Механизм управления потоком пара в паровой машине.

Введение

Механизм управления потоком пара в поршневом паровом двигателе. Клапанный механизм парового двигателя – это механизм, приводящий в действие впускные и выпускные клапаны для подачи пара в цилиндр и выпуска отработанного пара, соответственно, в нужные моменты цикла. Он также может использоваться для изменения направления движения. Иногда его называют "распределительным механизмом".

Цель

В простом случае это может быть относительно простой задачей, как в двигателе внутреннего сгорания, где клапаны всегда открываются и закрываются в одних и тех же точках. Однако это не идеальная схема для парового двигателя, поскольку максимальная мощность достигается при поддержании впускного клапана открытым на протяжении всего хода (обеспечивая полное давление котла, за вычетом потерь на передачу, воздействующее на поршень на протяжении всего хода), в то время как пиковая эффективность достигается при открытии впускного клапана только на короткое время, а затем позволяя пару расширяться в цилиндре (экспансивная работа). Точка, в которой подача пара в цилиндр прекращается, называется отсечкой, и оптимальное ее положение варьируется в зависимости от выполняемой работы и желаемого компромисса между мощностью и эффективностью. Паровые двигатели оснащены регуляторами (дроссельными клапанами в американской терминологии) для изменения сопротивления потоку пара, но управление мощностью посредством регулировки отсечки обычно предпочтительнее, поскольку это обеспечивает более эффективное использование пара котла. Дополнительный эффект может быть достигнут путем подачи пара в цилиндр немного раньше верхней или нижней мертвой точки. Этот опережающий впуск (также известный как опережающий пар) способствует амортизации инерции движения на высоких скоростях. В двигателе внутреннего сгорания эту задачу выполняют кулачки на распределительном валу, приводящие в действие тарельчатые клапаны, но такая схема редко используется в паровых двигателях, отчасти из-за сложности реализации переменного момента зажигания с помощью кулачков. Вместо этого обычно используется система эксцентриков, кривошипов и рычагов для управления D-слайдерным или поршневым клапаном от механизма. Как правило, два простых гармонических движения с различными фиксированными фазовыми углами складываются в различных пропорциях, чтобы обеспечить выходное движение, изменяющееся по фазе и амплитуде. За прошедшие годы было разработано множество подобных механизмов с разной степенью успеха. Как сдвижные, так и поршневые клапаны имеют ограничение, заключающееся в том, что фазы впуска и выпуска жестко связаны друг с другом и не могут быть оптимизированы независимо. На паровых кромках клапана предусмотрен перехлест, поэтому, хотя ход клапана уменьшается при увеличении отсечки, клапан всегда полностью открыт для выпуска отработанного пара. Однако при уменьшении отсечки фазы выпуска также сдвигаются вперед. Момент выпуска отработанного пара наступает раньше в рабочем ходе, а сжатие – раньше в выпускном ходе. Преждевременный выпуск приводит к потере некоторой энергии пара, а преждевременное закрытие – к потере энергии на сжатие излишне большого количества пара. Еще одним следствием ранней отсечки является то, что клапан движется довольно медленно в момент отсечки, что создает сужение, из-за которого пар поступает в цилиндр под давлением ниже полного давления котла (так называемое «вытягивание пара», названное по аналогии с процессом изготовления металлической проволоки путем протягивания ее через отверстие), еще один неэффективный термодинамический эффект, видимый на индикаторной диаграмме. Эти недостатки привели к широким экспериментам с тарельчатыми клапанами для локомотивов. Впускные и выпускные тарельчатые клапаны можно было перемещать и управлять независимо друг от друга, что обеспечивало лучший контроль над циклом. В конечном итоге, лишь небольшое количество локомотивов было оснащено тарельчатыми клапанами, но они были распространены в паровых автомобилях и грузовиках, например, практически все грузовики Sentinel, локомотивы и моторные вагоны использовали тарельчатые клапаны. Очень поздняя британская конструкция, класс SR Leader, использовала рукавные клапаны, адаптированные от двигателей внутреннего сгорания, но этот класс не был успешным. В стационарных паровых двигателях, тяговых двигателях и судовых двигателях недостатки клапанов и клапанных механизмов были одними из факторов, приведших к использованию многократного расширения. В стационарных двигателях также широко использовались предохранительные клапаны.

In the simple case, this can be a relatively simple task as in the internal combustion engine in which the valves always open and close at the same points. This is not the ideal arrangement for a steam engine, though, because greatest power is achieved by keeping the inlet valve open throughout the power stroke (thus having full boiler pressure, minus transmission losses, against the piston throughout the stroke) while peak efficiency is achieved by only having the inlet valve open for a short time and then letting the steam expand in the cylinder (expansive working). The point at which steam stops being admitted to the cylinder is known as the cutoff, and the optimal position for this varies depending on the work being done and the tradeoff desired between power and efficiency. Steam engines are fitted with regulators (throttles in US parlance) to vary the restriction on steam flow, but controlling the power via the cutoff setting is generally preferable since it makes for more efficient use of boiler steam. A further benefit may be obtained by admitting the steam to the cylinder slightly before front or back dead centre. This advanced admission (also known as lead steam) assists in cushioning the inertia of the motion at high speed. In the internal combustion engine, this task is performed by cams on a camshaft driving poppet valves, but this arrangement is not commonly used with steam engines, partly because achieving variable engine timing using cams is complicated. Instead, a system of eccentrics, cranks and levers is generally used to control a D slide valve or piston valve from the motion. Generally, two simple harmonic motions with different fixed phase angles are added in varying proportions to provide an output motion that is variable in phase and amplitude. A variety of such mechanisms have been devised over the years, with varying success. Both slide and piston valves have the limitation that intake and exhaust events are fixed in relation to each other and cannot be independently optimised. Lap is provided on steam edges of the valve, so that although the valve stroke reduces as cutoff is advanced, the valve is always fully opened to exhaust. However, as cutoff is shortened, the exhaust events also advance. The exhaust release point occurs earlier in the power stroke and compression earlier in the exhaust stroke. Early release wastes some energy in the steam, and early closure also wastes energy in compressing an otherwise unnecessarily large quantity of steam. Another effect of early cutoff is that the valve is moving quite slowly at the cutoff point, and this creates a constriction point causes the steam to enter the cylinder at less than full boiler pressure (called 'wire drawing' of the steam, named after the process of making metal wire by drawing it through a hole), another wasteful thermodynamic effect visible on an indicator diagram. These inefficiencies drove the widespread experimentation in poppet valve gears for locomotives. Intake and exhaust poppet valves could be moved and controlled independently of each other, allowing for better control of the cycle. In the end, not a great number of locomotives were fitted with poppet valves, but they were common in steam cars and lorries, for example virtually all Sentinel lorries, locomotives and railcars used poppet valves. A very late British design, the SR Leader class, used sleeve valves adapted from internal combustion engines, but this class was not a success. In stationary steam engines, traction engines and marine engine practice, the shortcomings of valves and valve gears were among the factors that lead to compound expansion. In stationary engines trip valves were also extensively used.

Конструкция клапанных механизмов

Клапанный механизм был благодатной почвой для изобретений, за годы существования было разработано, вероятно, несколько сотен различных вариантов. Однако широкое применение получили лишь немногие из них. Их можно разделить на механизмы, приводящие в действие стандартные золотниковые клапаны (будь то поршневые или плоские клапаны), механизмы, используемые с тарельчатыми клапанами, и механизмы прерывистого действия стационарных двигателей, применяемые с полувращающимися клапанами Корлисса или дроссельными клапанами.

Ранние типы

Скользящий эксцентрик. Эта передача в настоящее время используется только в моделях паровых двигателей и в маломощных любительских приложениях, таких как двигатели паровых катеров, мощностью до нескольких лошадиных сил. Эксцентрик свободно надет на коленчатый вал, но имеются упоры, ограничивающие его вращение относительно коленчатого вала. Установка эксцентрика в положения для движения вперед и назад может выполняться вручную, путем вращения эксцентрика на остановленном двигателе, или, для многих двигателей, путем простого поворота двигателя в нужном направлении, при котором эксцентрик автоматически занимает нужное положение. Двигатель толкают вперед, чтобы установить эксцентрик в положение для движения вперед, и назад – для движения назад. Отсутствует регулируемое управление отсечкой. На Лондонской и Северо-Западной железной дороге некоторые трехцилиндровые машины, спроектированные Фрэнсисом Уильямом Уэббом с 1889 года, использовали скользящий эксцентрик для привода клапана единственного цилиндра низкого давления. К ним относятся классы "Teutonic", "Greater Britain" и "John Hick". Габ или крючковая передача использовалась на самых ранних локомотивах. Обеспечивала реверс, но не позволяла управлять отсечкой.

Постоянные свинцовые передачи (приспособления типа Вальшартса)

Один компонент движения поступает от кривошипа или эксцентрика. Другой компонент поступает из отдельного источника, обычно от крестовой головки. Клапанный механизм Вальшерта или Гейзингера – наиболее распространенный клапанный механизм на более поздних локомотивах, как правило, устанавливаемый снаружи. Клапанный механизм Дили – устанавливался на несколько скоростных локомотивов железной дороги Мидленд. Комбинированные рычаги приводились в действие, как обычно, от крестовых головок. Каждая расширительная тяга приводилась в действие от крестовой головки на противоположной стороне двигателя. Клапанный механизм Янга использовал движение поршневого штока с одной стороны локомотива для привода клапанного механизма с другой стороны. Подобен механизму Дили, но с некоторыми детальными отличиями. Клапанный механизм Багулея – использовался компанией W. G. Bagnall. Клапанный механизм Bagnall Price – вариация механизма Вальшерта, используемая компанией W. G. Bagnall. Этот механизм установлен на локомотивах Bagnall 3023 и 3050, оба сохранились на Уэльской горной железной дороге. Джеймс Томпсон Маршалл, по-видимому, разработал как минимум две различные модификации механизма Вальшерта. Одна была относительно стандартной. Другая была очень сложной и приводила в действие отдельные клапаны сверху цилиндра (для впуска) и снизу цилиндра (для выпуска). После смерти изобретателя этот механизм был экспериментально установлен на локомотив № 1850 класса N Южной железной дороги, работы проводились с 16 октября 1933 года по 3 февраля 1934 года, но он вышел из строя 22 марта 1934 года. Поскольку изобретатель не смог изменить конструкцию, клапанный механизм был заменен на стандартный механизм Вальшерта в период с 24 марта по 11 апреля 1934 года. Патентный клапанный механизм Айзексона – модифицированный механизм Вальшерта, запатентованный в 1907 году Рупертом Джоном Айзексоном и другими, патент № GB190727899, опубликован 13 августа 1908 года. Он был установлен на локомотив 2-6-0T Blackpool (построенный в 1909 году) железной дороги Garstang and Knot End Railway и на локомотив № 382 железной дороги Мидленд в 1910–1911 годах. Айзексон также имеет патент (GB126203, опубликованный 8 мая 1919 года) на улучшенный смотровой масляный индикатор. Он был запатентован совместно со своим представителем Изабель Харт Кокс. Клапанный механизм Кингана Рипкена – это механизм типа Вальшерта, в котором комбинированный рычаг соединен с рукой на шатуне, близко к малому концу, а не с крестовой головкой. Запатентован в Канаде Джеймсом Б. Кинганом и Хьюго Ф. Рипкеном, патент CA 204805, выданный 12 октября 1920 года. Этот механизм был установлен на некоторые локомотивы железной дороги Minneapolis, St. Paul and Sault Ste. Marie ("Soo Line"); Хьюго Рипкен работал бригадиром в мастерских Shoreham железной дороги Soo Line в Миннеаполисе.

One component of the motion comes from a crank or eccentric. The other component comes from a separate source, usually the crosshead. Walschaerts or Heusinger valve gear most common valve gear on later locomotives, normally externally mounted. Deeley valve gear fitted to several express locomotives on the Midland Railway. The combination levers were driven, as normal, from the crossheads. Each expansion link was driven from the crosshead on the opposite side of the engine. Young valve gear used the piston rod motion on one side of the locomotive to drive the valve gear on the other side. Similar to the Deeley gear, but with detail differences. Baguley valve gear used by W. G. Bagnall. Bagnall Price valve gear a variation of Walschaerts used by W. G. Bagnall. This gear is fitted to Bagnall 3023 and 3050, both preserved on the Welsh Highland Railway. James Thompson Marshall seems to have designed at least two different modifications of Walschaerts gear. One was relatively conventional. The other was very complex and drove separate valves on top of the cylinder (for admission) and underneath the cylinder (for exhaust). After the inventor's death, this gear was fitted experimentally to Southern Railway N Class locomotive number 1850, the work taking from 16 October 1933 to 3 February 1934; but it failed on 22 March 1934. Since the inventor was unable to modify the design, the valve gear was replaced by standard Walschaerts gear between 24 March and 11 April 1934. Isaacson's patent valve gear a modified Walschaerts gear, patented in 1907 by Rupert John Isaacson, and others, patent no. GB190727899, published 13 August 1908. It was fitted to the Garstang and Knot End Railway's 2 6 0T Blackpool (built 1909) and to Midland Railway No. 382 during 1910–11. Isaacson also has a patent (GB126203, published 8 May 1919) for an improved sight feed lubricator. This was patented jointly with his representative, Ysabel Hart Cox. Kingan Ripken valve gear. This is a Walschaerts type gear in which the combination lever is linked to an arm on the connecting rod, near its small end, instead of to the crosshead. Patented in Canada by James B. Kingan and Hugo F. Ripken, patent CA 204805, issued 12 October 1920. This gear was fitted to some locomotives of the Minneapolis, St. Paul and Sault Ste. Marie Railway ("Soo Line"); Hugo Ripken worked as a foreman in the Soo Line's Shoreham Shops in Minneapolis.

Рычажные и сцепные механизмы (типа Baker)

У механизма Бекера, достаточно распространенного в Соединенных Штатах, не было скользящих деталей.

Радиальные шестерни

Обе составляющие движения приводятся в действие одним кривошипом или эксцентриком. Проблема этой схемы (при использовании на локомотивах) заключается в том, что на один из компонентов движения влияет вертикальное перемещение локомотива на рессорах. Вероятно, это объясняет, почему радиальные зубчатые передачи в значительной степени уступили место передачам типа Уолсхерта в железнодорожной практике, но продолжали использоваться в тяговых и судовых двигателях. Вентильный механизм Хакворта был изобретен Джоном Уэсли Хаквортом в 1859 году. Механизм Джоя – конструкция, широко использовавшаяся на L&YR и LNWR в Англии и в других странах. Сохранившийся образец – LNWR G2a, номер 49395. Вентильный механизм Маршалла – модифицированный механизм Хакворта, запатентованный в 1879 году компанией Marshall, Sons & Co. Современное применение – миниатюрный локомотив "Беджер". Вентильный механизм Брауна – изобретен Чарльзом Брауном (1827–1905), отцом Чарльза Юджина Ланселота Брауна. Этот механизм использовался компаниями Corpet Louvet и Duffield Bank Railway. Южный вентильный механизм – был кратковременно популярен в США около 1920 года. Он включал элементы конструкции Бейкера, но не имел комбинированного рычага Уолсхерта.

Конъюгирующие шестерни

Они позволяют построить 3-цилиндровый или 4-цилиндровый локомотив, используя всего два комплекта клапанного механизма. Наиболее известным является конъюгированный клапанный механизм Gresley, применявшийся на 3-цилиндровых локомотивах. Механизм Вальшартса обычно используется для двух внешних цилиндров. Два рычага, соединенные с золотниковыми стержнями внешних цилиндров, приводят в действие золотник внутреннего цилиндра. Гарольд Холкрофт разработал иной способ конъюгирования клапанного механизма, связав средний цилиндр с рычажной сборкой внешнего цилиндра, что привело к созданию производной схемы клапанного механизма Холкрофта. На 4-цилиндровом локомотиве конструкция проще. Клапанный механизм может располагаться как внутри, так и снаружи, и для соединения клапанов внутренних и внешних цилиндров требуются лишь короткие коромысла.

Контрольные устройства для клапанной передачи

Направление движения локомотива и отсечка пара устанавливаются из кабины с помощью рычага реверса или винтового реверсора, приводящего в движение тягу, достигающую непосредственно золотникового механизма. Некоторые более крупные паровые машины используют силовую реверсию, являющуюся сервоприводом, обычно работающим на пару. Это облегчает водителю управление реверсом.