Поршневой клапан (паровой двигатель)

Поршневые клапаны — это одна из форм клапанов, используемых для управления потоком пара внутри парового двигателя или локомотива . Они контролируют поступление пара в цилиндры и последующий его выпуск, позволяя локомотиву двигаться своим ходом. Клапан состоит из двух поршневых головок на общем шпинделе, движущихся внутри паровой камеры, которая по сути представляет собой мини-цилиндр, расположенный либо над, либо под главными цилиндрами локомотива.

Обзор

В XIX веке в паровозах использовались шиберные клапаны для регулирования потока пара в цилиндры и из них . В 20 веке золотниковые клапаны постепенно были вытеснены поршневыми клапанами, особенно в двигателях, использующих перегретый пар. Для этого было две причины:

Трудно смазать золотниковые клапаны в присутствии перегретого пара.
С помощью поршневых клапанов каналы для пара можно сделать короче. Это, особенно после работы Андре Шапелона , снижает сопротивление потоку пара и повышает эффективность.

Обычные клапанные механизмы локомотивов, такие как Stephenson , Walschaerts и клапанные механизмы Baker , могут использоваться как с золотниковыми, так и с поршневыми клапанами. Там, где тарельчатые клапаны используются , может использоваться другая передача, например, клапанная передача Caprotti , хотя упомянутые выше стандартные шестерни также использовались Chapelon и другими.

Большинство поршневых клапанов относятся к типу «внутреннего впуска», при котором свежий пар вводится из котла через пространство между двумя поршневыми головками клапана, а отработанный пар выходит через пространство между поршневой головкой и концом паровой камеры. . Преимущество этой конструкции заключается в том, что утечка через сальник, который изолирует паровую камеру от рабочего стержня клапанного механизма, представляет собой гораздо меньшую проблему, когда сальник подвергается воздействию низкого давления выхлопных газов, а не полного давления котла. Bulleid Однако некоторые локомотивы, такие как класс торгового флота SR , использовали «внешний впуск», где было верно обратное, в случае Bulleid из-за необычного устройства клапанного механизма с цепным приводом.

Примеры

Двигатель Суоннингтона с наклонной обмоткой на железной дороге Лестера и Суоннингтона , изготовленный компанией Horsely Coal & Iron Company в 1833 году, демонстрирует очень раннее использование поршневого клапана. ^[1] Поршневые клапаны использовались год или два назад в горизонтальных двигателях, производимых компанией Taylor & Martineau в Лондоне, но не стали обычным явлением для стационарных или локомотивных двигателей до конца 19 века. ^[2]

Принципы проектирования

Во время движения паровозу требуется, чтобы пар поступал в цилиндр в точное время относительно положения поршня. ^[3] Это влечет за собой контроль поступления и выпуска пара в цилиндры и из них с помощью клапана, связанного с движением поршня. ^[3]

Для выбора времени и размеров золотниковых или поршневых клапанов, в которых клапан открывает и закрывает паровые и выпускные отверстия, необходимо учитывать «перекрытие» и «оперение».

Колени

Нахлест — это величина, на которую клапан перекрывает каждое отверстие в среднем положении каждого клапана. ^[3] Есть два разных типа кругов.

Первый вид - это перекрытие пара, которое представляет собой величину, на которую клапан перекрывает паровое отверстие на стороне острого пара поршня или золотникового клапана (т.е. расстояние, на которое клапан должен переместиться, чтобы только начать открывать отверстие). ^[3]

Во-вторых, перекрытие выпускного клапана, то есть степень, на которую клапан перекрывает выпускное отверстие на выпускной стороне поршня или золотникового клапана. Выпускной круг обычно дается тихоходным локомотивам. ^[3] Это связано с тем, что он позволяет пару оставаться в цилиндре максимально долгое время, прежде чем он будет израсходован на выхлоп, что повышает эффективность. ^[3] Маневровые локомотивы, как правило, оборудовались этим дополнением.

Отрицательный выхлопной зазор, также широко известный как выхлопной зазор, представляет собой степень открытия отверстия для выхлопа, когда клапан находится в среднем положении, и используется на многих быстроходных локомотивах для обеспечения свободного выхлопа. ^[3] Цилиндр с обеих сторон поршня открыт для выпуска воздуха одновременно, когда клапан проходит через среднее положение, которое во время работы является кратковременным. ^[3]

Вести

Свинец — это степень открытия порта, когда поршень находится в передней или задней «мертвой точке». ^[3] В случае с паровым портом это позволяет подавать пар для заполнения зазора между цилиндром и поршнем и обеспечивает максимальное давление в цилиндре перед началом хода. ^[3] Это одновременно смягчает и помогает массе поршня замедляться и менять направление. На медленных скоростях никакой поводок не идеален. Для двигателей с поршнями диаметром более 24 дюймов, массой более 5 кг и давлением менее 500 фунтов на квадратный дюйм амортизация полезна. Свинец необходим на локомотивах, рассчитанных на высокие скорости. ^[3]

Расчет событий клапана

Учитывая перекрытие, ход и ход клапана, в какой момент хода поршня клапан открывается и закрывается для выпуска пара и выпуска газа?

Вычисление точного ответа на этот вопрос до появления компьютеров было слишком трудной задачей. Простое приближение (используемое в диаграммах Цойнера и Рело ) состоит в том, чтобы представить, что и клапан, и поршень совершают синусоидальное движение (как это было бы, если бы главный шток был бесконечно длинным). Тогда, например, чтобы вычислить процент хода поршня, при котором прекращается поступление пара:

Вычислите угол, косинус которого равен удвоенному числу перекрытия, деленному на ход клапана.
Рассчитайте угол, косинус которого в два раза больше (перекрытие плюс ход), деленное на ход клапана.

Сложите два угла и возьмите косинус их суммы; вычтите 1 из этого косинуса и умножьте результат на -50.

Пенсильвании имел диаметр круга 2 дюйма, ход клапана 1/4 дюйма 2-10-0 из I1 и ход клапана 6 дюймов на полной передаче. На полной передаче два угла составляют 48,19 градуса и 41,41 градуса, а максимальное отсечение составляет 49,65% хода поршня.

См. также

Ссылки

^ Клинкер, CR (1977) Железная дорога Лестера и Суоннингтона, Бристоль: Публикации и услуги Avon Anglia. Перепечатано из «Трудов Археологического общества Лестершира», том XXX, 1954 г.
^ Информационная табличка на паровозе Суоннингтона, Национальный железнодорожный музей , Йорк .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Гаррат, К. и Уэйд-Мэтьюз, М.: Полная энциклопедия пара и железных дорог (Лондон: Hermes Publishing Company, Ltd., 1998). ISBN 1-84038-088-8

[1] Клинкер, CR (1977) Железная дорога Лестера и Суоннингтона, Бристоль: Публикации и услуги Avon Anglia. Перепечатано из «Трудов Археологического общества Лестершира», том XXX, 1954 г.

[2] Информационная табличка на паровозе Суоннингтона, Национальный железнодорожный музей , Йорк .

[Garratt,C-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Гаррат, К. и Уэйд-Мэтьюз, М.: Полная энциклопедия пара и железных дорог (Лондон: Hermes Publishing Company, Ltd., 1998). ISBN 1-84038-088-8

[1]

[2]

[3]