Паровой двигатель Uniflow

Схематическая анимация парового двигателя Uniflow.
Клапаны спетки управляются вращающимся распределительным валом наверху. Паро высокого давления входит, красный и выхлоп, желтый.

Тип Uniflow парового двигателя использует пар, который течет в одном направлении только в каждой половине цилиндра. Тепловая эффективность повышается, имея градиент температуры вдоль цилиндра. Пар всегда входит на горячие концы цилиндра и вытирается через порты в центре кулера. Таким образом, относительное отопление и охлаждение стен цилиндра уменьшаются.

Детали дизайна

Галлоуэй Uniflow паровой двигатель, теперь в Thinktank, Бирмингемский музей науки

Вход пара обычно контролируется поппетовыми клапанами (которые действуют аналогично тем, которые используются в двигателях внутреннего сгорания ), которые управляются распределительным валом . Впускные клапаны открываются для принятия Steam, когда минимальный объем расширения был достигнут в начале удара. В течение периода кривошитого цикла принят пар, и затем входной отверстие закрывается, что позволяет продолжить расширение пар во время удара, управляя поршнем. Ближе к концу удара поршень раскрывает кольцо из выхлопных портов, установленных радиально вокруг центра цилиндра. Эти порты соединены коллектором и трубопроводом с конденсатором, снижая давление в камере ниже датчика атмосферы, вызывая быстрое исчерпывание. Продолжение вращения рукоятки перемещает поршень. Из анимации можно увидеть особенности двигателя Uniflow, с большим поршнем почти половиной длины цилиндра, впускными клапанами поппета на обоих концах, распределительным валом (движение которого получено от движения кармана) и центрального кольца выхлопных портов.

Преимущества

Двигатели Uniflow потенциально позволяют увеличить расширение в одном цилиндре без относительно прохладного выпускного пар, протекающего по горячим концу рабочего цилиндра и паровых портов обычного парового двигателя «противополопка» во время выхлопного хода. Это условие обеспечивает более высокую тепловую эффективность. Выхлопные порты открыты только для небольшой доли поршня, а выпускные порты закрыты сразу после того, как поршень начинает двигаться к концу входного цилиндра. Пар, оставшийся внутри цилиндра после закрытия выхлопных портов, пойман в ловушку, и этот захваченный пар сжимается возвращающимся поршнем. Это термодинамически желательно, так как предварительно разогревает горячий конец цилиндра до приема пар. Тем не менее, риск чрезмерного сжатия часто приводит к тому, что небольшие вспомогательные выхлопные порты включаются в головки цилиндров. Такая конструкция называется полупрофильным двигателем

Двигатели этого типа обычно имеют несколько цилиндров в встроенном расположении и могут быть одно- или двойным действием. Особое преимущество этого типа состоит в том, что клапаны могут управляться эффектом множественных распределительных валов, и путем изменения относительной фазы этих распределительных валов количество допущенного пара может быть увеличено для высокого крутящего момента на низкой скорости и может быть уменьшено при Крейсерская скорость для экономики работы. В качестве альтернативы, конструкции с использованием более комплексной поверхности кулачки позволили изменять время, смещая весь распределительный вал продольно по сравнению с его последователем, что позволяет варьировать время приема. (Распределительный вал может быть сдвинут механическими или гидравлическими устройствами.) И, изменяя абсолютную фазу, направление вращения двигателя может быть изменено. Конструкция Uniflow также поддерживает постоянный градиент температуры через цилиндр, избегая прохождения горячего и холодного пар через один и тот же конец цилиндра.

Недостатки

На практике двигатель Uniflow имеет ряд операционных недостатков. Большой коэффициент расширения требует большого объема цилиндра. Чтобы получить максимальную потенциальную работу от двигателя, требуется высокая скорость взаимности, как правило, на 80% быстрее, чем двигатель контрфлауга двойного действия. Это приводит к тому, что время открытия впускных клапанов очень коротким, создавая большую нагрузку на тонкую механическую часть. Чтобы противостоять огромным механическим силам, двигатели должны быть сильно построены, и для того, чтобы сгладить вариации крутящего момента, требуется большое маховик, так и для компенсации инерции тяжелых поршень. Поскольку через цилиндр существует тепловой градиент, металл стены расширяется в разной степени. Это требует, чтобы цилиндр был более широкой в ​​прохладном центре (иногда описывается как «яичная»), чем на горячих концах. Если цилиндр не нагревается правильно, или если вода попадает, тонкий баланс может быть расстроен, вызывая судороги в середине удара и, возможно, разрушение.

История

Двигатель Uniflow был впервые использован в Британии в 1827 году Джейкобом Перкинсом и был запатентован в 1885 году Леонардом Дженнеттом Тоддом . Он был популяризирован немецким инженером Иоганном Штумпфом в 1909 году, а первый коммерческий стационарный двигатель был произведен годом ранее в 1908 году.

Паровые локомотивы

Принцип Uniflow был в основном использован для производства промышленной электроэнергии, но также был опробован в нескольких железнодорожных локомотивах в Англии, таких как локомотивы северо -восточной железной дороги Uniflow № 825 от 1913 года и № 2212 1918 года. и Midland Railway Paget Locomotive . Эксперименты были также проведены во Франции, Германия, Соединенные Штаты и Россия. Ни в коем случае результаты не были достаточно обнадеживающими для дальнейшего развития.

Паровые вагоны

Восстановленный паровой универсал 1918 года, сфотографированный в 1977 году

Первое крупномасштабное использование двигателя Uniflow было в Atkinson Steam Wagons , в 1918 году. Известно, что только один такой паровой универсал все еще существует; Он был построен в 1918 году, провел свою трудовую жизнь и период разбросания в Австралии, а затем был репатриирован в Англию и восстановлен Томом Варли в 1976-77 годах.

Скиннер Унафлоу

Окончательная коммерческая эволюция двигателя Uniflow произошла в Соединенных Штатах в конце 1930 -х и 1940 -х годов компанией Skinner Engine с разработкой составного морского парового двигателя Unaflow. Этот двигатель работает в конфигурации крутого соединения и обеспечивает эффективность, приближающуюся к современным дизелям. Многие автомобильные паромы на Великих озерах были настолько оборудованы, один из которых все еще работает, SS Badger 1952 года. Компания Casablanca -Class Escort Carrier , самый плодовитый дизайн авианосца в истории, использовал два 5 -цилиндровых двигателя Skinner Unaflow, но эти не были крутыми соединениями. Некомпонентный Skinner Uniflow оставался в эксплуатации до 2013 года в цементном носителе Great Lakes SS St. Marys Challenger , установленное, когда судно было повторно включено в 1950 году.

В небольших размерах (менее чем около 1000 л.с. (750 кВт)) возвратные паровые двигатели гораздо более эффективны, чем паровые турбины. Белые скалы Solar Power Station использовали трехцилиндровый двигатель Uniflow с « Bash входными клапанами » для генерации электрической мощности около 25 кВт.

Домашнее обращение двухтактных двигателей

Конфигурация парамового двигателя Uniflow Oniflow Uniflow очень напоминает конфигурацию двухтактного двигателя внутреннего сгорания, и можно преобразовать двухтактный двигатель в паровой двигатель Uniflow, подав цилиндр с помощью паром с помощью « Bash Calve ». Место зажигания. Поскольку восходящая поршень приближается к вершине своего хода, он сбивает открытый клапан, чтобы допустить пульс пара. Клапан закрывается автоматически, когда поршень спускается, а пар исчерпывается через существующее перенос цилиндра. Инерция маховика затем несет поршень обратно на вершину своего хода против сжатия, как это происходит в исходной форме двигателя. Также как оригинал, преобразование не является самостоятельным началом и должно быть перевернуто внешним источником питания для начала. Примером такого преобразования является паровая мопед, который начинается с педалирования.

Смотрите также

• Усовершенствованная технология Steam

Источники

• Обучите себя тепловыми двигателями Э. де Вилля, опубликованная английскими университетами Press Limited, Лондон, 1960, стр. 40–41

Внешние ссылки

• Музей ретро -технологии - паровые двигатели Uniflow