Кіріспе

Буды кезең-кезеңмен кеңейтетін бу машинасы. Құрама бу локомотивтері.

Құрама бу машинасы – буды екі немесе одан көп кезеңде кеңейтетін бу машинасының бір түрі. Құрама қозғалтқыштарда бу әдетте алдымен жоғары қысымды (ЖҚ) цилиндрде кеңейтіледі, содан кейін жылуын және қысымын жоғалтып, бір немесе бірнеше үлкен көлемді төмен қысымды (ТҚ) цилиндрлерге тікелей түседі. Көп кезеңді кеңейту қозғалтқыштары будан қосымша энергия алу үшін одан әрі төмендейтін қысымды қосымша цилиндрлерді пайдаланады. Бұл техника 1781 жылы ойлап табылды және алғаш рет 1804 жылы Корнуолл сәулелі бу машинасына қолданылды. 1850 жылдар шамасында құрама қозғалтқыштар алғаш рет Ланкашир тоқыма фабрикаларында қолданыла бастады.

Құрама жүйелер

Көптеген күрделі жүйелер мен конфигурациялар бар, бірақ HP және LP поршень соққыларының фазалануына және осылайша HP газдары HP-ден LP-ге тікелей өте алатынына (Вульф қосылыстары) немесе қысымдағы ауытқулар бу жинағыш немесе құбыр түрінде аралық "буферлік" кеңістікті қажет ететініне байланысты екі негізгі түрі бар (бу жинағыш қосылыстары). Бір кеңейімді (немесе "жасыраулы") бу машинасының ішінде жоғары қысымды бу қазандық қысымымен кіретін клапан арқылы цилиндрге кіреді. Бу қысымы поршеньді цилиндр бойымен төмен қарай итереді, клапан жабылғанша (мысалы, поршень соққысының 25%-нан кейін). Бумен жабдықтау тоқтатылғаннан кейін, тұтқындалған бу кеңейеді, поршеньді соққысының соңына дейін итеріп, содан кейін шығару клапаны ашылып, жартылай тозған буды атмосфераға немесе конденсаторға шығарады. Бұл "кесу" будың кеңеюі қазандық қысымындағы будың атқаратын жұмысынан артық жұмыс атқаруға мүмкіндік береді, сондықтан көбірек жұмыс жасалады. Ерте кесу кеңею коэффициентін арттырады, бұл теориялық тұрғыдан энергияны көбірек алуға және тиімділікті арттыруға мүмкіндік береді. Идеалды жағдайда бу адиабатикалық түрде кеңейеді және температура көлемнің ұлғаюына сәйкес төмендейді. Бірақ іс жүзінде цилиндрдің айналасындағы материал жылу резервуары ретінде әрекет етеді, кеңейімнің басында буды салқындатады және соңында қыздырады. Бұл қайтымсыз жылу ағындары процестің тиімділігін төмендетеді, сондықтан белгілі бір нүктеден кейін кеңею коэффициентін одан әрі арттыру тиімділікті төмендетуге, сондай-ақ орташа тиімді қысымды және осылайша қозғалтқыштың қуатын төмендетуге әкеледі.

Құрама қозғалтқыштар

Бұл қиын мәселені шешу жолын 1804 жылы британдық инженер Артур Вулф тапты, ал 1805 жылы ол Вулфтың жоғары қысымды күшті қозғалтқышын патенттеді. Күшті қозғалтқышта қазаннан шыққан жоғары қысымды бу алдымен жоғары қысымды (ЖҚ) цилиндрде кеңейеді, содан кейін бір немесе бірнеше төмен қысымды (ТҚ) цилиндрлерге өтеді. Будың толық кеңеюі бірнеше цилиндрде жүзеге асады және әрбір цилиндрде кеңею аз болғандықтан, бу әр цилиндрде аз суынады, бұл жоғары кеңею коэффициенттерін мүмкін етеді және қозғалтқыштың тиімділігін арттырады. Басқа да артықшылықтары бар: температура диапазоны кішірек болғандықтан, цилиндрде конденсация азаяды. Конденсациядан туындаған шығындар ТҚ цилиндрімен ғана шектеледі. Әр цилиндрдегі қысым айырмашылығы аз болғандықтан, поршень мен клапандарда будың ағып кетуі азаяды. Бұрылу моменты біркелкі, сондықтан теңгерімдеу оңайлатылады және кішкентай инерциялық дөңгелек қолдануға болады. Жоғары қысымға төтеп беру үшін тек кішкентай ЖҚ цилиндрін жасау қажет, бұл жалпы салмақты азайтады. Сол сияқты, компоненттерге да аз жүктеме түседі, сондықтан оларды жеңілдетуге болады. Қозғалтқыштың инерциялық бөліктері жеңіл, бұл қозғалтқыштың діріліне азайтады. Күшті қозғалтқышты циклдің кез келген нүктесінде іске қосуға болады, ал егер механикалық бұзылу орын алса, күшті қозғалтқышты қарапайым қозғалтқыш ретінде қайта орнатуға болады, осылайша жұмысын жалғастыруға мүмкіндік туады.

Көп кеңейтулі қозғалтқыштар

Бұл құрама қозғалтқыштың логикалық жалғасы (жоғарыда сипатталғандай), тиімділікті арттыру үшін кеңеюді одан да көп сатыларға бөлу болып табылады. Соның нәтижесінде көп сатылы кеңейту қозғалтқышы пайда болады. Мұндай қозғалтқыштар үш немесе төрт кеңейту сатысын қолданады және сәйкесінше үш және төрт есе кеңейту қозғалтқыштары деп аталады. Бұл қозғалтқыштарда диаметрі және/немесе ұзындығы, демек көлемі біртіндеп артатын екі әрекетті цилиндрлер қолданылады. Бұл цилиндрлер жұмысты үш немесе төрт тең бөлікке бөлу үшін жасалған, әр кеңейту сатысына бір бөліктен. Келесі суретте үш есе кеңейту қозғалтқышының анимациясы көрсетілген. Бу қозғалтқыш арқылы солдан оңға қарай қозғалады. Әр цилиндрдің клапандық қорабы тиісті цилиндрдің сол жағында орналасқан.

Алғашқы жұмыстар

1781 жылы Корнуоллдағы Ньюкоменнің қозғалтқышын құрастырушыларының бірінің немересі Джонатан Хорнблоуэр 1781 жылы екі цилиндрлі күшті поршеньді бу машинасының патентын алды. Джеймс Уотт өзінің патенттері бұзылған деп мәлімдегендіктен, оның одан әрі дамуына кедергі келтірді. 1797 жылы Ричард Тревитик тиімді жоғары қысымды бу машинасы жасады. 1804 жылы Артур Вулф 1805 жылы патенттелген тұрақты, жоғары қысымды күшті бу машинасының құрамын жасады. Вулф машинасы бір реттік кеңеюлі жоғары қысымды бу машинасының үнемі қызып, салқындауынан туындайтын тиімсіздікке себеп болатын күшті температура өзгерісін азайтты. Сондай-ақ, ол сол кездегі шойын цилиндрлердің мұны көтере алмайтын мәселесін шешті.

Қос кеңейту

1833 – «Геркулес» (1829) кемесі «Агриппинадан» алынған қосымша төмен қысымды цилиндрді, оның жоғары қысымды цилиндрлерінен бумен пайдалану үшін қайта жабдықталды. Бұл өзгерісті голланд инженері Герхард Мориц Рентген жасады, осылайша ол теңіздік күшті бу машинасының авторы атанды. Бумен жүретін буып сүйрейтін кеме Ваал өзенінде сәтті пайдаланылды, бұл күшті бу машинасымен жұмыс істейтін алғашқы кеме болды. 1845 жылы Уильям Макнотт қолданыстағы сәулелі қозғалтқышқа қосымша жоғары қысымды цилиндрді орнату әдісін ойлап тапты. Мұны іске асыру үшін цилиндрлерді қосу үшін ұзын құбыр және оларды теңестіру үшін қосымша клапандар жиынтығы қолданылды. Бұл, тиімді алғанда, бу жинағыш ретінде жұмыс істеді, және жаңа типтегі күшті бу машинасы пайда болды. Бұл жүйе будың қабылдалуын және тоқтатылуын жақсырақ бақылауға мүмкіндік берді. Қозғалтқышты будың қысымын төмендететін газ педалі арқылы немесе цилиндрлердің біріндегі тоқтатылуды реттеу арқылы баяулатуға болады. Соңғысы тиімдірек болды, себебі қуат жоғалмайды. Цикл тегіс болды, өйткені екі цилиндр бір фазада жұмыс істемеді. 1865 жылы 300 ат күші бар күшті бу машинасымен жабдықталған кеме суға түсірілді. Қозғалтқыштың авторы – оның иесі Альфред Холт. Холт Сауда кеңесін казан қысымын қалыпты 25psi орнына 60psi-қа көтеруге көндірді, күшті бу машинасының артықшылықтарын пайдалану үшін жоғары қысым қажет болды. Осы тиімділік кемеге көмір толықтырмай 8500 миль саяхаттауға мүмкіндік берді. Бұл оны Қытай мен Ұлыбритания арасындағы бағыттарда бәсекеге қабілетті етті.

Көп кеңейту

1861 жылы Дэниел Адамсон бір арқалық немесе краншафтпен байланысқан үш немесе одан да көп цилиндрлі көп кеңейімді қозғалтқышқа патент алды. Ол 1867 жылы ашылған Виктория Миллс, Дукинфилд үшін үш есе кеңейтілген қозғалтқыш жасады. 1871 жылы Ле-Хаврден Чарльз Норман 1871 жылы Сена өзеніндегі кемеге үш есе кеңейтілген қозғалтқыш орнатты. 1872 жылы сэр Фредерик Брамвелл 45-60 фунт/квадрат дюйм қысымда жұмыс істейтін күрделі теңіз қозғалтқыштары сағатына көрсетілген бір ат күшіне 2-ден 2,5 фунтқа дейін көмір жұмсайтынын хабарлады. 1881 жылы Александр Карнеги Кирк SS Абердинді салды, үш есе кеңейтілген қозғалтқышпен сәтті жұмыс істеген алғашқы ірі кеме. Бұл жетістік үш есе кеңейтудің артықшылықтарын пайдалану үшін қажетті (сол кездегі) жоғары қысымда жұмыс істейтін қазандықты жобалау мәселесін шешуге байланысты болды. 1887 жылы HMS Виктория суға түсірілді, үш есе кеңейтілген қозғалтқыштармен жұмыс істейтін алғашқы броненосец. 1891 жылы 160 фунт/квадрат дюйм қысымда жұмыс істейтін үш есе кеңейтілген күрделі теңіз қозғалтқыштары орташа есеппен сағатына көрсетілген бір ат күшіне шамамен 1,5 фунт көмір жұмсайтын болды.

Дәнекерлеу машиналары

Алғашқы диірмендер су энергиясымен жұмыс істегенмен, бу машиналары қолданысқа енгеннен кейін өндірушілер енді диірмендерді ағын суға жақын орналастыру қажеттілігін сезінбеді. Мақта иіру үшін сұранысты қанағаттандыру үшін үнемі ірі диірмендер қажет болды, бұл иелерін күштірек қозғалтқыштарға ұмтылдырды. Қазандық қысымы 60 фунт/квадрат дюймнен (psi) асқанда, күрделі қозғалтқыштар термодинамикалық артықшылыққа қол жеткізді, бірақ тегіс жұмыс істеудің механикалық артықшылықтары күрделі қозғалтқыштарды қабылдаудың шешуші факторы болды. 1859 жылы Манчестер аймағындағы диірмендердегі қозғалтқыштардың жалпы қуаты 75 886 а.к. (индикаторлық ат күші) құрады, оның 32 282 а.к. күрделі қозғалтқыштармен, ал 41 189 а.к. 60 psi-ден жоғары қысыммен жұмыс істейтін қазандықтардан алынды. Жалпы айтқанда, 1860 жылдан 1926 жылға дейін Ланкаширдегі барлық диірмендер күрделі қозғалтқыштармен жұмыс істеді. Соңғы күрделі қозғалтқышты Бакли мен Тейлор "Шоу" зауытының №2 диірмені үшін жасады. Бұл қозғалтқыш 2500 а.к. қуаты бар, 24 фут, 90 тонна салмақты инерциялық дөңгелекті қозғалтты және 1965 жылға дейін жұмыс істеді.

Теңізде қолдану

Теңіз ортасындағы басты талап – автономия және жұмыс радиусының артуы болды, себебі кемелер көмірді өздерімен бірге тасымалдауға тиіс еді. Ескі тұзды су қазаны енді жеткіліксіз болды және конденсаторлы жабық тәзі су айналымымен ауыстырылды. 1880 жылдан бастап үш немесе төрт кеңейтім сатысын (үш және төрт есе кеңейтім қозғалтқыштарын) пайдаланатын көп сатылы кеңейтім қозғалтқыштары қолданысқа енді. Бұл қозғалтқыштарда диаметрі және/немесе иілімі (соққысы) біртіндеп ұлғаятын екі реттік цилиндрлер қолданылды, олар жұмысты әр кеңейтім сатысына сәйкес үш немесе төрт тең бөлікке бөлуге арналған. Егер орын шектеулі болса, төмен қысым сатысы үшін үлкен жалпы көлемге ие екі кішкентай цилиндр қолданылуы мүмкін. Көп сатылы кеңейтім қозғалтқыштарында цилиндрлер әдетте тізбектей орналастырылған, бірақ басқа да түрлі конфигурациялар да қолданылды. 19 ғасырдың соңында кейбір теңіздік үш есе кеңейтім қозғалтқыштарында «Yarrow Schlick Tweedy» теңгерімдеу жүйесі қолданылды. YST қозғалтқыштары төмен қысым кеңейтім сатысын екі цилиндрге бөлді, олар қозғалтқыштың екі шетінде орналасқан. Бұл коленвалдың жақсырақ тепе-теңдікке ие болуына мүмкіндік берді, нәтижесінде қозғалтқыш тегіс жұмыс істеді, жылдам жауап берді және аз дірілдеді. Бұл 4 цилиндрлі үш есе кеңейтім қозғалтқышын ірі жолаушылар кемелерінде (мысалы, «Олимпия» класы) танымал етті, бірақ ақырында дерлік дірілсіз бу турбинасымен ауыстырылды. Осы типтегі қозғалтқыштың дамуы бу кемелерінде қолданылуы үшін маңызды болды, өйткені конденсаторға бу шығару арқылы суды қайта пайдаланып, теңіз суын қолдана алмайтын қазандықты сумен қамтамасыз етуге болады. Құрлықтағы бу қозғалтқыштары көбінесе буды шығара алатын, себебі қоректік су әдетте оңай қолжетімді болды. Екінші дүниежүзілік соғысқа дейін және оның кезінде кеңейтім қозғалтқышы жоғары кеме жылдамдығы қажет болмайтын теңіз қолданыстарында басым болды. Жылдамдық қажет болған кезде, мысалы, соғыс кемелері мен мұхит лайнерлерінде, ол бу турбинасымен ауыстырылды. 1905 жылғы «Дредноут» кемесі – бұл дәуірдегі жаңа бу турбинасын поршенді қозғалтқыштан ауыстырған алғашқы ірі әскери кеме болды.

Темір жол локомотивтеріне қолдану

Темір жол локомотивтеріндегі құрама схемаларды қолданудың басты артықшылығы отын мен суды үнемдеу, сондай-ақ температура мен қысымның ұзақ цикл ішінде төмендеуіне байланысты жоғары қуат/салмақ қатынасы болды, бұл тиімділікті арттырды; қосымша артықшылықтарға тораптың біркелкі жұмысы жатты. Құрама локомотивтердің жобалары Джеймс Сэмюэлдің 1856 жылғы «үздіксіз кеңею локомотиві» патентына дейін жетеді, бірақ теміржол құрамаларын жасаудың практикалық тарихы 1870 жылдары Анатоль Малеттің жобаларымен басталады. Малет локомотивтері АҚШ-та Норфолк және Батыс темір жолының магистральдық желісі тоқтағанға дейін пайдаланылды. Францияда Альфред Джордж де Гленнің жобалары да маңызды қолданысқа ие болды, әсіресе Андре Шапелонның қайта жаңартуларында. 1900 жыл шамасында құрама схемалардың көптеген түрлері сыналып көрілді, бірақ олардың көпшілігі күрделілігі мен техникалық қызмет көрсетуге байланысты ұзаққа соқпады. 20 ғасырда суперлифтер кеңінен қабылданып, бу локомотивтерінің басым көпшілігі қарапайым кеңею схемасын қолданды (кейбір құрама локомотивтер қарапайым схемаға айналдырылды). Инженерлер локомотивтердің тұрақты жылдамдықта кең ашық реттегішпен және ертерек ажыратылумен тиімді жұмыс істейтінін анықтады, соңғысы кері механизм арқылы реттеледі. Буды өте ертерек кесу кезінде (мысалы, поршеньнің жүрісінің 15%-ында) жұмыс істейтін локомотив будың максималды кеңеюіне мүмкіндік береді, жүріс соңында энергияның аз бөлігі ысырапқа кетеді. Суперлифтер мұндай кеңею кезінде болатын конденсацияны және қысымның жылдам төмендеуін болдырмайды. Үлкен американдық локомотивтері пойыздардың тежегіштері үшін екі қиылысқан бумен жұмыс істейтін ауа компрессорларын қолданды, мысалы, Westinghouse 8 1/2" 150 D.