, они вскоре были вытеснены другими типами.

Назад актерское мастерство

Двигатель обратного действия, также известный как двигатель с возвратным шатуном , был еще одним двигателем, спроектированным с очень низким профилем. Двигатель обратного действия по сути представлял собой модифицированный шпильный двигатель, расположенный горизонтально поперек киля корабля, а не вертикально над ним. Однако вместо треугольного узла крейцкопфа, который имеется в типичном шпильном двигателе, в двигателе обратного действия обычно использовался набор из двух или более удлиненных параллельных поршневых штоков, оканчивающихся крейцкопфом, для выполнения той же функции. Термин «обратнодействующий» или «возвратный шатун» происходит от того факта, что шатун «возвращается» или возвращается со стороны двигателя, противоположной цилиндру двигателя, для вращения расположенного в центре коленчатого вала.

Двигатели обратного действия были еще одним типом двигателей, популярным как на военных, так и на коммерческих судах в середине 19 века, но, как и многие другие типы двигателей в эпоху быстро меняющихся технологий, от них в конечном итоге отказались в пользу других решений. Известно только один сохранившийся двигатель обратного действия — двигатель телевизора Эмери Райса (бывший военный корабль США « Рейнджер» ), который сейчас занимает центральное место в экспозиции Американского музея торгового флота .

• 
  Схема двигателя обратного действия USS Ranger
• 
  Возвратный шатунный двигатель HMS Agincourt (1865 г.)

Вертикальный

Поскольку на протяжении XIX века пароходы неуклонно росли в размерах и тоннаже, потребность в низкопрофильных двигателях с низким центром тяжести соответственно снизилась. Освободившись от этих конструктивных ограничений, инженеры смогли вернуться к более простым, эффективным и легким в обслуживании конструкциям. Результатом стало растущее доминирование так называемого «вертикального» двигателя. (более правильно известный как вертикальный перевернутый двигатель прямого действия ).

В двигателе этого типа цилиндры расположены непосредственно над коленчатым валом, а узлы поршневой шток/шатун образуют более или менее прямую линию между ними. Конфигурация аналогична конфигурации современного двигателя внутреннего сгорания (заметным отличием является то, что паровой двигатель имеет двойное действие, см. ниже, тогда как почти все двигатели внутреннего сгорания вырабатывают мощность только при ходе вниз). Вертикальные двигатели иногда называют двигателями «молот», «кузнечный молот» или «паровой молот» из-за их внешнего вида, примерно похожего на другую распространенную паровую технологию 19-го века - паровой молот .

К концу XIX века вертикальные двигатели вытеснили почти все остальные типы морских паровых двигателей. Поскольку они стали настолько распространены, вертикальные двигатели обычно не называют таковыми, а вместо этого называют их в зависимости от технологии цилиндров, то есть составных двигателей, двигателей тройного расширения, четырехкратного расширения и т. д. Термин «вертикальный» для этого типа двигателей. неточно, поскольку технически любой тип паровой машины является «вертикальным», если цилиндр ориентирован вертикально. Двигатель, который кто-то описывает как «вертикальный», может не относиться к двигателю вертикального перевернутого прямого действия, если только он не использует термин «вертикальный» без оговорок.

• 
  Схема простого двигателя «молот»
• 
  Вертикальный двигатель тройного расширения авианосца Висконсин (ВВ-9) . На этой фотографии хорошо видно типичное вертикальное расположение цилиндра, поршневого штока, шатуна и коленчатого вала двигателя.

Двигатели классифицируются по технологии цилиндров

Простое расширение

Двигатель простого расширения — это паровая машина, в которой пар расширяется только через одну ступень, то есть все его цилиндры работают под одинаковым давлением. Поскольку это был, безусловно, самый распространенный тип двигателя на раннем этапе развития судовых двигателей, термин «простое расширение» встречается редко. Если не указано иное, предполагается, что двигатель является двигателем простого расширения.

Сложный

Составной двигатель — это паровой двигатель, цилиндры которого работают более чем на одной ступени при разных уровнях давления. Составные двигатели были методом повышения эффективности. До разработки составных двигателей паровые двигатели использовали пар только один раз, прежде чем возвращать его обратно в котел. Составной двигатель сначала перерабатывает пар в один или несколько вторых цилиндров большего размера с более низким давлением, чтобы использовать больше тепловой энергии. Составные двигатели можно было настроить для увеличения либо экономичности корабля, либо его скорости. В широком смысле, составной двигатель может относиться к паровому двигателю с любым количеством цилиндров с разным давлением, однако этот термин обычно относится к двигателям, которые расширяют пар только через две ступени, т.е. к тем, которые работают с цилиндрами только при двух разных давлениях (или двигатели «двойного расширения»).

Обратите внимание, что составной двигатель (включая двигатели многократного расширения, см. ниже) может иметь более одного набора цилиндров с переменным давлением. Например, двигатель может иметь два цилиндра, работающие под давлением x, и два, работающие под давлением y, или один цилиндр, работающий под давлением x, и три, работающие под давлением y. Что делает его сложным (или двойным расширением) в отличие от многократного расширения, так это то, что существует только два давления : x и y.

Первый составной двигатель, который, как полагают, был установлен на корабле, был установлен на Генри Экфорде американским инженером Джеймсом П. Аллером в 1824 году. Однако многие источники приписывают «изобретение» морского составного двигателя Глазго из Джону Элдеру в 1850-е годы. Элдер усовершенствовал составной двигатель, который впервые сделал его безопасным и экономичным для путешествий через океан.

Чтобы в полной мере реализовать свои преимущества, морские составные двигатели требовали давления в котле выше предела, установленного Соединенного Королевства , Советом по торговле который допускал только 25 фунтов на квадратный дюйм (170 кПа). Судовладелец и инженер Альфред Холт смог добиться разрешения на более высокое давление в котлах, спустив на воду SS Agamemnon в 1865 году с котлами, работающими при давлении 60 фунтов на квадратный дюйм (410 кПа). Сочетание более высокого давления в котле и составного двигателя дало значительное повышение топливной эффективности, что позволило пароходам вытеснить конкуренцию на маршруте из Великобритании в Китай еще до открытия Суэцкого канала в 1869 году.

Тройное или многократное расширение

Двигатель тройного расширения — это составной двигатель, в котором пар расширяется в три этапа, например двигатель с тремя цилиндрами при трех разных давлениях. Двигатель четырехкратного расширения расширяет пар в четыре этапа и так далее. Однако, как объяснялось выше, количество ступеней расширения определяет двигатель, а не количество цилиндров, например, на RMS Titanic были четырехцилиндровые двигатели тройного расширения. Первым успешным коммерческим использованием стал двигатель, построенный в Говане в Шотландии Александром К. Кирком для SS Aberdeen в 1881 году. В более раннем эксперименте с почти идентичным двигателем на SS Propontis в 1874 году возникли проблемы с котлами. Первоначальную установку, работающую при давлении 150 фунтов на квадратный дюйм (1000 кПа), пришлось заменить на другую конструкцию, работающую при давлении всего 90 фунтов на квадратный дюйм (620 кПа). Этого было недостаточно для полной реализации экономических выгод тройного расширения. Абердин был оснащен двумя двусторонними шотландского типа стальными котлами , работающими при давлении 125 фунтов на квадратный дюйм (860 кПа). Эти котлы имели запатентованные гофрированные топки, позволяющие преодолеть конкурирующие проблемы теплопередачи, и достаточную прочность, чтобы выдерживать давление в котле. Это обеспечило техническое решение, которое гарантировало, что практически все недавно построенные океанские пароходы будут оснащены двигателями тройного расширения в течение нескольких лет после ввода Абердина в эксплуатацию.

Производство двигателей многократного расширения продолжалось и в 20 веке. Все 2700 кораблей «Либерти», построенных Соединенными Штатами во время Второй мировой войны, были оснащены двигателями тройного расширения, поскольку мощности США по производству морских паровых турбин были полностью направлены на строительство военных кораблей. Крупнейшим производителем двигателей тройного расширения во время войны была компания Joshua Hendy Iron Works . К концу войны турбинные корабли «Победа» производились во все больших количествах.

• 
  Джошуа Хенди Двигатель тройного расширения
• 
  Двигатель тройного расширения на « Лидии Еве» (паровой дрифтер).
• 
  Двигатель тройного расширения на океанском буксире «Геркулес» 1907 года.
• 
  140-тонный (также называемый 135-тонный) вертикальный двигатель тройного расширения того типа, который использовался на времен Второй мировой войны кораблях Liberty , собранный для испытаний перед поставкой. 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 движения корабля Liberty со скоростью около 11 узлов (13 миль в час; 20 км / ч).

кольцевой

Кольцевой двигатель — необычный тип двигателя, имеющий кольцевой (кольцеобразный) цилиндр. Некоторые из первых составных двигателей американского инженера-новатора Джеймса П. Аллера были кольцевого типа, с меньшим цилиндром высокого давления, расположенным в центре большего кольцеобразного цилиндра низкого давления. Магистральные двигатели представляли собой еще один тип кольцевых двигателей. В третьем типе кольцевого судового двигателя использовался соединительный механизм сиамского двигателя, но вместо двух отдельных цилиндров он имел один цилиндр кольцевой формы, обернутый вокруг вертикального рычага крейцкопфа (см. схему в разделе «Сиамский» выше).

Другие условия

В литературе по морским двигателям того периода встречаются и некоторые другие термины. Эти термины, перечисленные ниже, обычно используются в сочетании с одним или несколькими основными терминами классификации двигателей, перечисленными выше.

Простой

Простой двигатель — это двигатель, работающий за счет однократного расширения пара, независимо от количества установленных в нем цилиндров. Примерно до середины XIX века большинство кораблей имели двигатели только с одним цилиндром, хотя на некоторых судах были простые многоцилиндровые двигатели и/или более одного двигателя.

Двойное действие

Двигатель двойного действия — это двигатель, в котором пар подается на обе стороны поршня. Раньше паровые двигатели применяли пар только в одном направлении, позволяя импульсу или силе тяжести вернуть поршень в исходное место, но двигатель двойного действия использует пар, чтобы заставить поршень двигаться в обоих направлениях, тем самым увеличивая скорость вращения и мощность. Как и термин «простой двигатель», термин «двойного действия» встречается в литературе реже, поскольку почти все судовые двигатели были двойного действия.

Вертикальный, горизонтальный, наклонный, перевернутый

Эти термины относятся к ориентации цилиндра двигателя. Вертикальный цилиндр стоит вертикально, шток поршня работает над ним (или под ним). Вертикально-перевернутый двигатель определяется как вертикальное расположение цилиндров, при котором коленчатый вал установлен непосредственно под цилиндром(ами). В наклонном или горизонтальном типе цилиндр и поршень располагаются под наклоном или горизонтально. Наклонный перевернутый цилиндр — это перевернутый цилиндр, работающий под наклоном. Все эти термины обычно используются в сочетании с указанными выше типами двигателей. Таким образом, можно иметь горизонтальный двигатель прямого действия, наклонный составной двигатель двойного действия и т. д.

Наклонные и горизонтальные цилиндры могут быть очень полезны на военно-морских судах, поскольку их ориентация позволяет сохранять профиль двигателя как можно более низким и, следовательно, менее подверженным повреждениям. Их также можно использовать на низкопрофильном корабле или для снижения центра тяжести корабля. Кроме того, наклонные или горизонтальные цилиндры имели преимущество в снижении уровня вибрации по сравнению с вертикальными цилиндрами.

Приспособленный

Двигатель с зубчатой ​​передачей или «винт с зубчатой ​​передачей» вращает пропеллер со скоростью, отличной от скорости двигателя. Ранние морские гребные двигатели были ориентированы вверх, то есть гребной винт был приспособлен для работы с более высокой скоростью вращения, чем сам двигатель. Поскольку во второй половине XIX века двигатели стали быстрее и мощнее, от зубчатых передач почти повсеместно отказались, и пропеллер вращался с той же скоростью вращения, что и двигатель. Такое устройство с прямым приводом является механически наиболее эффективным, а паровые двигатели возвратно-поступательного действия хорошо подходят для скорости вращения, наиболее эффективной для винтовых гребных винтов.

См. также

• Испаритель (морской) – аппарат для получения питательной воды котла из морской воды.
• Защитный клапан
• Пароход
• Паровой двигатель

Ссылки

• Американское общество инженеров-механиков (1978): Joshua Hendy Iron Works - информационная брошюра.
• Бьюэлл, Огастес К. (1906): Мемуары Чарльза Х. Крэмпа , JB Lippincott Co., Филадельфия и Лондон, стр. 92–93.
• Чаттертон, Э. Кебл (1910): Пароходы и их история , стр. 132, Cassell and Company Ltd.
• Кристли, Джеймс Дж. и Юренс, У.Дж. (1991). «Вопрос 32/90: Двигатель с виброрычагом Ericsson». Военный корабль Интернешнл . ХXVIII (4). Международная организация военно-морских исследований: 403–404. ISSN   0043-0374 .
• Дамплтон, Бернард (2002): История парохода , Intellect Books (Великобритания), ISBN   978-1-84150-801-6 .
• Эверс, Генри (1873 г.): Пар и паровая машина: наземные, морские суда и локомотив , Уильям Коллинз, Sons & Co., Лондон и Глазго.
• Фокс, Стивен (2003): Трансатлантика: Сэмюэл Кунард, Исамбард Брюнель и Великие Атлантические пароходы , HarperCollins, ISBN   978-0-06-019595-3 .
• Фрай, Генри (1896): История парового судоходства в Северной Атлантике: с некоторыми сведениями о ранних кораблях и судовладельцах , Сэмпсон Лоу, Марстон и компания, Лондон.
• Харви, Стивен (2007): Все началось с парохода: американская сага , Authorhouse, стр. 55, ISBN   978-1-4259-6719-2
• Хеберт, Люк (1849): Энциклопедия инженера и механика: понимание практических иллюстраций машин и процессов, используемых в каждом описании производства Британской империи , том II, Томас Келли, Лондон.
• Хилтон, Джордж В. (2002): Пассажирские пароходы озера Мичиган , Stanford University Press, стр. 59, ISBN   978-0-8047-4240-5 .
• Клудас, Арнольд (2000?): Рекордсмены Северной Атлантики: лайнеры с голубой лентой 1838–1952 гг. , Brassey's, Inc., Вашингтон, округ Колумбия, ISBN   1-57488-328-3 .
• Лакстон, Фредерик Уильям (1855 г.): Журнал инженера-строителя и архитектора, включенный в журнал «Архитектор» , том XVIII, Джон Нотт, Лондон.
• МакЛехоз, Джеймс (1906): Мемуары и портреты ста жителей Глазго, которые умерли за последние тридцать лет и в своей жизни многое сделали для того, чтобы город стал таким, какой он есть сейчас , Джеймс Маклехоз и сыновья, Глазго, стр. 118, воспроизведено Цифровой библиотекой Глазго.
• Магиннис, Артур Дж. (1900): Паром через Атлантику: его корабли, люди и рабочие , Уиттакер и компания, Лондон и Нью-Йорк.
• Мюррей, Роберт (1858): Элементарный трактат о морских двигателях и паровых судах: вместе с практическими замечаниями о винте и движущей силе, используемых в Королевском и торговом флоте , опубликованный Дж. Уилом.
• Ситон, Альберт Эдвард (1885 г.): Руководство по морской инженерии, включающее проектирование, строительство и работу морской техники , 4-е издание, Charles Griffin & Co., Лондон.
• Сеннетт, Ричард и Орам, сэр Генри Дж. (1918): Морской паровой двигатель: трактат для студентов-инженеров, молодых инженеров и офицеров Королевского флота и торгового флота , Longmans, Green & Co., Лондон, Нью-Йорк, Бомбей и Калькутта.
• Сазерленд, Джон Лестер (2004): Пароходы Глостера и северного берега , The History Press, ISBN   978-1-59629-000-6 , стр. 31-32 .
• Терстон, Роберт Генри (1883): История развития парового двигателя , перепечатано в 2001 году компанией Adamant Media Corporation, ISBN   978-1-4021-6205-3 .
• Уорд, Дж. Х.: (1864): Популярный трактат о паре и его применении в полезных искусствах, особенно в навигации , Д. Ван Ностранд, Нью-Йорк, стр. 60.

Внешние ссылки

• Видео модели виброрычажного двигателя USS Monitor на YouTube
• Видео о наклонном перевернутом колебательном двигателе на YouTube
• Традиционный пароход с боковым колесом и шагающей балкой на YouTube