Введение
Паровой двигатель, в котором пар расширяется ступенчато. Составные паровозы. Составной паровой двигатель – это тип парового двигателя, в котором пар расширяется в два или более этапов. Типичная схема для составного двигателя заключается в том, что пар сначала расширяется в цилиндре высокого давления (HP), а затем, отдавая тепло и теряя давление, выпускается непосредственно в один или несколько цилиндров низкого давления (LP) большего объема. Многоступенчатые двигатели используют дополнительные цилиндры, с последовательно снижающимся давлением, для дальнейшего извлечения энергии из пара. Эта технология была изобретена в 1781 году и впервые применена на корнуольском гребном двигателе в 1804 году. Около 1850 года составные двигатели впервые стали использоваться на текстильных фабриках Ланкашира.
compound steam locomotives
A compound steam engine unit is a type of steam engine where steam is expanded in two or more stages. A typical arrangement for a compound engine is that the steam is first expanded in a high pressure (HP) cylinder, then having given up heat and losing pressure, it exhausts directly into one or more larger volume low pressure (LP) cylinders. Multiple expansion engines employ additional cylinders, of progressively lower pressure, to extract further energy from the steam. Invented in 1781, this technique was first employed on a Cornish beam engine in 1804. Around 1850, compound engines were first introduced into Lancashire textile mills.
Соединенные системы
Существует множество компоновок и конфигураций, но выделяют два основных типа, в зависимости от фазировки ходов поршней высокого (HP) и низкого (LP) давления и, соответственно, от того, может ли отработанный пар HP поступать непосредственно от HP к LP (компаунды Вольфа), или же колебания давления требуют промежуточного "буферного" пространства в виде парового коллектора или трубы, известного как ресивер (компаунды с ресивером). В паровой машине однократного расширения (или "простой") пар высокого давления поступает в цилиндр под давлением котла через впускной клапан. Давление пара толкает поршень вниз по цилиндру, пока клапан не перекроет подачу (например, после 25% хода поршня). После прекращения подачи пара заключенный в цилиндре пар продолжает расширяться, перемещая поршень до конца хода, где открывается выпускной клапан и отработанный, частично ослабленный пар выбрасывается в атмосферу или в конденсатор. Этот "отсечка" позволяет извлечь значительно больше работы, поскольку расширение пара совершает дополнительную работу сверх той, которую совершает пар под давлением котла. Более ранняя отсечка увеличивает степень расширения, что теоретически позволяет извлекать больше энергии и повышать эффективность. В идеале пар должен расширяться адиабатически, при этом температура падала бы пропорционально увеличению объема. Однако на практике материал стенок цилиндра выступает в роли теплового резервуара, охлаждая пар в начальной фазе расширения и нагревая его в конечной. Эти необратимые теплообмены снижают эффективность процесса, поэтому после определенной точки дальнейшее увеличение степени расширения фактически снизит эффективность, а также уменьшит среднее эффективное давление и, следовательно, мощность двигателя.
Двигатели с комбинированной силой
Решение этой дилеммы было изобретено в 1804 году британским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал свой двигатель высокого давления Вульфа в 1805 году. В двигателе с расширением пара высокого давления, пар высокого давления из котла сначала расширяется в цилиндре высокого давления (HP), а затем поступает в один или несколько последующих цилиндров низкого давления (LP). Полное расширение пара происходит последовательно в нескольких цилиндрах, и поскольку расширение в каждом цилиндре меньше, пар меньше охлаждается, что делает возможным использование более высоких степеней расширения и повышает эффективность двигателя. Существуют и другие преимущества: меньший диапазон температур снижает конденсацию в цилиндрах. Потери от конденсации ограничиваются цилиндром низкого давления (LP). Разница давлений в каждом цилиндре меньше, что уменьшает утечки пара через поршень и клапаны. Момент вращения более равномерный, что облегчает балансировку и позволяет использовать маховик меньшего размера. Только цилиндр высокого давления (HP) меньшего размера должен выдерживать максимальное давление, что снижает общий вес конструкции. Аналогично, компоненты испытывают меньшие нагрузки, что позволяет использовать более легкие материалы. Движущиеся части двигателя легче, что уменьшает вибрацию. Двигатель с расширением пара можно запускать на любом этапе цикла, а в случае механической неисправности его можно перевести в режим простого двигателя, чтобы продолжить работу.
Двигатели с многократным расширением
Это логическое развитие конструкции комбинированного двигателя (описанного выше), заключающееся в разделении расширения на ещё большее число ступеней для повышения эффективности. Результатом является многоступенчатый двигатель расширения. Такие двигатели используют три или четыре ступени расширения и соответственно называются тройными и четверными двигателями расширения. В них применяется ряд цилиндров двойного действия, последовательно увеличивающихся в диаметре и/или ходе, а значит, и в объеме. Эти цилиндры спроектированы таким образом, чтобы разделить работу на три или четыре равные части, по одной для каждой ступени расширения. На прилегающем изображении представлена анимация тройного двигателя расширения. Пар проходит через двигатель слева направо. Распределительный ящик для каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.
Ранние работы
1781 – Джонатан Хорнблоуэр, внук одного из монтажников машин Ньюкомена в Корнуолле, запатентовал в 1781 году двухцилиндровый компаунд-двигатель с возвратно-поступательным движением. Джеймс Уотт помешал ему дальнейшему развитию, заявив о нарушении своих патентов. 1797 – Ричард Тревитик разрабатывает эффективный паровой двигатель высокого давления. 1804 – Артур Вулф разрабатывает стационарный двигатель высокого давления системы Вулфа, запатентованный в 1805 году. Двигатель Вулфа снизил значительные колебания температуры, возникающие при однократном расширении пара в двигателях высокого давления, что приводило к снижению эффективности. Он также решил проблему, связанную с тем, что современные чугунные цилиндры не могли выдерживать такие нагрузки.
Двойной расширение
1833 – Геркулес (1829) был модифицирован для использования дополнительного цилиндра низкого давления, взятого с корабля «Агриппина», с паром из его цилиндров высокого давления. Эта модификация была разработана голландским инженером Герхардом Морицем Рентгеном, что сделало его изобретателем морского парового двигателя двойного расширения. После этого паровой буксир успешно использовался на реке Ваал, став первым судном с двигателем двойного расширения, поступившим в эксплуатацию. 1845 – Уильям МакНотт разработал способ установки дополнительного цилиндра высокого давления в существующий паровой двигатель. Для этого использовалась длинная труба для соединения цилиндров и дополнительный набор клапанов для их балансировки. Фактически, это служило в качестве приемника пара, и был изобретен новый тип двигателя двойного расширения. Эта система обеспечивала более точный контроль подачи пара и моментов отсечки. Двигатель можно было замедлить либо с помощью дросселя, снижающего давление пара, либо регулировкой моментов отсечки на любом из цилиндров. Последний способ был более эффективным, так как не приводил к потере мощности. Цикл работы был более плавным, поскольку фазы работы двух цилиндров не совпадали. 1865 – был спущен на воду, оснащенный паровым двигателем мощностью 300 лошадиных сил. Двигатель был спроектирован Альфредом Холтом, одним из его владельцев. Холт убедил Торговую палату разрешить давление в котле 60 psi вместо обычных 25 psi – более высокое давление было необходимо для реализации преимуществ двойного расширения. Достигнутая эффективность позволила этому кораблю пройти 8500 миль без дозаправки углем. Это сделало его конкурентоспособным на маршрутах между Китаем и Великобританией.
Многократное расширение
1861 – Дэниел Адамсон запатентовал двигатель с многократным расширением, состоящий из трех или более цилиндров, соединенных с одним шатуном или коленчатым валом. Он построил тройной расширительный двигатель для фабрики Victoria Mills в Дукинфилде, которая открылась в 1867 году. 1871 – Чарльз Норман из Гавра оснастил тройным расширительным двигателем речное судно на Сене в 1871 году. 1872 – Сэр Фредерик Брамвелл сообщил, что составные морские двигатели, работающие под давлением от 45 до 60 psi, потребляли от 2 до 2,5 фунтов угля в час на одну индикаторную лошадиную силу. 1881 – Александр Карнеги Кирк построил SS Aberdeen, первый крупный корабль, успешно приводимый в движение тройным расширительным двигателем. Успех был достигнут благодаря решению проблемы создания котла, способного работать при (тогдашних) высоких давлениях, необходимых для реализации преимуществ тройного расширения. 1887 – HMS Victoria был спущен на воду, став первым линкором, работающим на тройных расширительных двигателях. 1891 – Тройные расширительные составные морские двигатели, работающие под давлением 160 psi, потребляли в среднем около 1,5 фунта угля в час на одну индикаторную лошадиную силу.
Двигатели мельниц
Хотя первые мельницы приводились в движение водной энергией, после внедрения паровых двигателей производителям больше не требовалось строить мельницы рядом с проточной водой. Производство хлопка требовало всё более крупных мельниц для удовлетворения спроса, что заставляло владельцев требовать всё более мощные двигатели. Когда давление в котле превышало 60 фунтов на квадратный дюйм, двигатели с расширением пара получали термодинамическое преимущество, но решающим фактором при их внедрении стали механические преимущества более плавного хода. В 1859 году в районе Манчестера было установлено двигателей общей мощностью 75 886 л.с. (индикаторных лошадиных сил), из которых 32 282 л.с. обеспечивалось двигателями с расширением пара, хотя только 41 189 л.с. вырабатывалось котлами, работающими под давлением более 60 фунтов на квадратный дюйм. В целом, в период с 1860 по 1926 год все мельницы в Ланкашире приводились в движение двигателями с расширением пара. Последний такой двигатель был построен компанией Buckley and Taylor для мельницы Wye No.2 в Шоу. Этот двигатель представлял собой двигатель с поперечным расширением пара мощностью 2500 л.с., приводил в движение 24-футовый, 90-тонный маховик и работал до 1965 года.
Морские приложения
В морской среде общим требованием была автономность и увеличенная дальность плавания, поскольку судам необходимо было перевозить запасы угля. Старый котел, работающий на соленой воде, оказался недостаточным и был заменен на замкнутый контур с пресной водой и конденсатором. Результатом, начиная с 1880 года, стал многоступенчатый двигатель расширения, использующий три или четыре ступени расширения (тройного и четверного расширения). Эти двигатели использовали серию цилиндров двойного действия, последовательно увеличивающихся в диаметре и/или ходе (и, следовательно, объеме), предназначенных для разделения работы на три или четыре равные части для каждой ступени расширения, в зависимости от необходимости. В условиях ограниченного пространства для ступени низкого давления могли использоваться два небольших цилиндра с суммарным большим объемом. Обычно цилиндры многоступенчатых двигателей расширения располагались в ряд, но применялись и другие схемы расположения. В конце XIX века балансирующая система Yarrow Schlick Tweedy использовалась на некоторых морских двигателях тройного расширения. Двигатели YST разделяли ступени расширения низкого давления между двумя цилиндрами, по одному на каждом конце двигателя. Это позволило лучше сбалансировать коленчатый вал, что обеспечивало более плавную и быструю работу двигателя с меньшей вибрацией. Это сделало 4-цилиндровый двигатель тройного расширения популярным на крупных пассажирских лайнерах (таких как суда класса "Олимпик"), но в конечном итоге он был заменен практически безвибрационной паровой турбиной. Разработка этого типа двигателя была важна для его применения на пароходах, поскольку, отводя отработанный пар в конденсатор, можно было восстановить воду для подачи в котел, который не мог использовать морскую воду. Наземные паровые двигатели могли просто выпускать большую часть пара, поскольку подпиточная вода обычно была легко доступна. До и во время Второй мировой войны двигатель расширения доминировал в морских применениях, где не требовалась высокая скорость судна. Он был вытеснен паровой турбиной, когда требовалась скорость, например, для военных кораблей и океанских лайнеров. HMS Dreadnought 1905 года стал первым крупным военным кораблем, заменившим проверенную технологию поршневого двигателя новой на тот момент паровой турбиной.
Применение к железнодорожным локомотивам
Для применения в железнодорожных локомотивах основным преимуществом использования компаундов была экономия топлива и воды, а также высокое отношение мощности к весу, обусловленное тем, что падение температуры и давления происходило в течение более длительного цикла, что повышало эффективность; дополнительными преимуществами считались более равномерный крутящий момент. Хотя разработки локомотивов с компаундом восходят к патенту Джеймса Сэмюэля 1856 года на "локомотив с непрерывным расширением", практическая история железнодорожного компаундинга начинается с конструкций Анатоля Малле в 1870-х годах. Локомотивы Малле эксплуатировались в Соединенных Штатах до конца эпохи паровой тяги на железной дороге Norfolk and Western Railway. Конструкции Альфреда Джорджа де Глена во Франции также получили широкое распространение, особенно при переоборудовании локомотивов Андре Шапелона. Около 1900 года было опробовано множество различных конструкций компаундов, но большинство из них быстро потеряли популярность из-за своей сложности и высоких требований к обслуживанию. В 20-м веке широко распространился перегрев пара, и подавляющее большинство паровозов стали простыми (при этом некоторые локомотивы с компаундом были переоборудованы в простые). Инженеры пришли к выводу, что локомотивы, работающие с постоянной скоростью, наиболее эффективно работают с полностью открытым регулятором и ранним отсечением подачи пара, которое регулируется реверсивным механизмом. Локомотив, работающий с очень ранним отсечением пара (например, при 15% хода поршня), обеспечивает максимальное расширение пара с меньшими потерями энергии в конце хода. Перегрев пара устраняет конденсацию и быструю потерю давления, которые в противном случае возникли бы при таком расширении. Крупные американские локомотивы использовали два перекрестно-соединенных паровых воздушных компрессора, например Westinghouse 8 1/2" 150 D, для тормозной системы поезда.