Обратный шатун двигателя
шатун Обратный , [1] [2] возвратный шток поршня [я] или (на морском языке) двухпоршневой двигатель. [2] или двигатель обратного действия — это особая компоновка паровой машины .
Ключевой особенностью этой компоновки является то, что шток поршня выходит из цилиндра к крейцкопфу , но затем шатун меняет направление и движется назад к коленчатому валу . Данная компоновка компактна, но имеет механические недостатки. Таким образом, двигатели с возвратным шатуном использовались редко.
Схема обратного шатуна имеет два возможных вида:
- Цилиндр находится между крейцкопфом и коленчатым валом. Для этого нужны длинные шатуны. Чтобы избежать неуравновешенных сил на крейцкопфе, эти стержни обычно спарены и проходят по обе стороны цилиндра.
- Коленчатый вал находится между крейцкопфом и цилиндром. Для этого требуется парный поршневой шток или вилка, чтобы проходить вокруг коленчатого вала.
Как в горизонтальном, так и в вертикальном исполнении использовалась схема обратного шатуна. В двигателях с вертикальным возвратом шатуна использовалась первоначальная «вертикальная» компоновка, при которой цилиндр был обращен вверх к крейцкопфу. [ii]
Настольные и шпильные двигатели
[ редактировать ]
Двигатели «Настольный» и «Шпиль» представляют собой вертикальные стационарные двигатели с возвратными шатунами.
Настольные двигатели
[ редактировать ]В настольных двигателях цилиндр размещается над коленчатым валом и крейцкопфом и между ним. Они широко производились Модслеем примерно с 1805 года и использовались для электроснабжения небольших инженерных мастерских. Они были особенно популярны для привода линейного вала , поскольку могли работать на более высокой скорости, чем балочные двигатели.
Как и в случае с меньшими лучевыми двигателями «кузнечик» , преимущество настольных двигателей Модслея заключалось в том, что их можно было производить на заводах как единое целое. Сюда входила их большая чугунная опорная плита или стол. В отличие от горизонтальных двигателей и самодельных балочных двигателей, они не требовали строительства большого и тщательно выровненного каменного фундамента на месте двигателя. Двигатели также можно было изготовить заранее и продать «в готовом виде». Хотя это позволило сэкономить средства, в основном это было выгодно, потому что это было быстрее , чем ввод в эксплуатацию строительства двигателя и машинного отделения.
Шпильные двигатели
[ редактировать ]
В двигателях типа «шпиль» коленчатый вал располагается над цилиндром, между ним и крейцкопфом. В них используются парные поршневые штоки, два или даже четыре, от поршня до крейцкопфа, чтобы избежать коленчатого вала. В другой модели использовалась треугольная траверса на одинарном штоке поршня, позволяющая коленчатому валу проходить через него. [4]
Шпильские двигатели в основном использовались в качестве судовых двигателей. [1] [5] Некоторые американские гребные речные суда имели особенно большие шпили, возвышавшиеся над рубкой.
Термин «шпиль» также использовался позже для обозначения перевернуто-вертикальных тандемных составных двигателей из-за их большой высоты. [iii] Это были не возвратно-шатунные двигатели.
Локомотивы
[ редактировать ]
Первые двигатели высокого давления Тревитика , начиная с 1801 года, включая его локомотивы, использовали обратную схему шатуна как в горизонтальном, так и в вертикальном расположении. Цилиндры были встроены в котел, чтобы избежать потерь тепла, а короткий котел также составлял каркас двигателя. Это сделало возвратный шатун естественной компоновки с коленчатым валом на противоположном от крейцкопфа конце котла. Парные шатуны представляли собой относительно простые компоненты, хотя требовалось два. Поскольку они также позволяли использовать в коленчатом валу два простых консольных кривошипа на концах вала вместо сложного кованого коленчатого вала с внутренним кривошипом, это также было ценным упрощением.
Другие ранние паровозы, такие как Мюррея » « Саламанка (1812 г.) и Джорджа Стефенсона » «Блюхер (1815 г.) и «Локомотив» (1825 г.), также использовали двигатели с обратным шатуном. Все они имели тяжелые вертикальные цилиндры, установленные тандемом внутри корпуса котла, проходившие через поперечные траверсы над локомотивом и поддерживаемые качающимися звеньями. Сложность этого движения привела к тому, что прозвали его «вязанием» водители . Качающееся звено было проще, чем Уатта более раннее параллельное движение , и не заставляло траверсу двигаться по такой точной прямой линии. Однако дополнительная длина шатунов двигателя с возвратным шатуном относительно хода поршня сделала этот эффект угла менее серьезным. Вместо этого Steam Elephant использовал элементарный набор ползунков для поддержки траверсы.
Использование возвратного шатуна на валу под котлом с выступающими кривошипами также позволило избежать необходимости во внутреннем кривошипе. Согласно конструкциям Стивенсона, эта кривошипная ось также должна была нести вес локомотива, а не быть просто коленчатым валом, и поэтому это позволило избежать особенно сложной работы по ковке.
Одним из последних локомотивов, в которых использовались возвратные шатуны, был и Брейтуэйта на Эрикссона «Новинка» испытаниях в Рейнхилле .
- Отказ от конструкций обратных шатунов
Хедли Пыхтящий Билли , современник Блюхера , отказался от возвратного шатуна в пользу балки-кузнечика . Цилиндры теперь устанавливались рядом, но по-прежнему оставались большими, тяжелыми и монтировались как неотъемлемая часть котла. Хотя конструкция балочного двигателя аналогична конструкции двигателя с обратным шатуном, в том смысле, что шток поршня направлен в одном направлении, а шатун движется назад от него, двигатели с балкой не считаются двигателями с обратным шатуном. менеджера Стивенсона Хакворта Локомотив « Ройял Джордж» изменил конструкцию так, чтобы цилиндры, все еще вертикальные, были обращены вниз прямо на коленчатый вал. Ко времени создания Стивенсона «Ракеты» , особенно когда новые локомотивы с жаротрубными котлами стали легче и быстрее, было признано, что вертикальные цилиндры наносят удар молотом по хрупким рельсам того времени. Ракета была построена с цилиндрами, наклоненными под углом 45 °, но вскоре была переделана, чтобы разместить их почти горизонтально. С тех пор почти все паровозы располагали цилиндры близко к горизонтальному.
Морские паровые двигатели
[ редактировать ]Весловые корабли
[ редактировать ]
Первые морские паровые машины приводили в движение гребные колеса . Для лопастей требуется относительно высокая ось, которая часто также образует коленчатый вал. Для устойчивости основная масса двигателя, то есть его цилиндр, расположена низко. Более поздние двигатели приводили в движение одновинтовые гребные винты. Теперь им требовался низкорасположенный привод, но они по-прежнему сохраняли эффект устойчивости низко расположенного двигателя. Такие ранние двигатели, ограниченные технологиями того времени, работали при низком давлении в котле и низкой скорости поршня. Вместе с коротким ходом поршня, ограниченным недостатком места для двигателя, [iv] этим ранним двигателям требовались поршни большого диаметра, чтобы развивать достаточную мощность.
Крейцкопфные двигатели
[ редактировать ]Траверса, «двойная траверса» [1] или «квадратные» двигатели представляли собой вертикальные двигатели, аналогичные по компоновке настольному двигателю, с цилиндром над коленчатым валом. Траверса должна была быть очень широкой, чтобы шатуны могли проходить по обеим сторонам большого цилиндра, что, в свою очередь, требовало большой опорной рамы для направляющих. Они были популярны среди первых американских речных судов, а их большие деревянные опоры крейцкопфа с А-образной рамой были отличительной особенностью. [6] Двигатели большего размера стали тяжелыми, поэтому конструкция была заменена двигателями со шпилем или шагающей балкой .
Шпильные двигатели
[ редактировать ]Европейская практика, особенно на Clyde , отдавала предпочтение шпильному двигателю Нейпира вместо квадратного двигателя. Их было сложнее сконструировать, и в них использовалось больше металлических конструкций, но цилиндр располагался под коленчатым валом, и поэтому они были более устойчивыми в узком корпусе. Ни одна из форм не была популярна для морских судов. [1] [4] [5]
Винтовая двигательная установка
[ редактировать ]В морской практике возвратно-шатунный двигатель винтовой движительной установки получил название обратного действия. [1] (американский язык)или двойной шток поршня [2] двигатель.
Магистральные двигатели
[ редактировать ]Джон Пенн запатентовал тронковый двигатель в 1848 году. Это была конструкция, позволяющая создать особенно короткий двигатель (измеренный в направлении штока поршня), который также мог поддерживать поршень большого диаметра. [v] Они устанавливались поперечно, обычно как двухцилиндровые двигатели, и использовались на военных кораблях с относительно высокой установленной мощностью. Короткая длина тронкового двигателя достигается за счет полого поршневого штока или «хобота» большого диаметра. Поршневой палец шатуна установлен внутри этого ствола, что позволяет сдвигать вместе общую длину двух компонентов человека, поршневого штока и шатуна. Поскольку ствол должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить возможность изменения угла наклона шатуна при вращении кривошипа, эта конструкция ограничена двигателями большого диаметра. Также было обнаружено, что по мере увеличения давления в котле уплотнение большого диаметра вокруг ствола становилось все более склонным к протечкам. [7]
Двухпоршневые штоковые двигатели
[ редактировать ]
Цилиндр и поршень расположены справа, конденсатор и воздушный насос — слева.
Магистральный двигатель был в значительной степени заменен двухпоршневым двигателем . [2] [8] Это был двигатель с обратным шатуном, с коленчатым валом между крейцкопфом и цилиндром. Четыре поршневых штока использовались для прохождения вокруг коленчатого вала как сверху, так и снизу, а также с каждой стороны кривошипа, поскольку ход кривошипа был шире, чем вертикальное расстояние между поршневыми штоками. Поскольку большинство этих двигателей представляли собой параллельные соединения, от каждого поршня ВД и НД требовалось по два поршневых штока. В некоторых двигателях использовались двойные штоки от большого цилиндра низкого давления и одинарный шток от цилиндра высокого давления с траверсой, проходящей вокруг коленчатого вала. [9] Двойные поршневые штоки также можно было использовать от простого двигателя, но для этого требовался выступающий поршневой палец на крейцкопфе, поэтому, как правило, это ограничивалось двигателями меньшего размера. Преимущество двухшатунного двигателя перед хоботом заключалось в том, что оба конца шатуна были доступны для обслуживания. Одним из факторов, извлеченных из использования горизонтальных цилиндров на флоте, было то, что, несмотря на предыдущие опасения, дополнительный износ был незначительным из-за веса поршня, опирающегося на цилиндр. [2]
Комитет Адмиралтейства 1858 года настоятельно рекомендовал отказаться от старых конструкций двигателей в пользу рационализации только трех конструкций: двигателя с одним поршневым штоком (самый узнаваемый тип сегодня), тронкового двигателя и двухпоршневого штока. [10]
В более позднем варианте двигателя с хоботом была вновь использована конструкция возвратного шатуна в виде вибрирующего рычага или двигателя с полухоботом . Это был спаренный двигатель с двумя короткоходными тронковыми двигателями, обращенными наружу. Их шатуны от поршней приводили к вертикальным «вибрирующим рычагам», которые могли раскачиваться вперед и назад. Эти рычаги вращали короткую полуось с расположенными на ней дополнительными рычагами, которые, в свою очередь, приводили в движение еще одну пару шатунов и общий центральный коленчатый вал. Эти сложные двигатели были изобретением шведско-американского инженера Джона Эрикссона и мало использовались за пределами этих двух стран.
Сиамский двигатель Модслея
[ редактировать ]Другой компактной альтернативой двигателям с возвратным шатуном или тронковым двигателем был сиамский двигатель Модслея. [11] и редкий кольцевой поршневой двигатель . Как и в магистральном двигателе, в них поршневой палец располагался в пределах длины хода поршня за счет пары поршней и Т-образной траверсы, которая могла перемещать поршневой палец за его обычное положение.
Строители
[ редактировать ]- Хамфрис, Теннант и Дайкс (позже названные Хамфрис, Тенант и Ко)
- Модслей
- Пенн
Насосы с прямым соединением и продувочные двигатели
[ редактировать ]
— Дутьевой двигатель это большая стационарная паровая машина, непосредственно соединенная с цилиндрами нагнетания воздуха . Они используются для подачи дутья в доменные печи и другие металлургические заводы . Поскольку рабочий цилиндр и приводная нагрузка представляют собой поршни, совершающие возвратно-поступательное движение, они могут быть напрямую соединены своим поршневым штоком. Шатун используется только для привода маховика, инерция которого уравновешивает нагрузку в рабочем цикле двигателя, а не в качестве выходного вала. Эти двигатели были одними из последних созданных новых конструкций шатунов с возвратным механизмом.
Изображенный на рисунке большой вертикальный продувочный двигатель был построен в 1890-х годах компанией EP Allis Co. из Милуоки (позже вошедшей в состав Allis-Chalmers ). [12] Цилиндр нагнетания воздуха расположен над паровым силовым цилиндром и крейцкопфом. Основная сила поршня передается на пневмоцилиндр за счет чисто возвратно-поступательного действия, а маховики предназначены только для сглаживания работы двигателя. Вал маховика установлен под паровым поршнем, парные шатуны перемещаются вниз и назад.
Подобные насосные двигатели применялись и на гидротехнических сооружениях . У перевернутых вертикальных двигателей цилиндр располагался вверху, а водонапорные насосы - у основания или в скважине под ними. В пространстве между ними располагались коленчатый вал и маховики для более плавного хода, а не для выдачи вращательной мощности. Они приводились в движение от нижней вилки (насоса) с помощью коротких возвратных шатунов. Два двигателя Worth McKenzie этого типа; двигатель тройного расширения 1895 года и двухцилиндровый простой 1906 года были установлены в Музее гидротехнических сооружений в Херефорде , Херефорде и хранятся там в паре.
Примечания
[ редактировать ]- ^ «Шток возвратного поршня» — термин, используемый производителями военно-морских двигателей Хамфрисом и Теннантом . [3]
- ↑ Сегодня это редкость, но это была первоначальная компоновка всех атмосферных и паровых двигателей. Цилиндр находился прямо над котлом внизу. Даже с развитием отдельных котлов по-прежнему считалось, что для доступа проще разместить большой и тяжелый цилиндр внизу, а более легкие рукоятки - вверху. Форма вертикального двигателя, которая стала более распространенной в последующие годы, с цилиндром, обращенным вниз, первоначально называлась «перевернутой вертикальной».
- ^ Тандемное соединение размещает цилиндры как высокого, так и низкого давления, а иногда даже третий цилиндр промежуточного давления, на одном и том же штоке поршня.
- ^ Американские гребные пароходы с кормовым колесом использовали продольно-горизонтальные двигатели, допускавшие длинный ход. Они представляли собой длинные двигатели малого диаметра, конструкция которых резко отличалась от любых других морских двигателей. Напротив, американские пароходы с боковыми колесами предпочитали особенно высокие вертикальные двигатели с шпилем или шагающей балкой .
- ^ Преобладающая в то время теория касалась воздействия износа поршней горизонтальных двигателей из-за веса поршня. Таким образом, поршни получили обширную поддержку со стороны поршня и хвостовых штоков, вместо того, чтобы позволить любому весу опираться непосредственно на стенку цилиндра.
Ссылки
[ редактировать ]
- ^ Jump up to: а б с д и Риппон, премьер-министр (1998). Эволюция техники в Королевском флоте . Том. 1: 1827-1939. Заклинание. п. 27. ISBN 0-946771-55-3 .
- ^ Jump up to: а б с д и Хиллз, Ричард Л. (1989). Питание от Steam . Издательство Кембриджского университета . стр. 189, 191. ISBN. 0-521-45834-Х .
- ^ Браун, Дэвид К. (2010) [1997]. Воин дредноута . Сифорт. п. 13. ISBN 978-1-84832-086-4 .
- ^ Jump up to: а б Люк Хеберт , изд. (1849). Шпильский двигатель . Энциклопедия инженера и механика . Том. 2 (2-е изд.). Томас Келли .
- ^ Jump up to: а б Эверс, Генри (1875). Пар и паровая машина: Сухопутные и морские пехотинцы . Глазго: Уильямс Коллинз. п. 95.
- ^ Хилтон, Джордж В. (2002). Пассажирские пароходы по озеру Мичиган . Издательство Стэнфордского университета. п. 59. ИСБН 978-0804742405 .
- ^ Ситон, AE (1888). Руководство по морской инженерии (7-е изд.). Лондон. п. 9.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Сеннетт, Ричард; Орам, сэр Генри Дж. (1918). Морской паровой двигатель . Лондон: Longmans, Green & Co., стр. 7, 9.
- ^ «Телемашина Эмери Райса (1873)» (PDF) . Американское общество инженеров-механиков. Архивировано из оригинала (PDF) 9 декабря 2008 г.
- ^ Смит, EC (1937). Краткая история военно-морской и морской техники . Кембридж. стр. 146–147.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Эверс (1875) , с. 96.
- ^ Хокинс, Неемия (1897). Новый катехизис паровой машины . Нью-Йорк: Тео Одель. стр. 335–337.