Složený parní stroj - Compound steam engine

Dvojčinný lodní motor s trojitým roztažením
Vysokotlaká pára (červená) prochází třemi stupni a do kondenzátoru vychází jako nízkotlaká pára (modrá)
Výřez z trojitého expanzního parního stroje, 1888
Robey horizontální křížový parní stroj
malý vysokotlaký válec (vlevo) a velký nízkotlaký válec (vpravo)

Sloučenina parní stroj jednotka je typ parního stroje , kde se pára rozšířen ve dvou nebo více stupních. Typickým uspořádáním pro směsný motor je to, že pára je nejprve expandována ve vysokotlakém (HP) válci , poté, co se vzdá tepla a ztrácí tlak, je odváděna přímo do jednoho nebo více nízko-tlakových (LP) válců . Motory s více expanzemi využívají další válce s postupně nižším tlakem, aby získaly další energii z páry.

Tato technika, která byla vynalezena v roce 1781, byla poprvé použita na motoru s paprskem Cornish v roce 1804. Kolem roku 1850 byly do textilních továren Lancashire poprvé zavedeny složené motory.

Složené systémy

Existuje mnoho směsných systémů a konfigurací, ale existují dva základní typy, podle toho, jak jsou fázové zdvihy pístu HP a LP fázovány, a tedy podle toho, zda je výfuk HP schopen přejít přímo z HP na LP ( Woolfovy sloučeniny ) nebo zda kolísání tlaku vyžaduje mezilehlý „nárazníkový“ prostor ve formě parní komory nebo potrubí známého jako přijímač ( sloučeniny přijímače ).

V jednom expanzním (nebo „jednoduchém“) parním stroji vstupuje vysokotlaká pára do válce pod tlakem kotle přes vstupní ventil. Tlak páry tlačí píst dolů k válci, dokud se ventil nezavře (např. Po 25% zdvihu pístu). Po přerušení přívodu páry se zachycená pára dále rozpíná a tlačí píst na konec jeho zdvihu, kde se otevírá výfukový ventil a vytlačuje částečně ochuzenou páru do atmosféry nebo do kondenzátoru. Tento „ cut-off “ umožňuje extrahovat mnohem více práce, protože expanze páry dělá další práci nad rámec toho, co dělá pára pod tlakem kotle.

Dřívější omezení zvyšuje poměr expanze, což v zásadě umožňuje extrahovat více energie a zvyšuje účinnost. V ideálním případě by pára expandovala adiabaticky a teplota by klesala v závislosti na zvýšení objemu. V praxi však materiál obklopujícího válce působí jako zásobník tepla, ochlazuje páru v dřívější části expanze a ohřívá ji v pozdější části. Tyto nevratné tepelné toky snižují účinnost procesu, takže po určitém bodě by další zvýšení expanzního poměru ve skutečnosti snížilo účinnost, kromě snížení středního efektivního tlaku a tím i výkonu motoru.

Složené motory

Řešení tohoto dilematu vynalezl v roce 1804 britský inženýr Arthur Woolf , který patentoval svůj vysokotlaký složený motor Woolf v roce 1805. Ve složeném motoru vysokotlaká pára z kotle nejprve expanduje ve vysokotlakém (HP) válci a poté vstoupí do jednoho nebo více následujících válců s nízkým tlakem (LP). Ke kompletní expanzi páry dochází na více válcích, a protože v každém válci je menší expanze, pára v každém válci méně ochlazuje, což činí praktické expanzní poměry praktickými a zvyšuje účinnost motoru.

Existují i ​​další výhody: jelikož je teplotní rozsah menší, snižuje se kondenzace válce. Ztráta v důsledku kondenzace je omezena na LP válec. Rozdíl tlaku je v každém válci menší, takže dochází k menšímu úniku páry na píst a ventily. Otáčivý moment je mnohem jednotnější, takže vyvažování je snadnější a může být použit menší setrvačník. Pouze menší HP válec musí být vyroben tak, aby odolal nejvyššímu tlaku, což snižuje celkovou hmotnost. Podobně komponenty podléhají menšímu namáhání, takže mohou být lehčí. Pístové části motoru jsou lehčí a snižují vibrace motoru. Sloučenina mohla být spuštěna v kterémkoli bodě cyklu a v případě mechanické poruchy mohla být sloučenina resetována tak, aby fungovala jako jednoduchá, a tak pokračovala v chodu.

Odvození stejné práce z nízkotlaké páry vyžaduje větší objem válce, protože tato pára zaujímá větší objem. Proto je u nízkotlakých válců otvor a ve vzácných případech také zdvih zvýšen, což má za následek větší válce.

Motory s dvojitou expanzí (obvykle známé jako „složené“) rozšiřují páru ve dvou stupních, ale to neznamená, že všechny tyto motory mají dva válce. Mohou mít čtyři válce, které fungují jako dva páry LP-HP, nebo může být práce velkého LP válce rozdělena na dva menší válce, přičemž jeden HP válec vyčerpá do jednoho LP válce, což dává rozložení 3-válce, kde je válec a píst průměr všech tří je přibližně stejný, což usnadňuje vyvážení hmoty s vratným pohybem.

Dvouválcové sloučeniny lze uspořádat jako:

  • Křížová směs - válce jsou vedle sebe
  • Tandemová směs - válce jsou od začátku ke konci a pohánějí běžnou ojnici
  • Teleskopická směs - válce jsou jeden uvnitř druhého
  • Úhlová sloučenina - válce jsou uspořádány ve tvaru písmene V (obvykle pod úhlem 90 °) a jsou poháněny běžnou klikou.

Přijetí míchání bylo rozšířené pro stacionární průmyslové jednotky, kde byla potřeba zvýšení výkonu při snižování nákladů, a téměř univerzální pro lodní motory po roce 1880. Nebylo široce používáno v železničních lokomotivách, kde to bylo často vnímáno jako komplikované a nevhodné pro drsné provozní prostředí železnice a omezený prostor, který poskytuje ložná míra (zejména v Británii). Směšování nebylo na britských železnicích nikdy běžné a po roce 1930 se vůbec nepoužívalo, ale v mnoha jiných zemích se používalo omezeně.

K prvnímu úspěšnému pokusu letět letounem s pevnými křídly těžšími než vzduch pouze na parní energii došlo v roce 1933, kdy George a William Besler přestavěli dvojplošník Travel Air 2000 na let na parním stroji s dvojitým V-twin o úhlu 150 hp jejich vlastní design místo obvyklého řadového nebo zážehového benzínového motoru Curtiss OX-5, který by normálně používal.

Motory s vícenásobnou expanzí

Dvojčinný lodní motor s trojitou expanzí.
Vysokotlaká pára (červená) prochází třemi stupni, přičemž je jako nízkotlaká pára (modrá) odváděna do kondenzátoru

Jedná se o logické rozšíření složeného motoru (popsaného výše) o rozdělení expanze do ještě více fází pro zvýšení efektivity. Výsledkem je motor s více expanzemi . Takové motory používají buď tři nebo čtyři expanzní stupně a jsou známy jako motory s trojitým a čtyřnásobným rozpínáním . Tyto motory používají řadu dvojčinných válců s postupně se zvětšujícím průměrem a / nebo zdvihem a tím i objemem. Tyto válce jsou navrženy tak, aby rozdělily práci na tři nebo čtyři stejné části, jeden pro každou fázi expanze. Sousední obrázek ukazuje animaci motoru s trojitou expanzí. Pára prochází motorem zleva doprava. Komora ventilu pro každý z válců je nalevo od příslušného válce.

Dějiny

Brzká práce

  • 1781 - Jonathan Hornblower , vnuk jednoho z montérů motorů Newcomenu v Cornwallu, si v roce 1781 nechal patentovat dvouválcový motor s vratným paprskem . V dalším vývoji mu bránil James Watt , který tvrdil, že došlo k porušení jeho vlastních patentů.
  • 1804 - Britský inženýr Arthur Woolf vynalezl metodu snižování rozsahu kontinuálního ohřevu a chlazení parního stroje s jednou expanzí, která vede k neefektivnosti . Woolf patentoval svůj stacionární vysokotlaký směsný motor Woolf v roce 1805.

Dvojitá expanze

  • 1845 - William McNaught vymyslel způsob upevnění dalšího vysokotlakého válce ve stávajícím paprskovém motoru. K tomu je třeba použít dlouhou trubku k připojení válců a další sadu ventilů k jejich vyvážení. Ve skutečnosti to fungovalo jako přijímací hrudník a byl vynalezen nový typ sloučeniny. Tento systém umožňoval větší kontrolu nad přívodem a odběrem páry. Motor mohl být zpomalen buď škrticí klapkou, která snížila tlak páry, nebo nastavením mezní hodnoty na kterémkoli válci. Ten druhý byl účinnější, protože nedošlo ke ztrátě energie. Cyklus byl plynulejší, protože dva válce nebyly ve fázi.
  • 1865 - zahájen provoz SS  Agamemnon  (1865) , který je vybaven směsným parním strojem o výkonu 300 hp . Motor navrhl Alfred Holt , jeden z jejích majitelů. Holt se přesvědčil Board of Trade , aby tlak kotle 60 psi místo normálního 25 psi - bylo zapotřebí vyšší tlak realizovat výhody dvojitého expanze. Dosažená účinnost umožnila této lodi cestovat 8 500 mil před zahořením . Díky tomu byla konkurenceschopná na linkách mezi Čínou a Británií.

Vícenásobná expanze

Coldharbour Mill Pollit a Wigzell cross-sloučenina motor, který pohání lano závod vidět v pozadí, vysílací výkon pro linky šachet na všech pěti úrovních mlýna
  • 1861 - Daniel Adamson uzavřel patent na motor s vícenásobným roztažením, se třemi nebo více válci spojenými s jedním nosníkem nebo klikovým hřídelem. Postavil motor s trojitou expanzí pro Victoria Mills, Dukinfield, který se otevřel v roce 1867.
  • 1871 - Charles Normand z Le Havre namontoval v roce 1871 na loď Seinu říční motor s trojitou expanzí.
  • 1872 - Sir Fredrick J. Bramwell uvedl, že složené lodní motory, pracující při 45 psi až 60 psi, spotřebovaly 2 lb až 2,5 lb uhlí za hodinu na uvedený výkon.
  • 1881 - Alexander Carnegie Kirk postavil SS Aberdeen , první velkou loď, která byla úspěšně poháněna trojitým expanzním motorem.
  • 1887 - Zahájena HMS Victoria , první bitevní loď poháněná trojitými expanzními motory.
  • 1891 - Lodní motory s trojitou expanzní směsí, pracující při 160 psi, spotřebovaly v průměru asi 1,5 libry uhlí za hodinu na uvedený výkon.

Aplikace

Čerpací motory

Mlýnské motory

Horizontální tandemový složený motor Marchent & Morley vyrobený v roce 1914 v Craven Mills, Cole. Vzduchové čerpadlo a tryskový kondenzátor jsou nejblíže LP lahvi za nimi. Je vybaven patentními pístovými ventily společnosti Morley

Ačkoli první mlýny byly poháněny vodní energií , jakmile byly přijaty parní stroje, výrobce již nepotřeboval umístit mlýny tekoucí vodou. Spřádání bavlny vyžadovalo stále větší mlýny, aby uspokojilo poptávku, a to přimělo majitele požadovat stále výkonnější motory. Když tlak v kotli přesáhl 60 psi, dosáhly směsné motory termo-dynamické výhody, ale při přijetí sloučenin byly rozhodujícími mechanickými výhodami hladší zdvih. V roce 1859 bylo v mlýnech v oblasti Manchesteru 75 886 ihp (udávaných koňských sil) motorů, z nichž 32 282 ihp bylo poskytováno sloučeninami, ačkoli pouze 41 189 ihp bylo vyrobeno z kotlů provozovaných na více než 60 psi.

Abych to zobecnil, v letech 1860 až 1926 byly všechny mlýny Lancashire poháněny sloučeninami. Poslední postavená sloučenina byla od Buckleyho a Taylora pro mlýn Wye No.2, Shaw . Tento motor měl křížovou konstrukci na 2500 ihp, poháněl setrvačník o délce 24 stop a 90 tun a pracoval až do roku 1965.

Námořní aplikace

Model motoru s trojitou expanzí
Trojitá expanze z 90. let (tři válce o průměru 26, 42 a 70 palců ve společném rámu se zdvihem 42 palců), lodní motor, který poháněl SS Christopher Columbus .
SS Ukkopekka trojitý expanzní lodní motor
140tunový - také popisovaný jako 135tunový - vertikální trojitý expanzní parní stroj typu používaného k pohonu lodí Liberty druhé světové války , sestavený pro testování před dodávkou. Motor je 21 stop (6,4 metru) dlouhý a 19 stop (5,8 metru) vysoký a byl navržen tak, aby pracoval při 76 otáčkách za minutu a poháněl loď Liberty rychlostí asi 11,4 uzlů (12,7 mph; 20,4 km / h).

V mořském prostředí byl obecný požadavek na autonomii a větší operační dosah, protože lodě musely nést své zásoby uhlí. Starý kotel na slanou vodu tak již nebyl dostačující a musel být nahrazen uzavřeným okruhem čerstvé vody s kondenzátorem. Výsledkem od roku 1880 byl motor s vícenásobnou expanzí využívající tři nebo čtyři stupně expanze ( motory s trojitou a čtyřnásobnou expanzí ). Tyto motory používaly řadu dvojčinných válců s postupně se zvětšujícím průměrem a / nebo zdvihem (a tím i objemem), jejichž cílem bylo rozdělit práci na tři nebo čtyři, podle potřeby, stejné části pro každou fázi expanze. Tam, kde je prostor prémiový, mohou být pro nízkotlaký stupeň použity dva menší válce s velkým objemem. Vícenásobné expanzní motory měly obvykle válce uspořádané in-line, ale byly použity různé jiné formace. Na konci 19. století byl na některých lodních motorech s trojitou expanzí použit vyrovnávací „systém“ Yarrow-Schlick-Tweedy. Motory YST rozdělily nízkotlaké expanzní stupně mezi dva válce, jeden na každém konci motoru. To umožnilo lepší vyvážení klikového hřídele, což vedlo k hladšímu a rychlejšímu motoru, který běžel s menšími vibracemi. Díky tomu byl čtyřválcový motor s trojitým roztažením oblíbený u velkých vložek pro cestující (jako je například olympijská třída ), ale nakonec byl nahrazen parní turbínou bez vibrací .

Vývoj tohoto typu motoru byl důležitý pro jeho použití v parnících, protože odsáváním do kondenzátoru mohla být voda regenerována k napájení kotle, který nebyl schopen používat mořskou vodu . Pozemní parní stroje mohly jednoduše odsávat většinu své páry, protože napájecí voda byla obvykle snadno dostupná. Před a během druhé světové války dominoval expanzní motor v námořních aplikacích, kde nebyla nezbytná vysoká rychlost plavidla. Když byla požadována rychlost, byla nahrazena parní turbínou, například u válečných lodí a zaoceánských lodí . HMS Dreadnought z roku 1905 byla první velkou válečnou lodí, která nahradila osvědčenou technologii pístového motoru tehdejší novou parní turbínou. Všechny bitevní lodě amerického námořnictva stavěné do třídy New York , BB-34 USS New York a BB-35 USS Texas , plus jedna třída Nevada , USS Oklahoma , BB-37 měly dva trojité expanzní parní stroje . USS Nevada , BB-36 nechala postavit všechny bitevní lodě poté, co měla parní turbíny . USS Texas , BB-35, uveden do provozu v roce 1912, je jediný přeživší z starších těchto Battleships až po USS North Carolina , BB-55. Trojité expanzní motory Texasu jsou stále na její palubě a lze je vidět během prohlídky této historické bitevní lodi.

Aplikace na železniční lokomotivy

Pro aplikace železničních lokomotiv bylo hlavním přínosem pro míchání úspora paliva a spotřeby vody plus vysoký poměr výkon / hmotnost v důsledku poklesu teploty a tlaku probíhajícího po delší cyklus, což vedlo ke zvýšení účinnosti; další vnímané výhody zahrnovaly rovnoměrnější točivý moment.

Zatímco designy pro složené lokomotivy mohou pocházet již z roku 1856 od Jamese Samuela pro „lokomotivu s nepřetržitým rozpínáním“, praktická historie složení směsi začíná u návrhů Anatole Malleta v 70. letech 19. století. Mallet lokomotivy byly provozovány ve Spojených státech až do konce hlavní řady páry Norfolk a západní železnice . Návrhy Alfreda George de Glehna ve Francii také zaznamenaly významné využití, zejména při přestavbách André Chapelona . Kolem roku 1900 byla vyzkoušena široká škála složených vzorů, ale většina z nich byla v popularitě krátkodobá kvůli své složitosti a odpovědnosti za údržbu. V 20. století byl přehřívák široce přijat a drtivá většina parních lokomotiv byla jednoduchá expanze (s některými složenými lokomotivami převedenými na jednoduché). Inženýři si uvědomili, že lokomotivy při ustálené rychlosti nejúčinněji pracují s široce otevřeným regulátorem a předčasným odpojením, přičemž druhý je nastaven pomocí zpětného chodu. Lokomotiva pracující při velmi brzkém uzavření páry (např. Při 15% zdvihu pístu) umožňuje maximální expanzi páry, s menší ztrátou energie na konci zdvihu. Přehřátí eliminuje kondenzaci a rychlou ztrátu tlaku, ke které by jinak při takové expanzi došlo.

Velké americké lokomotivy používaly pro vlakové brzdy 2 křížové parní vzduchové kompresory, např. Westinghouse 8 1/2 "150-D.

Poznámky

^  Fázování válců:  S dvouválcovými sloučeninami používanými při železničních pracích jsou písty spojeny s klikami jako u dvouválce jednoduchého při 90 ° mimo fázi (čtvrtletí).

Když se dvojitá expanzní skupina zdvojnásobí a vytvoří se čtyřválcová sloučenina, jednotlivé písty ve skupině jsou obvykle vyváženy při 180 °, přičemž skupiny jsou navzájem nastaveny na 90 °. V jednom případě (první typ směsi Vauclain ) fungovaly písty ve stejné fázi a poháněly společnou příčnou hlavu a kliku, opět nastavenou na 90 ° jako u dvouválcového motoru.

U tříválcového sdruženého uspořádání byly kliky LP buď nastaveny na 90 °, zatímco HP na 135 ° k dalším dvěma, nebo v některých případech byly všechny tři kliky nastaveny na 120 °.

^  ihp:  Síla mlýnského motoru byla původně měřena vNominal Horse Power, ale tento systém podhodnocoval sílu složenéhosystémuMcNaughtvhodného pro sloučeniny, ihp nebo indikovanou koňskou sílu. Zpravidla je ihp 2,6krát nhp ve složeném motoru.

Viz také

Reference

Bibliografie

Další čtení

externí odkazy