Расширительный клапан (паровой двигатель)
— Расширительный клапан это устройство в парового двигателя клапанном механизме , которое повышает эффективность двигателя. Он работает за счет раннего закрытия подачи пара, прежде чем поршень пройдет полный ход. Это отключение позволяет пару затем расширяться внутри цилиндра. [1] Этого расширяющегося пара все еще достаточно, чтобы привести в движение поршень, даже несмотря на то, что его давление уменьшается по мере расширения. [я] Поскольку меньше пара подается за более короткое время, в течение которого клапан открыт, использование расширительного клапана снижает расход пара и, следовательно, необходимое топливо. [2] Двигатель (по данным 1875 года) может произвести две трети работы, затратив лишь одну треть пара. [2]
Расширительный клапан — это вторичный клапан парового двигателя. Они представляют собой промежуточный этап между паровыми двигателями с нерасширяющимся рабочим механизмом и более поздними клапанными механизмами, которые могли обеспечивать расширение за счет управления движением одного клапана.
Расширительные клапаны использовались для стационарных двигателей и судовых двигателей . [1] Они не использовались для локомотивов, хотя расширенная работа была достигнута за счет использования более поздних механизмов регулируемых расширительных клапанов.
Необходимость различного расширения
[ редактировать ]Давление расширенного пара меньше, чем у пара, подаваемого непосредственно из котла. Таким образом, двигатель, работающий с расширительным клапаном, установленным на раннее отключение, менее мощный, чем с полностью открытым клапаном. Соответственно, двигатель теперь должен работать , чтобы клапан вручную регулировался по мере изменения нагрузки на двигатель. Двигатель, работающий при небольшой нагрузке, может работать эффективно при раннем отключении, двигатель при большой нагрузке может потребовать более длительного отключения и увеличения потребления пара.
Когда Тревитик поставил свой двигатель 1801 года [ii] для прокатного стана на заводе Tredegar Iron Works , [3] двигатель был более мощным, когда работал без расширения, и Сэмюэл Хомфрей , мастер по металлу, предпочитал использовать дополнительную мощность, несмотря на потенциальную экономию затрат на уголь. [4]
Расширительные клапаны Gridiron
[ редактировать ]
Решетчатый клапан [5] был одной из первых форм расширительного клапана. [1] Решетчатый клапан представляет собой конструкцию из двух пластин с перекрывающимися планками. Одна пластина может двигаться так, что ее планки перекрывают либо планки другой пластины, либо прорези между ними, таким образом открываясь или закрываясь. Его преимущества заключаются в относительно большом проеме (до половины общей площади) и быстром открывании: для перехода из полностью открытого в полностью закрытое положение необходимо переместить его всего на одну ширину планки. Его недостаток в том, что они не очень хорошо герметизируют. Из-за короткого пути срабатывания клапана с решетчатой решеткой его фаза газораспределения будет относительно неточной, если использовать с эксцентриком или чем-то подобным. Некоторые большие паровые двигатели позже использовали их в качестве первичных клапанов или в качестве выпускных клапанов для цилиндров низкого давления. [6] или в качестве впускных клапанов в сочетании с расцепителем [7] или шестерня кулачкового клапана . [8] [iii]
Если решетчатые клапаны используются в качестве вторичных клапанов, их обычно монтируют на впускной стороне камеры клапана первичного золотникового клапана. Они приводились в движение отдельным клапанным механизмом, обычно с отдельным эксцентриком, установленным перед главным эксцентриком. [1] При работе дополнительное продвижение перемещает решетчатый клапан, обеспечивая отсечку перед основным клапаном. Чтобы изменить обеспечиваемое ими расширение, ход эксцентрикового привода можно изменять с помощью регулируемого рычага. Когда он установлен на нулевой ход, расширительный клапан остается полностью открытым, и двигатель работает без расширения. [1] Хотя использование клапана вторичной решетки было ранней технологией, оно также оставалось в эксплуатации со все более сложными клапанами и приводами на протяжении всей истории стационарных двигателей. В двигателях McIntosh и Seymour использовался двигатель, приводимый в движение кулачком и рычагом, который периодически перемещался и оставался неподвижным в открытом состоянии, обеспечивая точную синхронизацию и независимую регулировку каждого движения клапана. [9]
Клапаны Gridiron также использовались на задней стороне золотниковых клапанов, подобно клапану Мейера. [7] Это был патент Джона Тернбулла из Глазго в 1869 году. [10]
Расширительный клапан Мейера
[ редактировать ]
Самой известной конструкцией расширительного клапана был Мейер, изобретение французского инженера Жан-Жака Мейера (1804-1877), который подал заявку на патент 20 октября 1841 года. Похожий клапан был запатентован Джеймсом Моррисом. [11] Второй золотниковый клапан установлен на задней стороне адаптированного основного золотникового клапана и приводится в движение дополнительным эксцентриком. В клапане Мейера эффективная длина расширительного клапана [iv] можно изменить с помощью маховика при работающем двигателе. Клапан имеет две головки, установленные на левой и правой резьбе на стержне клапана маховика, так что вращение колеса перемещает головки либо вместе, либо в стороны. [12] [13] В этой схеме отключение обычно контролируется вручную. Хотя была предпринята попытка автоматического управления, она действовала слишком медленно, чтобы быть эффективной.
Двигатели, выставленные в Музее открытий Снибстона и на насосной станции Коулхэма, оснащены расширительными клапанами Мейера. [14]
Составные двигатели
[ редактировать ]Расширительные клапаны также устанавливались на составные паровые машины . Оба метода представляют собой попытку достичь большей эффективности, даже ценой большей сложности.
Обычно расширительные клапаны устанавливались только на цилиндр ВД (высокого давления). Пар, подаваемый в следующий цилиндр низкого давления (НД), уже подан в двигатель, поэтому его экономия не принесет особой пользы. Любое раннее отключение впуска пара в цилиндр низкого давления может также означать дросселирование выхлопа предыдущего цилиндра высокого давления и снижение эффективности этого цилиндра.
составных Более поздние двигатели мельниц со сложными клапанными шестернями часто устанавливали сложную шестерню на цилиндр ВД, сохраняя при этом более простой традиционный золотниковый клапан для цилиндра НД. Существовали примеры с четырьмя различными наборами клапанов: впускными клапанами высокого давления, выпускными клапанами высокого давления Corliss и золотниковым клапаном низкого давления с расширительным клапаном Мейера. [15]
Соединить шестерни клапанов
[ редактировать ]Развитие после отдельного расширительного клапана привело к созданию более сложных клапанных механизмов, которые могли достичь той же цели - изменять перекрытие впускного отверстия с помощью одного клапана. Первыми из них были клапанные шестерни со звеньями, в частности клапанные шестерни со звеньями Стивенсона . При этом используется пара эксцентриков с механизмом скользящего звена между ними, который действует как механическое добавляющее устройство. Выбор промежуточных положений обеспечивает срабатывание клапана с эффектом увеличения отсечки. Поскольку такие клапанные механизмы также обеспечивали реверс и были впервые разработаны для реверса, они широко использовались на локомотивах . Теоретически, точный эффект заключается в уменьшении хода клапана , а не в более раннем отключении. Это приводит к уменьшению общего открытия клапана, уменьшению начальной подачи пара и, таким образом, к эффекту волочения проволоки, а не чистого расширения. [16] Несмотря на это, передача Стефенсона стала одной из двух наиболее широко используемых передач для локомотивов.
Автоматические регуляторы
[ редактировать ]«Автоматические» двигатели, а, в свою очередь, высокооборотные двигатели , работали на возрастающих оборотах и требовали более точного контроля их скорости при изменяющейся нагрузке. Это потребовало соединения их регулятора с механизмом расширительного клапана. Более ранние двигатели с . центробежным регулятором Уатта и дроссельной заслонкой становились неэффективными при работе на малой мощности
Губернатор Ричардсона [17] использовался для стационарных и переносных двигателей, производимых его работодателем, Robey & Co. [18] Это простой клапанный механизм, управляемый автоматически центробежным регулятором . Вместо ручного управления положением штампового блока внутри качающегося звена, осуществляемого Стивенсоном, регулятор Ричардсона регулирует его в соответствии с частотой вращения двигателя. Обычно он работал аналогично клапану Мейера: два клапана приводятся в движение двумя эксцентриками, а вместо ручного маховика Мейера используется регулятор Ричардсона. [19] Это позволило избежать проблемы с волочением проволоки, связанной с уменьшенным ходом клапана Стивенсона, и повысило эффективность стационарных двигателей, которые могли работать на низкой мощности в течение длительного времени.
Последующие типы клапанов
[ редактировать ]Однако в полностью разработанных формах высокоскоростного двигателя (примерно с 1900 года) расширение контролировалось регулированием времени. [v] одного клапана, а не отдельного расширительного клапана. Это привело к появлению более сложных типов клапанов, таких как тарельчатые клапаны , часто приводимые в движение клапанными шестернями на основе кулачков, а не рычажными механизмами. [мы]
Увеличение использования перегрева привело к замене золотниковых клапанов поршневыми , поскольку их было легче смазывать при повышенных рабочих температурах . Они также сделали непрактичным использование вторичных клапанов, таких как Мейер, работающих на задней стороне первичных клапанов. Вероятно, последней новой конструкцией, в которой вторичный клапан использовался в качестве расширительного клапана, был локомотив Midland Railway Paget поворотных клапанов использовались бронзовые , в котором в качестве расширительных клапанов вокруг чугунных втулки . [20] Эта конструкция оказалась неудачной из-за механических проблем с дифференциальным тепловым расширением материалов двух клапанов. [21]
Сноски
[ редактировать ]
- ↑ , падение давления с расширением неизбежно Согласно закону Бойля . [2]
- ^ Этот двигатель был одним из первых, в котором использовалось отключение и преднамеренное расширение пара. Однако это отключение было фиксированным и не могло быть изменено во время работы двигателя.
- ^ Десмодромный вертикальных генераторных клапанный механизм с кулачковым приводом и очень быстродействующими решетчатыми клапанами, приводящимися в движение на половине скорости коленчатого вала, был ключевой особенностью двигателей Ferranti высокоскоростных с поперечным соединением . [8]
- ^ Эта длина относительно расстояния между отверстиями контролирует впускной перекрытие клапана.
- ^ Поскольку контролировался момент срабатывания клапана, а не его ход , это позволило избежать некоторых недостатков дросселирования, присущих звену Стивенсона.
- ^ Шестерни звеньев и радиальных клапанов просты в изготовлении, но имеют ограничения по производительности. произвольной формы Кулачки могут обеспечить управление клапанами, приближенное к идеальной работе, хотя их было трудно изготовить точно, и их характеристики резко ухудшались по мере износа. Улучшения в методах обработки, металлургии и смазке все больше отдавали предпочтение кулачкам.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Эверс, Генри (1875). Пар и паровая машина: Сухопутные и морские пехотинцы . Глазго: Уильямс Коллинз. стр. 78–81.
- ^ Jump up to: а б с Эверс (1875) , стр. 51–53.
- ^ Хиллз 1989 , с. 102
- ^ Тревитик, Фрэнсис (1872). Жизнь Ричарда Тревитика с описанием его изобретений . Том. II. п. 132.
- ^ Эверс (1875) , стр. 73–74.
- ^ Саутворт (1986) , с. 26
- ^ Jump up to: а б Хиллз 1989 , с. 188
- ^ Jump up to: а б Хиллз 1989 , стр. 226–227.
- ^ Хокинс, Неемия (1897). Новый катехизис паровой машины . Нью-Йорк: Тео Одель. С. 97–99 .
- ^ GB 3207 , опубликовано 5 ноября 1869 г.
- ^ GB 9571 , Джеймс Моррис, опубликовано 22 декабря 1842 г.
- ^ Саутворт, PJM (1986). Некоторые ранние паровые машины Роби . ПиДжей Саутворт. стр. 4, 21–22, 24. ISBN. 0-9511856-0-8 .
- ^ «Расширительный золотник и регуляторы» . Старый машинный зал. Архивировано из оригинала 4 февраля 2012 г. Проверено 30 марта 2012 г.
- ^ Хиллз, Ричард Л. (1989). Питание от Steam . Издательство Кембриджского университета . п. 174. ИСБН 0-521-45834-Х .
- ^ Двигатель Robey & Co., 1887 г., Саутворт (1986) , стр. 21–22, 24.
- ^ Эверс (1875) , с. 78
- ^ GB 14753 , Джон Ричардсон, опубликовано в 1885 г.
- ^ «Губернатор Ричардсон» . Старый машинный зал. Архивировано из оригинала 19 сентября 2011 г. Проверено 30 марта 2012 г.
- ^ Саутворт (1986) , с. 20
- ^ Аронс, Э.Л. (1966). Британский паровоз . Том. Я, 1925 год. Ян Аллан . п. 345.
- ^ Селф, Дуглас (8 февраля 2004 г.). «Локомотив Пэджета» . Локо Локо галерея.