Двигатель Уилланса

Двигатель Уилланса или двигатель с центральным клапаном представлял собой высокоскоростной стационарный паровой двигатель, использовавшийся в основном для производства электроэнергии примерно в начале 20 века.

Двигатель Уилланса был одним из самых известных примеров двигателя со шпилем . ^{[ 1 ]} Это были составные двигатели двойного или тройного расширения с необычными характеристиками цилиндров одностороннего действия и центральным клапаном шпинделя, общим для всех цилиндров этого шпинделя. ^{[ я ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Цилиндры расположены по схеме тандем , при этом цилиндры высокого и низкого давления установлены на одном вертикальном валу. Такое вертикальное расположение шпиля обеспечивает компактную компоновку пола для двигателя такой мощности.

Двигатели Willans не были первыми высокоскоростными двигателями для производства электроэнергии, но вскоре они стали преобладающим типом двигателей. ^{[ 5 ]}

Приложения

Производство электроэнергии

Двигатели были разработаны Питером Уиллансом и Марком Робинсоном в Thames Ditton , в первую очередь для растущего рынка производства электроэнергии. В 1884 году им был выдан патент на принцип центрального клапана. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

использовалось больше типов Willans, К 1890-м годам для производства электроэнергии чем любого другого типа. ^{[ 5 ]}^{[ 7 ]} Как и в случае с другими высокоскоростными паровыми двигателями, требовалась паровая машина, которая работала бы на достаточно высоких скоростях, чтобы напрямую приводить в движение динамо-машины , а также имела бы точную регулировку скорости при изменяющейся нагрузке, чтобы поддерживать правильное напряжение. Поддержание правильной частоты для систем переменного тока было еще более важным, но системы переменного тока имели тенденцию отдавать предпочтение тихоходным двигателям с большими маховиками, а не высокоскоростным двигателям, используемым для постоянного тока . ^{[ 8 ]}

Другое использование

Миллс

Двигатели Willans также использовались для питания текстильных фабрик , хотя, поскольку к этому моменту было построено множество фабрик, в этом применении более известны давно зарекомендовавшие себя двигатели Corliss с перекрестным соединением и двигатели с откидным клапаном. Двигатель Willans, его низкая инерция и точный контроль скорости сделали его очень подходящим для работы на мельницах. Считалось, что постоянная скорость вала, которую он обеспечивает, даже при изменяющейся нагрузке, улучшает качество прядения и уменьшает количество концов, ломаемых ударными нагрузками. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

военно-морской

Двигатели «Уилланс» использовались для привода противоторпедных катеров Адмиралтейства. ^{[ 11 ]} Сообщалось, что лодки быстрые, двигатели бесшумные. ^{[ 12 ]}

Операция

Одностороннего действия

Двигатель Уилланса был одностороннего действия ; Давление пара воздействовало только на верхнюю поверхность поршней. В то время это была обычная особенность высокооборотных двигателей, призванная уменьшить детонацию и повышенный износ, что позволяло работать на более высоких скоростях. ^{[ 3 ]} Принцип заключался в том, что в двигателе одностороннего действия силы, действующие на шатун и его подшипники, всегда сжимают шатун, а не меняют направление дважды за каждый оборот, как в двигателе двойного действия. ^{[ 13 ]} Нижние подшипниковые латуни, несущие нагрузку только во время запуска, были меньше шатунной шейки и основных рабочих латуней, расположенных выше. Хотя двигатели одностороннего действия производят лишь половину мощности эквивалентного двигателя двойного действия, или же должны работать с двойной скоростью, такое уменьшение детонации может позволить им работать более чем в два раза быстрее.

Воздушная подушка

В обычном двигателе двойного действия остаточный пар задерживался в выпускном цилиндре после закрытия и сжатия клапана. Этот сжатый пар оказывает амортизирующее действие и тормозит поршень в конце хода. ^{[ ii ]} В двигателе одностороннего действия подобного эффекта в конце рабочего такта нет. Раньше это было ограничением на рабочую скорость двигателей одностороннего действия.

В двигателе «Уилланс» амортизация в конце хода обеспечивалась дополнительным пневмоцилиндром, расположенным ниже остальных. Воздушный поршень выполнял также функцию направляющей ствола . Во время хода вверх инерция двигателя продолжает движение вверх, и до начала следующего хода ничто не может его замедлить. Закрытый пневмоцилиндр действует как распределитель сжатого воздуха над поршнем направляющей ствола. ^{[ 14 ]}

Центральный шпиндельный клапан

Самой отличительной особенностью двигателя был центральный шпиндельный клапан. Он действовал как многоступенчатый поршневой клапан, контролируя поступление пара в каждый из составных цилиндров. Необычно, что клапан работал внутри полого штока или ствола поршня, а не в блоке цилиндров или клапанной коробке. Этот полый поршневой шток соединял все цилиндры и имел отверстия. ^{[ 15 ]}

Клапанный механизм, приводящий в действие клапан, был очень простым. Каждый поршень имел два параллельных шатуна , работающих на отдельных шатунных шейках между одними и теми же перемычками кривошипа. Эксцентрик между двумя шатунами приводил в движение центрально расположенный шпиндель клапана посредством другого короткого шатуна. Из-за необходимости пропускать шток клапана между ними, поршень имел два выступающих коротких поршневых пальца , а не один сквозной палец. ^{[ 15 ]}

Впускной пар подавался в верхнюю часть ствола штока поршня через характерные куполообразные колпаки. Если двигатель предназначался для фиксированной отсечки, то подача пара на входе контролировалась исключительно клапаном и стволом. Там, где нужно было использовать переменную отсечку, это было достигнуто очень просто с помощью вращающегося воротника с расположенными под углом портами, которые перекрывали порты в стволе и таким образом контролировали их синхронизацию. ^{[ 16 ]}

Смазка

Смазка двигателя «Вилланс» осуществлялась разбрызгиванием из закрытого картера. Он был заполнен смесью масла и воды. ^{[ 16 ]} Избыточная вода от конденсата отводилась из картера по мере его накопления, но двигатели не имели отдельных сальников между цилиндром и картером, с дренажным пространством между ними, которые использовали Carel, Belliss и Morcom или Alley & MacLellan (позже Sentinel ). Двигатели ^{[ 17 ]}

Снятие

После Первой мировой войны двигатели Willans постепенно вышли из употребления по двум причинам.

Во-первых, Belliss и Morcom доработали высокооборотный двигатель. Их изобретение в 1890 году масляного насоса и системы принудительной смазки решило проблему дребезжания подшипников при реверсивной нагрузке. ^{[ 18 ]}^{[ 19 ]} Это позволило им производить двигатели двойного действия, которые были более компактными, чем односторонние. Хотя одноцилиндровый двигатель мог заменить небольшой двухцилиндровый двигатель, это также было полезной экономией средств. Хотя некоторые парогенераторные установки продолжали использоваться вплоть до 1980-х годов, ^{[ iii ]} почти все они были типа Belliss и Morcom двойного действия.

Во-вторых, рост производства электроэнергии и развитие национальной энергосистемы благоприятствовали меньшему количеству более крупных электростанций, а не небольшим местным станциям первого поколения. Эти крупные электростанции могли более эффективно использовать большие паровые турбины и могли позволить себе использовать сложные с высоким перегревом, водотрубные котлы используемые с ними.

Похожие двигатели

Двигатель Карела

Двигатель Carel, построенный SA des Moteurs á Grand Vitesse. Brevet Carel's из Склессен-Льежа , Бельгия, был очень похож на Willans. ^{[ 20 ]} В нем использовалась аналогичная компоновка спаренных цилиндров, числом от двух до восьми. Он также был построен с учетом двойного и тройного расширения. Как и в двигателе Willans, в нем использовались цилиндры одностороннего действия, а также направляющая ствола Willans на воздушной подушке. Он отличался конструкцией клапанов, поскольку они были поворотными. Каждая пара цилиндров имела общий поворотный клапан между ними, приводимый в движение конической шестерней с половинной скоростью . Как и в локомотиве Пэджета , клапаны были чугунными и находились в гильзе из фосфористой бронзы внутри цилиндра. ^{[ 21 ]} Поскольку клапан и цилиндры должны работать синхронно, ^{[ iv ]} порты дублируются. В целом преимуществом является снижение линейной скорости клапана. Такие поворотные клапаны в то время часто пытались использовать, но редко успешно. В то время смазка была затруднена, а перегрев был ограничен, если бы клапаны не заклинивали. ^{[ 20 ]}^{[ v ]}

Патентный движок Паксмана Персика

Двигатель «Peach Patent» был произведен компанией Davey, Paxman & Co из Колчестера , которая построила 260 таких двигателей в период с 1895 по 1913 год. ^{[ 22 ]} Джеймс Кортхоуп Пич ранее работал в компании Willans & Robinson руководителем производства на паромном заводе. Он покинул Уилланс в январе 1892 года, а в 1893 году обратился к Джеймсу Паксману с собственной конструкцией высокоскоростного двигателя одностороннего действия. Позже он вернулся в Уилланс, в 1904 году став директором компании, которая сейчас базируется в Регби, а к 1908 году стал управляющим директором. ^{[ 22 ]}

Двигатель «Пич» считался еще одним тандемным агрегатом одностороннего действия, хотя и имел необычную конструкцию цилиндров. Средний объем цилиндров высокого и низкого давления был общим, без обычного сальника для их изоляции. ^{[ 22 ]} Поршень высокого давления действует вниз, а поршень низкого давления – вверх. Пространство между поршнями, называемое «управляющим цилиндром», частично заполнено паром, отбираемым из цилиндра высокого давления. Поскольку она сжимается при движении поршней вверх, она действует аналогично воздушной подушке Willans. ^{[ 13 ]}

Поршневые клапаны за цилиндрами работали с помощью радиальной клапанной передачи , приводимой в движение шатуном. ^{[ 22 ]}

Что необычно для парового двигателя, но несколько выгодно для двигателя одностороннего действия, «Персик» был дезаксным двигателем. Благодаря небольшому смещению оси коленчатого вала и поршня силы крейцкопфа оставались направленными к задней части двигателя на протяжении всего рабочего цикла. ^{[ 22 ]} Как и сам принцип одностороннего действия, такое постоянное направление сил помогло снизить вибрацию и износ. ^{[ 22 ]}

Выжившие

Лишь немногие образцы этих крупных двигателей для производства электроэнергии сохранились, в том числе Willans. Несколько экземпляров до сих пор сохранились, в том числе очень маленький в Музее науки . Это двигатель мощностью 10 кВт при 450 об/мин, который представлен рядом с оригинальной биполярной динамо-машиной. Также показан один цилиндр более крупного двигателя в разрезе ( рис. ).

Трехцилиндровый генератор мощностью 140 л.с. 1901 года выпуска был снят с производства в 1957 году из мебельного магазина Maples в Лондоне и выставлен на обозрение на оригинальной фабрике Willans в Регби . В 2011 году это было отмечено премией Engineering Heritage Award . ^{[ 23 ]}^{[ 24 ]} В 2017 году он был передан Внутреннему пожару – Музею власти в Западном Уэльсе. ^{[ 25 ]}

Трехцилиндровый двухступенчатый двигатель хранится в Музее науки и техники Каталонии (mNACTEC). ^{[ 26 ]}

Примечания

^ Т.е. один клапан снабжал все поршни в вертикальной колонне. Напротив, Беллис (и другие) разработали хорошо известную конструкцию, в которой один поршневой клапан распределялся между соседними цилиндрами по горизонтали. ^{[ 2 ]}
^ Эта рекомпрессия была важным фактором эффективности прямоточного двигателя .
^ В основном в больницах, где уже существовала мощная паровая установка для отопления и требовались надежные резервные генераторы электроэнергии.
^ Это похоже на двухтактный двигатель внутреннего сгорания , а не на четырехтактный двигатель , в котором к распределительному валу также применяется понижающая передача на половинной скорости.
↑ Как и произошло с локомотивом Пэджета.

Ссылки

^ Хиллз, Ричард Л. (1989). Питание от Steam . Издательство Кембриджского университета . стр. 215–219. ISBN 0-521-45834-Х .
^ Хиллз 1989 , с. 218.
^ Перейти обратно: ^а ^б Кеннеди, Рэнкин (1912) [1905]. «I. Детали и аксессуары паровой машины». Клапанная передача и регуляторы . Книга современных двигателей и генераторов. Том. IV. Лондон: Кэкстон. стр. 17–19.
^ Кеннеди 1903 , стр. 69–73.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с «Новые конструкции паровых машин» . Музей науки . Проверено 19 февраля 2022 г.
^ {{Цитировать патент |страна=ГБ |номер=13769 |gdate=17 октября 1874 г. |title=Усовершенствование паровых машин |изобретатель1-первый =Питер В. |inventor1-last= Вилланс

[3] Т.е. один клапан снабжал все поршни в вертикальной колонне. Напротив, Беллис (и другие) разработали хорошо известную конструкцию, в которой один поршневой клапан распределялся между соседними цилиндрами по горизонтали. ^{[ 2 ]}

[15] Эта рекомпрессия была важным фактором эффективности прямоточного двигателя .

[22] В основном в больницах, где уже существовала мощная паровая установка для отопления и требовались надежные резервные генераторы электроэнергии.

[25] Это похоже на двухтактный двигатель внутреннего сгорания , а не на четырехтактный двигатель , в котором к распределительному валу также применяется понижающая передача на половинной скорости.

[26] Как и произошло с локомотивом Пэджета.

[Hills,_Willans-1] Хиллз, Ричард Л. (1989). Питание от Steam . Издательство Кембриджского университета . стр. 215–219. ISBN 0-521-45834-Х .

[FOOTNOTEHills1989218-2] Хиллз 1989 , с. 218.

[Kennedy,_Modern_Engines,_Willans-4] Перейти обратно: ^а ^б Кеннеди, Рэнкин (1912) [1905]. «I. Детали и аксессуары паровой машины». Клапанная передача и регуляторы . Книга современных двигателей и генераторов. Том. IV. Лондон: Кэкстон. стр. 17–19.

[FOOTNOTEKennedy190369–73-5] Кеннеди 1903 , стр. 69–73.

[Science_Museum-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с «Новые конструкции паровых машин» . Музей науки . Проверено 19 февраля 2022 г.

[7] {{Цитировать патент |страна=ГБ |номер=13769 |gdate=17 октября 1874 г. |title=Усовершенствование паровых машин |изобретатель1-первый =Питер В. |inventor1-last= Вилланс

[ 1 ]

[ я ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ ii ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ iii ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ iv ]

[ v ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

[ 2 ]