Однопоточный паровой двигатель

Схематическая анимация прямоточного парового двигателя.
Тарельчатые клапаны управляются вращающимся распределительным валом вверху. Пар под высоким давлением входит (красный) и выходит (желтый).

прямоточного типа Паровой двигатель использует пар, который течет только в одном направлении в каждой половине цилиндра. Термический КПД увеличивается за счет градиента температуры вдоль цилиндра. Пар всегда поступает в горячие концы цилиндра и выходит через порты в центре охладителя. За счет этого снижается относительный нагрев и охлаждение стенок цилиндра.

Детали дизайна

Поступление пара обычно контролируется тарельчатыми клапанами (которые действуют аналогично тем, которые 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 кривошипного цикла впускается пар, а затем впускное отверстие тарелки закрывается, позволяя пару продолжать расширяться 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 трубами с конденсатором, что снижает давление в камере ниже атмосферного, вызывая быстрое истощение. Продолжающееся вращение кривошипа приводит в движение поршень. На анимации можно увидеть особенности прямоточного двигателя: большой поршень длиной почти в половину цилиндра, тарельчатые впускные клапаны на обоих концах, распределительный вал (движение которого происходит от движения карданного вала) и центральное кольцо. выпускных отверстий.

Преимущества

Двигатели с однопоточным потоком потенциально обеспечивают большее расширение в одном цилиндре без прохождения относительно холодного выхлопного пара через горячий конец рабочего цилиндра и паровые отверстия обычного парового двигателя с «противоточным потоком» во время такта выпуска. Это условие обеспечивает более высокий тепловой КПД. Выпускные отверстия открыты лишь на небольшую часть хода поршня, а выпускные отверстия закрываются сразу после того, как поршень начинает двигаться к впускному концу цилиндра. Пар, остающийся внутри цилиндра после закрытия выпускных отверстий, улавливается, и этот захваченный пар сжимается возвратным поршнем. Это термодинамически желательно, поскольку при этом горячий конец цилиндра предварительно нагревается перед поступлением пара. Однако риск чрезмерного сжатия часто приводит к тому, что на головках цилиндров располагаются небольшие дополнительные выпускные отверстия. Такая конструкция называется полупрямоточным двигателем.

Двигатели этого типа обычно имеют несколько цилиндров, расположенных рядно, и могут быть одно- или двустороннего действия. Особым преимуществом этого типа является то, что клапаны могут приводить в действие несколько распределительных валов, и за счет изменения относительной фазы этих распределительных валов количество впускаемого пара может быть увеличено для высокого крутящего момента на низкой скорости и может быть уменьшено при крейсерская скорость для экономии эксплуатации. В качестве альтернативы конструкции, использующие более сложную поверхность кулачка, позволяли изменять синхронизацию путем смещения всего распределительного вала в продольном направлении по сравнению с его толкателем, что позволяло изменять момент впуска. (Распределительный вал может перемещаться с помощью механических или гидравлических устройств.) А, изменяя абсолютную фазу, можно изменить направление вращения двигателя. Однопоточная конструкция также поддерживает постоянный температурный градиент в цилиндре, избегая прохождения горячего и холодного пара через один и тот же конец цилиндра.

Недостатки

На практике прямоточный двигатель имеет ряд эксплуатационных недостатков. Большая степень расширения требует большого объема цилиндра. Для получения максимальной потенциальной работы от двигателя требуется высокая скорость возвратно-поступательного движения, обычно на 80% выше, чем у двигателя двойного действия с противотоком. Это приводит к тому, что время открытия впускных клапанов становится очень коротким, что создает большую нагрузку на хрупкую механическую часть. Чтобы выдерживать огромные механические силы, двигатели должны иметь тяжелую конструкцию, и требуется большой маховик как для сглаживания изменений крутящего момента, поскольку давление пара в цилиндре быстро возрастает и падает, так и для компенсации инерции тяжелого двигателя. поршень. Поскольку в цилиндре существует температурный градиент, металл стенки расширяется в разной степени. Это требует, чтобы отверстие цилиндра было обработано шире в холодном центре (иногда называемом «яйцеобразным»), чем на горячих концах. Если цилиндр не нагрет должным образом или в него попадет вода, хрупкий баланс может быть нарушен, что приведет к заклиниванию в середине хода и, возможно, к разрушению.

История

Прямоточный двигатель был впервые использован в Великобритании в 1827 году Джейкобом Перкинсом и запатентован в 1885 году Леонардом Дженнеттом Тоддом . Он был популяризирован немецким инженером Иоганном Штумпфом в 1909 году, когда годом ранее, в 1908 году, был выпущен первый коммерческий стационарный двигатель.

Паровозы

Принцип прямотока в основном использовался для промышленного производства электроэнергии, но также был опробован на нескольких железнодорожных локомотивах в Англии, таких как Северо-Восточной железной дороги прямоточные локомотивы № 825 1913 года и № 2212 1918 года. ^[1] и локомотив Midland Railway Paget . Эксперименты проводились и во Франции. ^[2] Германия, США и Россия. ^[1] Ни в коем случае результаты не были достаточно обнадеживающими для дальнейшего развития.

Паровые вагоны

Первое крупномасштабное использование двигателя Uniflow было в паровых вагонах Аткинсона в 1918 году. ^[3] Известно, что до сих пор существует только один такой паровой вагон; он был построен в 1918 году, провел свой рабочий период и период заброшенности в Австралии, а затем был репатриирован в Англию и восстановлен Томом Варли в 1976-77 годах. ^[4]^[5]

Скиннер Унафлоу

Окончательная коммерческая эволюция прямоточного двигателя произошла в Соединенных Штатах в конце 1930-х и 1940-х годах компанией Skinner Engine Company с разработкой морского парового двигателя Compound Unaflow. ^[1] Этот двигатель работает в шпилеобразной конфигурации и обеспечивает эффективность, приближающуюся к современным дизелям. Многие автомобильные паромы на Великих озерах были так оборудованы, один из них до сих пор работает, SS Badger 1952 года. «Касабланка» класса Эскортный авианосец , самый плодовитый проект авианосца в истории, использовал два 5-цилиндровых двигателя Skinner Unaflow, но эти не были шпилями. Несоставной Skinner Uniflow оставался в эксплуатации до 2013 года на цементовозе Великих озер SS St. Marys Challenger , установленном, когда судно было повторно приведено в действие в 1950 году.

При небольших размерах (менее 1000 л.с. (750 кВт)) поршневые паровые двигатели намного более эффективны, чем паровые турбины. Солнечная электростанция Уайт-Клиффс использовала трехцилиндровый прямоточный двигатель с впускными клапанами типа « Баш » для выработки электрической мощности около 25 кВт.

Самодельные переделки двухтактных двигателей

Конфигурация прямоточного парового двигателя одностороннего действия очень похожа на конфигурацию двухтактного двигателя внутреннего сгорания, и можно преобразовать двухтактный двигатель в прямоточный паровой двигатель, подавая в цилиндр пар через « откидной клапан », установленный в место свечи зажигания. ^[6] Когда поднимающийся поршень приближается к вершине своего хода, он открывает ударный клапан, пропуская импульс пара. Клапан закрывается автоматически, когда поршень опускается, и пар выпускается через существующие отверстия цилиндра. Затем инерция маховика возвращает поршень обратно в верхнюю часть его хода против сжатия, как это происходит в исходной форме двигателя. Также, как и в оригинале, преобразование не запускается автоматически, и для запуска его необходимо включить с помощью внешнего источника питания. Примером такого преобразования является паровой мопед, который заводится педалью. ^[7]

См. также

Передовая паровая технология

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Музей ретро-техники – паровозы Uniflow .
^ « Haute Pression! Французские локомотивы высокого давления» . 3 января 2006 г. Проверено 21 октября 2019 г.
^ Коммерческий мотор . 15 августа 1918 г.
^ Бодди, Билл (июнь 1977 г.). «Шансы VEV и конец Регистра Райли» . Мотоспорт . п. 676 . Проверено 8 января 2023 г.
^ «Материал региональных новостей BBC North West за 1973–1986 годы: Подробности программы - Дополнительная информация для Look North West: пятница, 22 апреля 1977 года» . Северо-Западный киноархив . Проверено 8 января 2023 г.
^ Баш-клапан - описание
^ Мопед с паровым двигателем

Источники

Научитесь тепловым двигателям Э. де Вилля, опубликовано The English Universities Press Limited, Лондон, 1960, стр. 40–41.

Внешние ссылки

Музей ретро-техники – Паровые двигатели Uniflow

[UniflowLocos-1] Jump up to: ^а ^б ^с Музей ретро-техники – паровозы Uniflow .

[French_high-pressure_locomotive-2] « Haute Pression! Французские локомотивы высокого давления» . 3 января 2006 г. Проверено 21 октября 2019 г.

[3] Коммерческий мотор . 15 августа 1918 г.

[msm_1977-06-4] Бодди, Билл (июнь 1977 г.). «Шансы VEV и конец Регистра Райли» . Мотоспорт . п. 676 . Проверено 8 января 2023 г.

[nwfa_lnw_1977-04-22-5] «Материал региональных новостей BBC North West за 1973–1986 годы: Подробности программы - Дополнительная информация для Look North West: пятница, 22 апреля 1977 года» . Северо-Западный киноархив . Проверено 8 января 2023 г.

[bashvalve-6] Баш-клапан - описание

[7] Мопед с паровым двигателем

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]