Введение
Тип паровой машины, использующий вращающиеся паровые клапаны.
Паровой двигатель Корлисса (или двигатель Корлисса) – это паровой двигатель, оснащенный вращающимися клапанами и механизмом изменения фаз газораспределения, запатентованный в 1849 году, изобретенный и названный в честь американского инженера Джорджа Генри Корлисса из Провиденса, штат Род-Айленд. Двигатели с клапанным механизмом Корлисса обеспечивали наилучший термический КПД среди всех типов стационарных паровых двигателей до усовершенствования двигателей однопоточного типа и паровых турбин в 20-м веке. Двигатели Корлисса, как правило, были на 30 процентов экономичнее обычных паровых двигателей с фиксированным моментом отсечки. Эта повышенная эффективность сделала паровую энергию более выгодной по сравнению с энергией воды, что позволило промышленности развиваться вне зависимости от мельничных прудов. Двигатели Корлисса обычно использовались в качестве стационарных двигателей для передачи механической энергии на приводные валы на фабриках и мельницах, а также для привода динамо-машин для выработки электроэнергии. Многие из них были довольно большими, высотой в несколько метров и развивали несколько сотен лошадиных сил, хотя и на низкой скорости, вращая массивные маховики весом в несколько тонн со скоростью около 100 оборотов в минуту. Некоторые из этих двигателей выполняют необычные функции как действующие механические системы, и благодаря их относительно высокой эффективности и низким требованиям к обслуживанию, некоторые продолжают эксплуатироваться в начале 21-го века. Примеры можно увидеть на пивоварне Hook Norton и на Distillerie Dillon, согласно списку действующих двигателей.
Механизмы двигателей Corliss
Двигатели Corliss имеют четыре клапана на каждый цилиндр, при этом паровые и выпускные клапаны расположены на каждом конце. Двигатели Corliss включают в себя существенные усовершенствования как в конструкции самих клапанов, так и в клапанном механизме – то есть в системе тяг, приводящей клапаны в действие. Использование отдельных клапанов для подачи пара и выпуска отработанного пара означает, что ни клапанам, ни паровым каналам между цилиндрами и клапанами не требуется изменять температуру в течение цикла работы и выпуска, а также позволяет независимо регулировать моменты открытия клапанов подачи и выпуска. В отличие от этого, в обычных паровых двигателях используется золотниковый или поршневой клапан, который попеременно подает пар и выпускает отработанный пар через каналы к каждому концу цилиндра. Эти каналы подвергаются значительным колебаниям температуры во время работы двигателя, и внутри клапанного механизма возникают большие температурные градиенты. Кларк (1891) отмечал, что клапанный механизм Корлисса «по сути представляет собой комбинацию элементов, ранее известных и использовавшихся по отдельности, влияющих на цилиндр и клапанный механизм». Происхождение клапанного механизма Корлисса в связи с предыдущими конструкциями паровых клапанов было прослежено Инглисом (1868).
Корлисс клапанная передача
Джордж Корлис получил патент на свой клапанный механизм 10 марта 1849 года. Этот патент охватывал использование запястной пластины для передачи движения клапана от одного эксцентрика к четырем клапанам двигателя, а также использование трип-клапанов с переменным отсеком, управляемых регулятором, которые являются характерной особенностью двигателей Corliss. В отличие от более поздних двигателей, большинство из которых были горизонтальными, этот патент описывает вертикальный цилиндровый двигатель с балкой, использующий отдельные сдвижные клапаны для впуска и выпуска пара на каждом конце цилиндра. Впускные клапаны открываются эксцентриковым приводом с храповиком; когда храповик отключается, быстрое закрытие демпфируется с помощью демпфера. Во многих двигателях тот же демпфер действует как вакуумная пружина, закрывая клапаны, но в ранних двигателях Корлисса скорость была достаточно низкой, чтобы клапан закрывался под весом поршня и штока демпфера. Скорость двигателя Corliss регулируется путем изменения момента отсечки пара во время каждого рабочего хода, при этом дроссель всегда остается полностью открытым. Для этого центробежный регулятор связан с парой кулачков, по одному для каждого впускного клапана. Эти кулачки определяют момент хода поршня, когда храповик освобождается, позволяя клапану закрыться. Как и во всех паровых двигателях с регулируемым отсеком, преимущество регулирования заключается в том, что большая часть рабочего хода обеспечивается расширением пара в цилиндре после закрытия впускного клапана. Это гораздо ближе к идеальному циклу Карно, чем в двигателе, где впускной клапан открыт на протяжении всего рабочего хода, а скорость регулируется дроссельным клапаном. Клапанный механизм Корлисса обеспечивал более равномерную скорость и лучшую реакцию на изменение нагрузки, что делало его подходящим для таких применений, как вальцы и прядильные машины, и значительно расширило его использование в производстве.
Корлисс клапаны
Корлисские клапаны открываются непосредственно в цилиндр. Клапаны соединяют цилиндр с отдельными камерами для подачи пара и выпуска отработавшего пара. Изначально Корлис использовал золотниковые клапаны с линейными приводами, но к 1851 году перешел на полувращающиеся приводы клапанов, что задокументировано в патенте США № 8253. В этом двигателе шатун был перемещен в центр боковой стороны цилиндра, как и в более поздних двигателях Корлиса. Однако это все еще был пусковой двигатель, и полувращающиеся приводы клапанов управляли линейными золотниками внутри четырех клапанных корпусов двигателя. Корлисские клапаны имеют форму небольшого кругового сегмента, вращающегося внутри цилиндрической поверхности клапана. Их приводной механизм расположен со смещением от оси клапана, благодаря чему у них мало "мертвого пространства", например, стержня тарельчатого клапана, и вся площадь портов может быть эффективно использована для потока газа. Поскольку площадь клапана Корлисса мала по сравнению с площадью портов, воздействие потока газа создает относительно небольшой крутящий момент на вал клапана по сравнению с некоторыми другими типами клапанов. Эти преимущества привели к тому, что клапан конструкции Корлиса стал использоваться в других областях, помимо паровых двигателей с механизмом Корлиса. Авиационный двигатель Rolls Royce Merlin использовал прямоугольный дроссельный клапан в качестве регулятора мощности. Силы потока газа, действующие асимметрично на этот клапан, могли приводить к плохому управлению мощностью в определенных условиях. В более поздних моделях, начиная с 134, был использован дроссельный клапан конструкции Корлиса для устранения этой проблемы.
Двигатели с замыкающимися и замыкающимися
Общая особенность больших двигателей Корлисса — один или два набора узких зубьев шестерни на ободе маховика. Эти зубья позволяют провернуть маховик вручную, то есть повернуть его с помощью монтировки. Это может потребоваться при обслуживании двигателя, например, для установки момента отсечки и фаз газораспределения, а также при запуске двигателя. Необходимость ручного проворачивания двигателя при запуске наиболее очевидна на одноцилиндровых двигателях, где неосторожный оператор может остановить двигатель, когда поршень находится в верхней или нижней мертвой точке. После остановки в таком положении двигатель не может быть запущен самостоятельно, поэтому его необходимо провернуть в более благоприятное для запуска положение. Большие двигатели Корлисса нельзя безопасно запускать холодными, поэтому обычно подают пар низкого давления с обеих сторон цилиндра для прогрева металлических частей. Медленное вращение двигателя в процессе прогрева обеспечивает равномерный нагрев всего механизма и равномерное распределение масла по нему перед подачей мощности. Для этого также можно использовать ручное проворачивание, хотя операторы иногда делают это путем аккуратной ручной регулировки клапанов. Для больших двигателей ручное проворачивание достаточно трудоемко, поэтому часто устанавливают специальные двигатели для проворачивания. Это небольшие двигатели с зубьями шестерни, которые соответствуют зубьям на маховике. Обычно приводные шестерни двигателя для проворачивания сконструированы так, чтобы автоматически отключаться, если основной двигатель начнет работать самостоятельно при включенных шестернях для проворачивания.
История компании
Компания Corliss Steam Engine Company первоначально была известна как Fairbanks, Clark & Co. в 1830-х годах. В 1843 году компания была переименована в Fairbanks, Bancroft & Co., когда к ней присоединился Эдвард Банкрофт. В 1846 году компания была переименована в Bancroft, Nightingale & Co., когда к ней присоединился Джордж Корлис, а в 1847 году – в Corliss, Nightingale and Co. В 1848 году компания переехала к железнодорожному переезду на улице Чарльз в Провиденсе, штат Род-Айленд. В 1857 году компания была переименована в Corliss Steam Engine Company – в последний раз. К 1864 году Корлис выкупил доли своих партнеров и стал единоличным владельцем компании. В 1900 году Corliss Steam Engine Company была приобретена International Power Company. В 1905 году она была приобретена American and British Manufacturing Company. В 1925 году компания вошла в состав Franklin Machine Company. К тому времени Franklin Machine Company уже принадлежала William A. Harris Steam Engine Company. К 1859 году все ключевые особенности двигателя Корлисса, известного нам сегодня, были окончательно сформированы. Патенты, выданные Корлису и другим изобретателям, предусматривали использование роторных клапанов и коленчатых валов, расположенных в одной линии с цилиндрами. См., например, патент США № 24 618, выданный Корлису 5 июля 1859 года. Конкурирующие изобретатели активно работали над созданием альтернатив механизмам Корлисса; они, как правило, избегали использования им запястной пластины и применяли альтернативные механизмы для открытия паровых клапанов, как в патенте США № 19 640, выданном Джеймсону 16 марта 1858 года. Патент Корлисса 1849 года истек в 1870 году; срок действия этого патента был продлен патентами США № 200 от 13 мая 1851 года, а также № 758 и 763 от 12 июля 1859 года. Компания B. Hick and Son первой представила двигатель Корлисса в Соединенном Королевстве примерно в 1864 году. После 1870 года многие другие компании начали производство двигателей Корлисса. Среди них – William A. Harris Steam Engine Company, Worthington Pump and Machinery Company и Allis Chalmers. В целом, эти машины назывались двигателями Корлисса, независимо от производителя.
Столетний двигатель
Двигатель Corliss Centennial был всеобъемлющим, специально построенным ротативным паровым двигателем, который приводил в действие практически все экспонаты на выставке столетия Соединенных Штатов в Филадельфии в 1876 году через валы общей длиной более мили. Двигатель был запущен президентом Улиссом Грантом и императором Педру II Бразилии и оставался на всеобщем обозрении на протяжении всей ярмарки. Двигатель представлял собой два цилиндра, расположенных бок о бок. Диаметр каждого цилиндра составлял с рабочим ходом 10 футов (3 м). Двигатель Centennial имел высоту 45 футов (14 м), маховик диаметром 30 футов (9 м) и развивал После ярмарки он был разобран и отправлен обратно на завод Corliss в Провиденсе. Семь лет спустя он был продан и использовался на фабрике в Чикаго, принадлежащей Джорджу Пуллману, до 1910 года, когда был продан на металлолом. Этот двигатель стал культурной иконой, настолько, что для многих современных историков термин "двигатель Корлисса" (или "паровая машина Корлисса") относится именно к этому двигателю, а не к широкому классу двигателей, оснащенных клапанным механизмом Корлисса.
Список двигателей, работающих
Местоположение Дата изготовления Дата установки Мощность (л.с.) RPM Источник Альберт Сити Threshermen & Collector Showca. 1920 Неизвестно 125 120 Амадорская пилорама 1904 2007 60 100 Антикварный музей газовых и паровых двигателей 1911 1978 Неизвестно 80 Антикварный музей газовых и паровых двигателей 1900 1986 Неизвестно Неизвестно Высшая школа инженерии искусств и ремесел в Лилле 1900 1900 75 60 Амбар Бэнкрофта 1920 1920 600 68 Музей пара Болтона 1902 1992 180 75 Музей пара Болтона 1914 1995 250 Неизвестно Насосная станция Братч 1894 или 1895 1895 или 1896 Неизвестно 24 Мельница Колдхарбор 1910 Неизвестно 300 Неизвестно Ассоциация антикварной техники Коннектикута 1910 2008 100 Неизвестно Фермерский парк Дентон 1905 Неизвестно 350 Неизвестно Дистиллерия Диллон 1922 Неизвестно Неизвестно Неизвестно Мельница Элленроуд Ринг 1892 Неизвестно 2650 59 Музей керамики Гладстоун Неизвестно 1925 Неизвестно Неизвестно Музей сельского хозяйства и промышленности имени Гленна Биди 1923 1992 100 100 Общественный музей Гранд-Рапидс 1905 Неизвестно Неизвестно Неизвестно Ресурсный центр Гленвуд 1907 19 декабря 1907 Неизвестно 120 Музей пара Хестон Неизвестно Неизвестно Неизвестно Неизвестно Пивоварня Хук Нортон Неизвестно 1899 25 Неизвестно Музей паровой техники Маркхэм Грейндж 1909 1998 700 80 Насосная станция Милл Мис Неизвестно Неизвестно Неизвестно Неизвестно Музей промышленного наследия Миссисипи 1905 2008 Неизвестно Неизвестно Музей сахарного тростника Museo de la Caña de Azucar, Hacienda Piedechinche Неизвестно 1950 Неизвестно Неизвестно Национальный музей промышленной истории 1913 2015 400 42 [53] Музей беспроводной связи и пара Новой Англии 1892 1978 150 80 Музей беспроводной связи и пара Новой Англии 1892 1977 150 80 Музей беспроводной связи и пара Новой Англии 1911 1969 150 80 Ассоциация антикварной техники Нитани Неизвестно 150 Неизвестно Музей наследия старых решетомолотов Old Thresher's Reunion Heritage Museum Неизвестно Неизвестно 750 36 Музей наследия старых решетомолотов Old Thresher's Reunion Heritage Museum 1920 Неизвестно 600 150 Ярмарочные площадки округа Пони 1912 Неизвестно Неизвестно 150 Мельница Куин-стрит 1895 1895 500 68 Сахарный завод Сарая Неизвестно 1925 Неизвестно Неизвестно Музей науки в Лондоне: двигатель Burnley Ironworks 1903 1903 700 76 Клуб антикварной техники округа Стивенсон в Фрипорте, Иллинойс 1914 1989 1500 45 The Henry Ford 1859 Неизвестно 500 70 The Steam Museum 1900 1986 100 90 Музей пара Токомару 1916 1976 335 60 Мельница Тренчерфилд 1907 1907 2500 68 Западный музей горного дела и промышленности 1895 Неизвестно 500 100