Összetett gőzgép - Compound steam engine
kis, nagy nyomású henger (balra) és nagy, alacsony nyomású henger (jobbra)
Az összetett gőzgépek olyan gőzgépek, amelyeknél a gőzt két vagy több szakaszban tágítják. Az összetett motor tipikus elrendezése, hogy a gőzt először nagynyomású (HP) hengerben tágítják , majd hő leadása és nyomásvesztése után közvetlenül egy vagy több nagyobb térfogatú kisnyomású (LP) hengerbe merül. . A többszörösen táguló motorok további hengereket alkalmaznak, amelyek fokozatosan alacsonyabb nyomásúak, hogy további energiát nyerjenek ki a gőzből.
Fantázia 1781-ben ezt a technikát először alkalmazott, Cornish gőzgépe 1804-ben 1850-ben, az összetett motorok először be Lancashire textilgyárban.
Összetett rendszerek
Számos összetett rendszer és konfiguráció létezik, de két alapvető típus létezik, attól függően, hogy a HP és az LP dugattyús löketei hogyan fázisozódnak, és ezáltal képes-e a HP kipufogógáz közvetlenül átjutni a HP-ről az LP-re ( Woolf-vegyületek ), vagy a nyomásingadozás szükségessé teszi-e a közbenső "puffer" tér gőzláda vagy cső formájában, amely vevő néven ismert ( vevővegyületek ).
Az egyszeres tágulású (vagy „egyszerű”) gőzgépben a nagynyomású gőz a kazán nyomásán a belépő szelepen keresztül jut be a hengerbe. A gőznyomás kényszeríti a dugattyút a hengerre, amíg a szelep ki nem zár (pl. A dugattyú löketének 25% -a után). A gőzellátás leválasztása után a befogott gőz tovább terjeszkedik, a dugattyút a lökete végéig tolja, ahol a kipufogószelep kinyílik és a részben kimerült gőzt a légkörbe vagy egy kondenzátorba taszítja. Ez a " levágás " sokkal több munka kivonását teszi lehetővé, mivel a gőz tágulása további munkát végez azon túl, amelyet a gőz kazánnyomáson végez.
Egy korábbi határérték növeli a tágulási arányt, amely elvileg több energiát képes kinyerni és növeli a hatékonyságot. Ideális esetben a gőz adiabatikusan tágulna , és a hőmérséklet a térfogat növekedésének megfelelően csökken. A gyakorlatban azonban a környező henger anyaga hőtárolóként működik, hűti a párát a tágulás korábbi részében, a későbbiekben pedig hevíti. Ezek az irreverzibilis hőáramlások csökkentik a folyamat hatékonyságát, így egy bizonyos ponton túl a tágulási arány további növelése az átlagos effektív nyomás és ezáltal a motor teljesítményének csökkenése mellett a hatékonyságot is csökkenti .
Összetevő motorok
A dilemmára 1804-ben talált megoldást Arthur Woolf brit mérnök , aki 1805-ben szabadalmaztatta Woolf nagynyomású összetett motorját . Az összetett motorban a kazánból származó nagynyomású gőz először nagynyomású (HP) hengerben tágul, és majd belép egy vagy több egymást követő alacsonyabb nyomású (LP) palackba. A gőz teljes kitágulása több hengeren keresztül történik, és mivel az egyes hengerekben kevesebb a tágulás, a gőz minden hengerben kevesebbet hűl, ami gyakorlatilag magasabb tágulási arányokat eredményez, és növeli a motor hatékonyságát.
Vannak más előnyei is: mivel a hőmérséklet-tartomány kisebb, a henger kondenzációja csökken. A kondenzáció miatti veszteség az LP hengerre korlátozódik. Az egyes hengerekben kisebb a nyomáskülönbség, így kevesebb a szivárgás a dugattyúnál és a szelepeknél. A forduló pillanat egyenletesebb, így a kiegyensúlyozás könnyebb és kisebb lendkerék is használható. Csak a kisebb HP hengert kell megépíteni, hogy ellenálljon a legnagyobb nyomásnak, ami csökkenti az össztömeget. Hasonlóképpen, az alkatrészeket kevesebb megterhelés éri, így könnyebbek lehetnek. A motor ide-oda mozgó részei könnyebbek, csökkentve a motor rezgését. A vegyületet a ciklus bármely pontján el lehet indítani, és mechanikai meghibásodás esetén a vegyületet vissza lehet állítani arra, hogy egyszerűként működjön, és így tovább működjön.
Az alacsonyabb nyomású gőzből egyenlő munka levezetéséhez nagyobb hengertérfogat szükséges, mivel ez a gőz nagyobb térfogatot foglal el. Ezért a furat, és ritka esetekben a löket is megnő az alacsony nyomású palackokban, ami nagyobb hengereket eredményez.
A kettős tágulású (általában csak összetett néven ismert) motorok két szakaszban bővítik a gőzt, de ez nem jelenti azt, hogy az összes ilyen motornak két henger van. Lehet, hogy négy hengerük két LP-HP párként működik, vagy a nagy LP henger munkája két kisebb hengerre osztható, egy HP henger bármelyik LP hengerbe kimerül, ami 3 hengeres elrendezést ad, ahol a henger és a dugattyú mindhárom átmérője kb. azonos, így a viszonzó tömegek könnyebben egyensúlyba kerülhetnek.
A kéthengeres vegyületek a következőképpen rendezhetők el:
- Keresztvegyület - a hengerek egymás mellett vannak
- Tandemkeverék - a hengerek egymástól végig, közös hajtórudat hajtva
- Teleszkópos vegyület - a hengerek egymáson belül vannak
- Szögkomponens - a hengerek vízben vannak elrendezve (általában 90 ° -os szögben), és közös hajtókart hajtanak.
A komposztálás alkalmazása széles körben elterjedt az álló ipari egységeknél, ahol növekvő teljesítményre volt szükség csökkentő költségek mellett, és 1880 után majdnem univerzális volt a tengeri motorok számára. Ezt nem használták széles körben a vasúti mozdonyokban, ahol gyakran bonyolultnak és alkalmatlannak tartják a zord területeken. a vasúti üzemi környezet és a rakodó nyomtáv által biztosított korlátozott hely (különösen Nagy-Britanniában). Az összetétel soha nem volt gyakori a brit vasutakon, és 1930 után egyáltalán nem alkalmazták, de sok más országban korlátozottan alkalmazták.
Az első sikeres kísérlet a levegőnél nehezebb, fix szárnyú repülőgép kizárólag gőzerővel történő repülésére 1933-ban következett be, amikor George és William Besler átalakított egy Travel Air 2000 kétfedelű repülőgépet egy 150 LE-os szögösszetételű V-iker gőzgéppel. saját kialakításuk a szokásos Curtiss OX-5 inline vagy radiális repülési benzinmotor helyett.
Többszörös bővítésű motorok
A fent leírt összetett motor logikus kiterjesztése, hogy a hatékonyság növelése érdekében a bővítést még több szakaszra osztják. Az eredmény a többszörösen bővülő motor . Az ilyen motorok használata akár három vagy négy tágulási szakaszok és az úgynevezett három- és négyszeres expanziós motorok ill. Ezek a motorok kettős működésű hengerek sorozatát használják, amelyek átmérője és / vagy lökete és így térfogata fokozatosan növekszik. Ezeket a hengereket úgy tervezték, hogy a munkát három vagy négy egyenlő részre osszák, egy-egy minden tágulási szakaszhoz. A szomszédos képen egy hármas bővítésű motor animációja látható. A gőz a motoron balról jobbra halad. Az egyes hengerek szelepládája a megfelelő henger bal oldalán található.
Történelem
Korai munka
- 1781 - Jonathan Hornblower , a Newcomen egyik Cornwall-i motorszerelőjének unokája 1781-ben szabadalmaztatta a kéthengeres összetett tolattyús motort . James Watt megakadályozta a továbbfejlesztését , aki azt állította, hogy megsértették saját szabadalmait.
- 1804 - Arthur Woolf brit mérnök feltalált egy módszert az egyszeri tágulású gőzgép folyamatos fűtésének és hűtésének nagyságának csökkentésére, amely hatékonysághoz vezet . Woolf 1805-ben szabadalmaztatta álló Woolf nagynyomású összetett motorját .
Dupla kiterjesztés
- 1845 - William McNaught olyan módszert dolgozott ki, amellyel további magasnyomású hengereket lehetne rögzíteni egy meglévő fénymotorba. Ehhez egy hosszú csövet kell használni a hengerek csatlakoztatásához, és egy további szelepkészletet a kiegyensúlyozáshoz. Valójában ez befogadó ládaként működött, és egy új típusú vegyületet találtak ki. Ez a rendszer lehetővé tette a gőzbevitel és a leválasztások jobb szabályozását. A motort lassítani lehet egy fojtószeleppel, amely csökkenti a gőz nyomását, vagy bármelyik henger határértékének beállításával. Ez utóbbi hatékonyabb volt, mivel nem vesztett áram. A ciklus gördülékenyebb volt, mivel a két henger nem volt fázisban.
- 1865 - Indult az SS Agamemnon (1865) , 300 lóerős összetett gőzgéppel felszerelve. A motort Alfred Holt , az egyik tulajdonosa tervezte . Holt meggyőzte a Kereskedelmi Tanácsot, hogy a normál 25 psi helyett 60 psi kazánnyomást engedélyezzen - nagyobb nyomásra volt szükség a kettős tágulás előnyeinek megvalósításához. A hatékonyság kapott engedélyezte ezt a hajót utazni 8500 mérföldet, mielőtt Coaling . Ez versenyképessé tette a Kína és Nagy-Britannia közötti útvonalakon.
Többszörös bővítés
- 1861 - Daniel Adamson szabadalmat nyert egy többszörösen táguló motorra, három vagy több hengerrel egy gerendához vagy főtengelyhez csatlakoztatva. Háromszoros tágulási motort épített Victoria Mills (Dukinfield) számára, amely 1867-ben nyílt meg.
- 1871 - Charles Normand, a Le Havre-ból 1871-ben háromszoros tágulási motort szerelt a Szajna folyó hajójára.
- 1872 - Sir Fredrick J. Bramwell arról számolt be, hogy a 45–60 psi nyomáson működő összetett tengeri motorok óránként 2–2,5 font szénfogyasztást jeleztek a feltüntetett lóerőként.
- 1881 - Alexander Carnegie Kirk megépítette az SS Aberdeen-t , az első nagyobb hajót, amelyet sikeresen meghajtott egy hármas bővítő motor.
- 1887 - A HMS Victoria beindította az első csatahajót, amelyet hármas bővítő motorok hajtottak.
- 1891 - A 160 psi-nél üzemelő hármas kiterjesztésű hajómotorok óránként átlagosan kb. 1,5 font szenet fogyasztottak jelzett lóerősségenként.
Alkalmazások
Motorok szivattyúzása
Malom motorok
Noha az első malmokat a víz hajtotta, a gőzgépek elfogadását követően a gyártónak már nem kellett folyóvízzel telepítenie a malmokat. A pamutfonáshoz egyre nagyobb malmokra volt szükség a kereslet kielégítéséhez, és ez arra késztette a tulajdonosokat, hogy egyre erősebb motorokat követeljenek. Amikor a kazán nyomása meghaladta a 60 psi-t, az összetett motorok termodinamikai előnyt szereztek, de a simább löket mechanikai előnyei voltak a döntő tényezők a vegyületek felvételében. 1859-ben a manchesteri körzetben 75 886 ihp (jelzett lóerő) motor volt a malmokban, amelyből 32 282 ihp-t a vegyületek szolgáltattak, bár a 60 psi fölött üzemelő kazánokból csak 41 189 ihp-ot állítottak elő.
Általánosítva: 1860 és 1926 között az összes Lancashire-i malmot vegyületek hajtották. Az utolsó vegyületet Buckley és Taylor építette a Wye No. 2 malomhoz, Shaw . Ez a motor 2500 ihp-ig keresztkomponensű volt, 24 láb, 90 tonnás lendkereket hajtott, és 1965-ig működött.
Tengeri alkalmazások
A tengeri környezetben az autonómia és a működési tartomány növelése volt az általános követelmény, mivel a hajóknak kellett szállítaniuk szénkészleteiket. A régi sósvíz-kazán így már nem volt megfelelő, és egy zárt édesvíz-kondenzátoros körrel kellett helyettesíteni. Az eredmény 1880-tól volt a többszöri bővítés motor három vagy négy tágulási szakasz ( három- és négyágyas expanziós motorok ). Ezek a motorok kétszeres működésű hengerek sorozatát alkalmazták, amelyek átmérője és / vagy lökete (és ezáltal térfogata) fokozatosan növekszik, és amelyek célja a munka három vagy négy, szükség szerint egyenlő részre osztása az egyes tágulási szakaszokhoz. Ahol a prémium tér van, az alacsony nyomású szakaszhoz két kisebb, nagy összegű henger használható. A többszörösen táguló motoroknál a hengereket sorban rendezték be, de különféle más formációkat használtak. A 19. század végén a Yarrow-Schlick-Tweedy kiegyensúlyozó „rendszert” alkalmazták egyes tengeri hármas kiterjesztésű motoroknál. Az YST motorok az alacsony nyomású tágulási fokozatot két henger között osztották fel, egyet a motor mindkét végén. Ez lehetővé tette a főtengely jobb kiegyensúlyozottságát, ami egyenletesebb, gyorsabban reagáló motort eredményezett, amely kevesebb rezgéssel működött. Ez a négyhengeres hármas bővítésű motort népszerűvé tette a nagyméretű utasszállító (például az olimpiai osztály ) körében, de végül gyakorlatilag rezgésmentes gőzturbina váltotta fel .
Az ilyen típusú motorok fejlesztése fontos volt a gőzhajókban való alkalmazásához, mivel a kondenzátorba történő kimerüléssel a víz visszanyerhető a kazán táplálásához, amely nem tudta használni a tengervizet . A szárazföldi gőzgépek egyszerűen kimeríthetik a gőz nagy részét, mivel a takarmányvíz általában könnyen elérhető volt. A második világháború előtt és alatt a bővítő motor uralta a tengeri alkalmazásokat, ahol a hajók nagy sebessége nem volt elengedhetetlen. A gőzturbina felváltotta, amikor sebességre volt szükség, például hadihajókhoz és óceánjárókhoz . Az 1905-ös HMS Dreadnought volt az első nagy hadihajó, amely felváltotta a dugattyús motor bevált technológiáját az akkor újszerű gőzturbinával. Az összes amerikai haditengerészeti csatahajó, amelyet a New York-i osztályig építettek , a BB-34 USS New York és a BB-35 USS Texas , valamint egy nevadai osztály , az USS Oklahoma , a BB-37 két hármas bővítésű gőzgéppel rendelkezett . A USS Nevada , a BB-36-os összes csatahajót építették, miután gőzturbinás motorjai voltak. Az 1912-ben hadrendbe állított USS Texas , a BB-35, az egyedüli túlélője ezeknek a csatahajóknak, amíg az észak-karolinai USS , a BB-55. Texas hármas bővítő motorjai még mindig a fedélzetén vannak, és láthatók a történelmi csatahajó turnéja során.
Alkalmazás vasúti mozdonyokra
A vasúti mozdonyok esetében az összetétel fő előnye az üzemanyag- és vízfogyasztás gazdaságossága volt, valamint a hosszabb ciklus alatt bekövetkező hőmérséklet- és nyomásesés miatti magas teljesítmény / tömeg arány, ami megnövelte a hatékonyságot; további észlelt előnyök közé tartozott az egyenletesebb nyomaték.
Míg az összetett mozdonyok tervezete még James Samuel 1856-os "folyamatos tágulási mozdonyra" vonatkozó szabadalmára nyúlik vissza , a vasúti összetétel gyakorlati története Anatole Mallet 1870-es évekbeli terveivel kezdődik . Ütőmozdonyokat az Egyesült Államokban a főgőz végéig a Norfolk és a Western Railway üzemeltetett . Alfred George de Glehn franciaországi tervei szintén jelentős felhasználást jelentettek, különösen André Chapelon újjáépítésében . 1900 körül sokféle összetett mintát próbáltak ki, de összetettségük és karbantartási felelősségük miatt a legtöbb népszerűség rövid ideig tartott. A 20. században a túlhevítőt széles körben elfogadták, és a gőzmozdonyok túlnyomó része egyszerű tágulású volt (néhány összetett mozdony egyszerűvé alakítva). A mérnökök rájöttek, hogy az egyenletes sebességű mozdonyokat a leghatékonyabban egy széles nyitott szabályozóval és korai levágással dolgozták, utóbbit a tolatókeréken keresztül állították be. A mozdony, amely nagyon korai gőzelválasztás mellett működik (pl. A dugattyú löketének 15% -ánál), lehetővé teszi a gőz maximális kitágulását, kevesebb pazarló energiával a löket végén. A túlhevítés kiküszöböli a páralecsapódást és a gyors nyomásveszteséget, amely egyébként ilyen tágulás esetén következne be.
A nagy amerikai mozdonyok 2 keresztkompozíciójú gőzhajtású légkompresszort, például a Westinghouse 8 1/2 "150-D-t használtak a vonat fékezéséhez.
Megjegyzések
^ Hengerfázis: A vasúti munkában használt kéthengeres vegyületeknél a dugattyúk úgy vannak összekapcsolva a forgattyúkkal, mint egy kéthengeres egyszerű, 90 ° -os fázison kívül egymással (negyedelve).
Ha a kettős tágulású csoport megduplázódik, és egy 4 hengeres vegyületet állít elő, a csoporton belüli egyes dugattyúkat általában 180 ° -ban kiegyensúlyozzák, a csoportokat 90 ° -ra állítva egymáshoz. Az egyik esetben (az első típusú Vauclain-vegyület ) a dugattyúk ugyanabban a fázisban működtek, közös keresztfejet és forgattyút hajtva, ismét 90 ° -ra állítva, mint egy kéthengeres motor esetében.
A háromhengeres összetett elrendezéssel az LP forgattyúkat vagy 90 ° -ra állították, a HP-t pedig 135 ° -ra a másik kettőre, vagy egyes esetekben mindhárom forgatót 120 ° -ra állították.
^ ihp:
A malom motor teljesítményét eredetileg anévleges lóteljesítménybenmérték, de ez a rendszer alulbecsülte az összetettMcNaughtösszetettrendszerteljesítményét, amelyalkalmas vegyületekre, ihp vagy jelzett lóerőre. Hüvelykujjszabályként az ihp 2,6-szorosa az nhp, egy összetett motorban.
Lásd még
Hivatkozások
Bibliográfia
- Hills, Richard L. (1989). Teljesítmény a Steam-től . Cambridge University Press . o. 244. ISBN 0-521-45834-X.
- Semmens, PWB; Goldfinch, AJ (2003) [2000]. Hogyan működnek valójában a gőzmozdonyok . Oxford: Oxford University Press . ISBN 978-0-19-860782-3.
- Van Riemsdijk, JT (1994). Összetett mozdonyok: Nemzetközi felmérés . Penryn: Atlantic Transport Publishers. ISBN 0-906899-61-3.
További irodalom
- Gurr, Duncan; Hunt, Julian (1998), Oldham Cotton Mills , Oldham Education & Leisure, ISBN 0-902809-46-6, Archivált az eredeti szóló július 18, 2011 , lekért 11-október 2009-es
- Nasmith, Joseph (1895), Legutóbbi pamutmalom építés és mérnöki munka , London: John Heywood, p. 284, ISBN 1-4021-4558-6
- Roberts, AS (1921), "Arthur Robert motorlistája" , Arthur Roberts fekete könyve. , Az egyik srác a Barlick-Book Transcription-ből, az eredetiből 2011. július 23-án archiválva , 2009. január 11
- Williams, Mike; Farnie (1992), Cotton Mills of Greater Manchester , Carnegie Publishing, ISBN 0-948789-89-1
- Holst, CP (1926), Többkarú gőzgépek kiegyensúlyozása , Brill, Leiden Publishing, OCLC 494164185