Высокоскоростной паровой двигатель

Высокоскоростные паровые машины были одним из последних разработок стационарной паровой машины . Они бежали с высокой скоростью, в несколько сотен об/мин. ^[1] что было необходимо для таких задач, как выработка электроэнергии. ^[2]

Определение характеристик

Они имеют две основные характеристики:

Высокоскоростной.

Этого достаточно для прямого привода небольшой динамо-машины без необходимости использования повышающего привода с помощью ремней.

Точная регулировка скорости.

Генерация с помощью динамо-машины требует стабильной скорости вращения для стабильного выходного напряжения, даже при изменении нагрузки. При работе генератора переменного тока выходная частота также зависела от стабильной скорости вращения.

Это также привело к ряду второстепенных характеристик. Хотя они не были определяющими для типа и не всегда были таковыми, они были узнаваемо распространены:

Улучшенная смазка, как того требует их высокая скорость.

Часто использовался закрытый картер с масляным поддоном и смазкой разбрызгиванием или кольцевыми масленками . Некоторые дошли до того, что установили масляные насосы с приводом от двигателя и систему циркуляции .

Небольшие, жесткие чугунные рамы, поэтому они не требовали обычного для большого стационарного двигателя сложного каменного фундамента.
Цилиндры одностороннего действия .

Поскольку картер стал более важным для смазки, компоновка была проще, если давление пара прикладывалось только к одной стороне цилиндра. У этого есть второе преимущество: поскольку сила пара теперь действует только на одну сторону поршня, сила, действующая на подшипники, по-прежнему будет меняться в ходе хода, но уже не меняет свое направление. ^[я] Это снижает последствия любого скольжения подшипника на высокой скорости. ^[3]

Высокая скорость не была нужна для производства электроэнергии на крупнейших общегородских станциях. ^[ii] Поскольку эти заводы обязательно были большими, они также могли использовать динамо-машины большого диаметра со многими полюсными наконечниками. Это давало необходимую линейную скорость (в пройденных полюсах/время) для более низкой скорости вращения вала.

Эти двигатели выпускались как с простым , так и со сложным рабочим циклом. Меньшие примеры обычно были простыми, поскольку трудности достижения хорошего регулирования перевешивали эффективность начисления сложных процентов. Высокоскоростные двигатели действительно заслужили репутацию расточительных. ^[1] Для более крупных двигателей экономия на топливе была оправданной, и составные конструкции, такие как двигатель Willans использовались .

Они также использовали широкий спектр клапанов. Примеры с золотниковыми или поршневыми клапанами были обычным явлением. Многоцилиндровые двигатели одностороннего действия обычно имеют один поршневой клапан между двумя цилиндрами, либо между цилиндрами, либо горизонтально над ними. ^[1]

Клапанный механизм, приводивший в движение эти клапаны, обычно был простым: один эксцентрик, рассчитанный только на работу с одной скоростью в одном направлении и при довольно постоянной нагрузке. Хотя эти двигатели были современниками сложных и эффективных клапанных механизмов, таких как Corliss , эти управляющие клапаны были неспособны работать достаточно быстро. ^[3]^[4]^[5]

«Автоматические» двигатели

Ключевым требованием к высокоскоростному паровому двигателю было точное поддержание постоянной скорости даже при быстро меняющейся нагрузке. Хотя управление паровыми двигателями с помощью центробежного регулятора восходит к Уатту , этого контроля было недостаточно. Эти первые регуляторы управляли дроссельной заслонкой для управления потоком пара в двигатель. Это дает недостаточно быстрое управление постоянной скоростью, необходимой для выработки электроэнергии.

Решением, разработанным для высокоскоростных паровых двигателей, стал «автоматический» регулятор. Вместо того, чтобы контролировать скорость потока пара, он контролировал время или « отключение » впускных клапанов. ^[6]^[7] Этот регулятор располагался между коленчатым валом и эксцентриком, приводящим в движение клапанный механизм. Часто его делали частью маховика двигателя. Центробежный грузик в регуляторе двигался против пружины с возрастающей скоростью. Это привело к смещению положения эксцентрика относительно кривошипа, что изменило фазы газораспределения и вызвало преждевременное отключение. Поскольку этот элемент управления действовал непосредственно на порт цилиндра, а не через длинную трубку от дроссельной заслонки, он мог действовать очень быстро.

Смазка

Смазка разбрызгиванием закрытого картера

Смазка первых высокооборотных двигателей, таких как Идеал (горизонтальный двигатель с открытым кривошипом), ^[8] смазывались путем развития системы масляных чашек , ранее широко распространенной на среднеоборотных стационарных двигателях. Масляные чашки и многоточечные лубрикаторы могли достаточно хорошо смазывать подшипники вала, и даже самый неосторожный машинист или масленщик мог наблюдать за одним смотровым стеклом . Сложность заключалась в том, что на высокооборотных двигателях масленки уже нельзя было устанавливать на движущиеся части, например, крейцкопф или шатун. Любой масляный резервуар здесь будет переворачиваться из-за движения, и такой обязательно небольшой запас также может оказаться недостаточной мощностью для двигателя, выполняющего такую большую работу в небольшом пространстве. Таким образом, больше внимания уделялось тщательности смазки, а движущиеся части, такие как шатунная шейка, питались через отверстия в коленчатом валу из источников масла, которые вращались, но не двигались, например, коренные подшипники. Для распределения масла также использовалась центробежная сила. ^[8] Обычно высокооборотные двигатели имели только один или два лубрикатора. ^[iii] так что обслуживание двигателя было более простой задачей и менее подвержено поломкам из-за простой небрежности и работы лубрикатора всухую.

Двигатели одностороннего действия

По мере увеличения скорости высокооборотный двигатель развивался в сторону развитой формы многоцилиндрового вертикального двигателя с закрытым картером . Также существовала тенденция к использованию поршней одностороннего действия . Это имело два преимущества: смазку можно было обеспечить с помощью щедрой «разбрызгивающей» системы внутри картера, которая также способствовала охлаждению, и, во-вторых, силы в двигателе одностороннего действия всегда действуют одинаково, как сила сжатия вдоль картера. шток поршня и шатун. Это означало, что даже если зазоры подшипника были относительно слабыми, подшипник всегда удерживался крепко. Провисающие и, следовательно, свободно вращающиеся подшипники могут быть приняты. Примером такого двигателя могут быть двухцилиндровые двигатели Westinghouse . ^[9] В этих двигателях использовался тронковый поршень , который используется сегодня в двигателях внутреннего сгорания, где нет отдельной крейцкопфа, а поршневой палец шатуна перемещается вверх внутри самого поршня. Это обеспечивает очень компактную компоновку, но, очевидно, требует поршня одностороннего действия. Коренные подшипники коленчатого вала этого двигателя были снабжены отдельными масленками, сливавшими воду в картер. Было установлено, что картерное масло загрязняется водой из-за конденсированного пара и выбросов поршней. Для слива собранного конденсата из-под масла на дне глубокого поддона был предусмотрен клапан.

Двигатели двойного действия и изобретение смазки под давлением.

Важная концепция смазки подшипников двигателя под давлением зародилась с высокоскоростных паровых двигателей и в настоящее время является важной частью двигателей внутреннего сгорания . Это не только надежная система смазки, но и позволяет использовать гидростатические подшипники («масляный клин»), способные выдерживать более высокие нагрузки. Первые патенты на это были выданы компании Belliss & Morcom в 1890 году благодаря работе их чертежника Альберта Чарльза Пейна. ^[3] Belliss & Morcom предпочитала цилиндры двойного действия, чтобы производить двигатели минимально возможного размера для заданной мощности; Один из их основных рынков, как и «Питер Бразерхуд» , заключался в поставке генераторных установок для Королевского флота для использования в машинном отделении военного корабля. Сложность двигателя двойного действия заключалась в том, что направление сил в шатуне теперь меняется на противоположное при сжатии и растяжении, поэтому зазоры в подшипниках необходимо делать более узкими, 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 кривошипа через длинные просверленные отверстия в коленчатом валу. Это обеспечивало надежную смазку и охлаждение, а давление масляной пленки было достаточным для возможности использования двигателей двойного действия с достаточным зазором, обеспечивающим свободный ход. ^[10]

См. также

Двигатель Уилланса
Однопоточный двигатель
Паровой двигатель , применение принципов высокоскоростного двигателя к паровозам.

Примечания

^ Такое же постоянное направление силы характерно для двухтактного двигателя внутреннего сгорания , но не для четырехтактного .
^ Первые из этих установок были произведены либо для уличного освещения , либо для электрического трамвая , за несколько лет до того, как бытовое электроснабжение стало популярным.
^ Паровое масло для использования внутри цилиндра часто было другого сорта, чем подшипниковое масло, особенно если подаваемый пар был перегретым .

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Высокоскоростной паровой двигатель . Научный американец. 1921. {{cite book}}: |work= игнорируется ( помощь ) , от 400 до 1200 об/мин
^ Кеннеди, Рэнкин (1912). Книга современных двигателей и генераторов . Том. IV (издание 1912 г., кн. 1905 г., изд.). Лондон: Кэкстон. стр. 195–215.
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Высокоскоростные паровые машины» . 20 декабря 2005 г.
^ Хокинс, Неемия (1897). Новый катехизис паровой машины . Нью-Йорк: Тео Одель.
^ Далби, Уильям Эрнест (октябрь 2008 г.). Клапаны и клапанные механизмы . БиблиоБазар. ISBN 9780559366307 .
^ Хокинс, Новый катехизис парового двигателя , стр. 100–101.
^ Кеннеди, Рэнкин (1903). Производство электрической энергии, первичных двигателей, генераторов и двигателей . Электромонтажные работы. Том. III (издание 1903 г. (пять томов) из четырехтомного издания до 1903 г.). Лондон: Кэкстон. стр. 78–80.
^ Jump up to: ^а ^б Хокинс, «Новый катехизис парового двигателя» , с. 105.
^ Хокинс, Новый катехизис парового двигателя , стр. 110–113.
^ Сторер, Джей Ди (1969). «11: Высокоскоростные паровые машины». Простая история парового двигателя . Джон Бейкер. стр. 155–156. ISBN 0212-98356-3 .

Дальнейшее чтение

Норрис, Уильям; Морган, Бенджамин Х. (1900). Высокоскоростные паровые машины .

[3] Такое же постоянное направление силы характерно для двухтактного двигателя внутреннего сгорания , но не для четырехтактного .

[5] Первые из этих установок были произведены либо для уличного освещения , либо для электрического трамвая , за несколько лет до того, как бытовое электроснабжение стало популярным.

[11] Паровое масло для использования внутри цилиндра часто было другого сорта, чем подшипниковое масло, особенно если подаваемый пар был перегретым .

[Scientific_American,_High_Speed_Steam_Engine-1] Jump up to: ^а ^б ^с Высокоскоростной паровой двигатель . Научный американец. 1921. {{cite book}}: |work= игнорируется ( помощь ) , от 400 до 1200 об/мин

[2] Кеннеди, Рэнкин (1912). Книга современных двигателей и генераторов . Том. IV (издание 1912 г., кн. 1905 г., изд.). Лондон: Кэкстон. стр. 195–215.

[DSelf-4] Jump up to: ^а ^б ^с «Высокоскоростные паровые машины» . 20 декабря 2005 г.

[Hawkins,_New_Catechism_of_the_Steam_Engine-6] Хокинс, Неемия (1897). Новый катехизис паровой машины . Нью-Йорк: Тео Одель.

[7] Далби, Уильям Эрнест (октябрь 2008 г.). Клапаны и клапанные механизмы . БиблиоБазар. ISBN 9780559366307 .

[FOOTNOTEHawkins,_New_Catechism_of_the_Steam_Engine100–101-8] Хокинс, Новый катехизис парового двигателя , стр. 100–101.

[9] Кеннеди, Рэнкин (1903). Производство электрической энергии, первичных двигателей, генераторов и двигателей . Электромонтажные работы. Том. III (издание 1903 г. (пять томов) из четырехтомного издания до 1903 г.). Лондон: Кэкстон. стр. 78–80.

[FOOTNOTEHawkins,_New_Catechism_of_the_Steam_Engine105-10] Jump up to: ^а ^б Хокинс, «Новый катехизис парового двигателя» , с. 105.

[FOOTNOTEHawkins,_New_Catechism_of_the_Steam_Engine110–113-12] Хокинс, Новый катехизис парового двигателя , стр. 110–113.

[13] Сторер, Джей Ди (1969). «11: Высокоскоростные паровые машины». Простая история парового двигателя . Джон Бейкер. стр. 155–156. ISBN 0212-98356-3 .

[1]

[2]

[я]

[3]

[ii]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[iii]

[9]

[10]