Паровая машина тройного расширения принцип работы

Содержание

Компаундный паровой двигатель
Компаундный двигатель внутреннего сгорания
Преимущества и недостатки
Читайте также
Комментарии

Принцип работы: данный двигатель имеет два (или более) рабочих цилиндра разного диаметра. В случае паровой компаунд-машины (синоним парового компаундного двигателя) свежий пар из котла подается в меньший цилиндр высокого давления. Если же речь идет о поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС), то рабочее тело ¬– продукты сгорания топлива – образуется непосредственно в цилиндре. Отработав там (первое расширение), рабочее тело переходит в больший цилиндр низкого давления, где совершает второе расширение. При такой схеме работы полнее используется энергия рабочего тела и, соответственно, повышается КПД двигателя.

Как правило, под компаундным подразумевают поршневой двигатель, однако существует вариант, где для утилизации остаточной энергии отработавших газов используется турбина. Такой двигатель называют турбокомпаундным.

Компаундный паровой двигатель

Упрощённая схема паровой компаунд-машины тройного расширения:

Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через двигатель, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).

Большим минусом компаунд-машины, который выявило применение на паровозах, является невозможность трогания, если поршень в цилиндре высокого давления остановился в мертвой точке. Чтобы преодолеть этот недостаток паровозы с компаундной паровой машиной получили сложные приборы трогания, подающие кратковременно свежий пар сразу в два цилиндра.

На паровозах использовалось несколько вариантов компаундов:

цилиндры высокого и низкого давления располагаются параллельно один под другим снаружи рамы и работают на общий ползун. Данную схему имели паровозы американской постройки серий «B» и «X»;
цилиндры располагаются последовательно на общем длинном штоке (тандем-машина). По такой схеме строились российские паровозы серий «Р» и «П»;
Система де Глена — дополнительные цилиндры располагаются внутри рамы и работают на коленчатую ось. По данной схеме выпускались паровозы серии «У», а также опытный чехословацкий паровоз «18-01». В поздних сериях паровозов компаунд-машины не применялись из-за присущих им недостатков, добиваясь экономичности за счет перегрева пара.

Существенный вклад в изучение и применение паровой компаунд-машины на паровозах внёс российский инженер Александр Парфеньевич Бородин.

Компаундный двигатель внутреннего сгорания

Компаундный пятитактный двигатель внутреннего сгорания «Ilmor Engineering»

Однако возможность использования компаундного двигателя не ограничивается только паровозами. Так выставке «Engine EXPO 2009» британская фирма «Ilmor Engineering» показала публике образец пятитактного ДВС, который можно применить на автомобиле. Герхард Шмитц, автор идеи, использовал в одном моторе четырех- и двухтактную схему. Три цилиндра 5-тактного двигателя внутреннего сгорания имеют разный внутренний диаметр. Меньшие (высокого давления) – первый и третий – работают по обычному четырехтактному циклу. Средний (низкого давления) использует остаточное расширение отработавших газов из меньших цилиндров в двухтактном режиме.

Как работает компаундный ДВС: в течение первых трех тактов смесь, как в обычном четырёхтактном ДВС, всасывается, сжимается и совершает рабочий ход в малых цилиндрах. Во время 4-го такта отработавшие газы перемещаются из малых цилиндров в больший и сжимаются. Остаточное расширение газов в большем цилиндре обусловливает пятый, рабочий такт.

Преимущества и недостатки

повышение КПД мотора за счет более полного использования энергии, содержащейся в рабочем теле (паре или газах);
уменьшение температуры и давления отработавшего рабочего тела. Что позволяет уменьшить конденсатор на паровой машине или упростить глушитель на ДВС, а, следовательно, сделать эти элементы конструкции дешевле.

существенное усложнение конструкции;
возможное уменьшение удельной мощности (зависит от конкретной конструкции) из-за внедрения дополнительных цилиндров в сравнении с двигателем однократного расширения.

Опубликовано 31.03.2014

После ВМТ, в районе 20°-40°, в этот третий увеличенный цилиндр не мешало-бы впрыскивать воду в разгарячённые выпускные газы, используя энергию расширяющего пара для нехилого увеличения КПД.

А не лучше ли отправить энти газы не в третий цилиндр, а в роторный двигатель с эпитрохоидальной внутренней поверхностью? Типа Ванкеля, но с двуугольным ротором, тоже двухтактный (у Ванкеля, напомню, 4-тактник с треугольником). Проблема Ванкеля как раз была в выскоих температурах и давлении, а для утилизации выхлопных газов самое оно, можно еще и пульсацию объема синхронизировать с тактами выхлопа.

В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.

Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275-345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.

Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно легкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.

Паровые машины двойного действия

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одинарного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счет момента инерции вращающегося маховика, соединенного с паровой машиной.

В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.

Поршень такой паровой машины соединен со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.

Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более легким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.

Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колесные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.

Двухцилиндровая паровая машина спроектирована И. И. Ползуновым в 1763 году.

К 1850 г. на линейных морских судах наибольшее распространение получили двухцилиндровые паровые машины с диаметрами 37 и 80 дюймов (94 и 203 см) и ходом поршня в 11 футов (335 см). При этом давление пара котла находилось в пределах от 70 до 75 ft/кв.дюйм (4,9-5,3 кг/кв.см), что стало через 25 лет стандартом давления паровых котлов для трансатлантических пароходов.

Рис. 1.3 Четырехцилиндровый паровой двигатель двойного действия

Парораспределение.

В большинстве возвратно-поступательных паровых машин пар изменяет направление движения в каждом такте рабочего цикла, поступая в цилиндр и выходя из него через один и тот же коллектор. Полный цикл двигателя занимает один полный оборот кривошипа и состоит из четырех фаз – впуска, расширения (рабочая фаза), выпуска и сжатия. Эти фазы контролируются клапанами в "паровой коробке", смежной с цилиндром. Клапаны управляют потоком пара, последовательно соединяя коллекторы каждой стороны рабочего цилиндра с впускным и выпускным коллектором паровой машины. Клапаны приводятся в движение клапанным механизмом какого-либо типа. Простейший клапанный механизм дает фиксированную продолжительность рабочих фаз и обычно не имеет возможности изменять направление вращения вала машины. Большинство клапанных механизмов более совершенны, имеют механизм реверса, а также позволяют регулировать мощность и крутящий момент машины путем изменения "отсечки пара", то есть изменяя соотношение фаз впуска и расширения. Так как обычно один и тот же скользящий клапан управляет и входным и выходным потоком пара, изменение этих фаз также симметрично влияет на соотношения фаз выпуска и сжатия. И здесь существует проблема, поскольку соотношение этих фаз в идеале не должно меняться: если фаза выпуска станет слишком короткой, то большая часть отработанного пара не успеет покинуть цилиндр, и создаст существенное противодавление на фазе сжатия.

В 1840-х и 1850-х годах было совершено множество попыток обойти это ограничение, в основном путём создания схем с дополнительным клапаном отсечки, установленном на основном распределительном клапане, но такие механизмы не показывали удовлетворительной работы, к тому, же получались слишком дорогими и сложными. С тех пор обычным компромиссным решением стало удлинение скользящих поверхностей золотниковых клапанов с тем, чтобы впускное окно было перекрыто дольше, чем выпускное. Позже были разработаны схемы с отдельными впускными и выпускными клапанами, которые могли обеспечить практически идеальный цикл работы, но эти схемы редко применялись на практике, особенно на транспорте, из-за своей сложности и возникающих эксплуатационных проблем

Рис. 1.4 Индикаторная диаграмма, показывающая четырехфазный цикл поршневой паровой машины двойного действия

Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую "паровую подушку", замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Описанный эффект "паровой подушки" усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнет свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.

В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.

Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа. В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаундных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

Перекрестный компаунд – цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.

Тандемный компаунд – цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.

Угловой компаунд – цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте. Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определенную популярность в нескольких странах.

Рис. 1.5 Компаунд (паровой двигатель с тройным расширением пара)

Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в нее дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четверного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объема цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.

Появлению паровых поршневых машин тройного расширения пара способствовало стремление инженеров к дальнейшему наращиванию мощности, экономичности и повышению коэффициента полезного действия паровых машин. Так появился на свет трехцилиндровый компаунд с одним цилиндром высокого (ЦВД) и двумя цилиндрами низкого давления (ЦНД). Машина хорошо работала, когда судно шло полным ходом, но на малом и, особенно, на самом малом ходу второй ЦНД работал плохо, практически не увеличивая мощности машины. Поэтому было решено средний ЦНД заменить цилиндром среднего давления (ЦСД). Так получилась машина с тройным расширением пара. Часто механики ее называли просто – тройник.

Надо отметить, что в течение XIX века проектировщикам удалось добиться заметных успехов в деле совершенствования паровых поршневых машин. Вот конкретные примеры. В 1820 году удельная масса составляла 800 кг/л.с., а удельный расход топлива – 6,0 кг/(л.с.·ч). Сведения о максимальной агрегатной мощности отсутствуют. В 1850 году эти характеристики выглядели уже заметно лучше – соответственно 180…300; 4,8…6,0; максимальная мощность машины 1000 л.с. В 1870 году удельная масса уменьшилась до 120…200 кг/л.с., удельный расход топлива – до 1,1…1,8 кг/(л.с.·ч). В 1890 году значения соответствующих параметров составляли 60…120 и 0,7…1,1, а максимальная агрегатная мощность достигла 17500 л.с.

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жесткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учетом ее сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.

ВЕК ПАРА. МАШИНЫ ТРОЙНОГО РАСШИРЕНИЯ
(ТРОЙНИКИ)

Виктор Сергеевич Шитарев, капитан дальнего плавания

Увеличивалось и водоизмещение судов, для которых предназначались паровые машины. Так, построенный в 1903 году на штеттинской судоверфи "Вулкан Верфт" для судовладельца "Норддейтчер Ллойд" трансатлантический лайнер "Кайзер Вильгельм Второй" имел водоизмещение 19215 т, его длина составляла 215,48 м, ширина 21,96 м, осадка 8,84 м, а брутто регистровый тоннаж- 20000 регистровых тонн. Этот гигант приводился в движение с максимальной скоростью 23,5 узла двумя паровыми поршневыми машинами мощностью по 22000 и.л.с. и брал на борт 1888 пассажиров. Размеры его машин впечатляют: длина – 22 м, высота – 12,8 м; скорость хода поршня не превышала 3 м/с. Такие лайнеры работали на линии Европа – Америка, поэтому судовладельцы были весьма заинтересованы в увеличении их скоростных возможностей.

Но иметь скоростные суда хотели и моряки ВМФ, особенно после того, когда появилась самодвижущаяся мина Уайтхеда (торпеда). Ее изобретение привело к созданию нового класса боевых кораблей – миноносцев. Их основные козыри – торпедное вооружение и высокая скорость, которая компенсировала отсутствие брони. Корабли этого класса должны были иметь малые размеры (их водоизмещение составляло около 100 тонн). Для них потребовались мощные, экономичные и легкие машины. Основными недостатками миноносцев той поры были неважная мореходность, малый радиус действия, из-за чего они не могли действовать в составе эскадры боевых кораблей (основных сил ВМФ). Поэтому в начале 90-х годов ХIХ века встал вопрос о создании миноносцев, способных вести боевые действия в составе эскадры. Несколько позже их стали называть эскадренными миноносцами или просто эсминцами.

Главная практическая трудность заключалась в создании энергетической установки мощностью около 4000 и.л.с. В 1891 году английский инженер и предприниматель Э. Ярроу спроектировал и начал постройку для английского ВМФ эсминцев водоизмещением 220 тонн. Головной эсминец "Хэвок" показал на ходовых испытаниях скорость хода более 27 узлов. Английское адмиралтейство, не посчитавшись с интересами фирмы Э. Ярроу, разослало чертежи машин "Хэвока" различным предприятиям и заказало на них более 40 подобных кораблей. Это стало известно командованию Балтийского флота России из донесений морского атташе в Англии капитана 1 ранга З.П. Рожественского.

В начале января 1894 года Э. Ярроу обратился с письмом на имя начальника Главного управления кораблестроения и снабжений П.П. Тыртова, в котором сообщалось, что его фирма была бы "рада построить такое судно" для русского флота. Надо заметить, что паровые машины тройного расширения пара и паровые котлы для них были спроектированы самим Э. Ярроу. Рассчитывая на крупный заказ, он значительно усовершенствовал предлагаемый России эсминец, назначив за него цену 38000 фунтов стерлингов. В проекте контракта на строительство впервые в мировой практике оговаривалась контрактная скорость полного хода "истребителя" (от английского destroyer), равная 29 узлам. Контракт на строительство "уничтожителя миноносцев" был подписан 30 мая 1894 года в Лондоне.

С учетом пожеланий заказчика эсминец должен был иметь нормальное водоизмещение 220 т, длину 58 м, ширину 5,3 м, осадку носом 1,45 м, кормой – 1,55 м, с винтами – 2,24 м. Винты были бронзовыми трехлопастными диаметром 1,98 м. Две вертикальные паровые машины тройного расширения должны были при 400 об/мин развивать суммарную индикаторную мощность 3800 и.л.с. Восемь водотрубных паровых котлов треугольного типа системы Ярроу обеспечивали давление пара 14 атмосфер, имели поверхность нагрева 96,7 м2 каждый. Они размещались в двух котельных отделениях, каждые два соседних котла имели одну общую дымовую трубу высотой 3 м и диаметром 0,76 м.

Проектом предусматривались жилые помещения для 43 матросов и унтер-офицеров, четырех офицеров и командира корабля (отдельная каюта). Итак, 18 января 1895 года эсминец был включен в списки флота под названием "Сокол". Предварительные ходовые испытания на мерной миле проводились 17 августа, эсминец на протяжении 2,5 ч шел со скоростью 29,35 узла. Официальные ходовые испытания состоялись 25 августа. При соблюдении всех контрактных условий "Сокол" показал среднюю скорость 29,77 узла; при этом машины давали 405 оборотов в минуту, развивая мощность 3900 и.л.с. при давлении пара в котлах 12 ати. Когда же машинам дали 418 оборотов в минуту, эсминец развил среднюю скорость хода 30,285 узла без особой форсировки котлов и механизмов.

Так впервые в мире с помощью паровой поршневой машины тройного расширения пара был покорен 30-узловой рубеж скорости хода морского судна. Благополучно совершив переход из Англии, "Сокол" 16 октября 1895 года пришел в Кронштадт, а через 10 дней был подписан акт о его приеме в казну. В последующие годы корабль, отличавшийся высокой надежностью механизмов, использовался для опытов в минном деле и обучения машинных команд строившихся эсминцев этого типа. В марте 1902 года "Сокол" переименовали в "Прыткий", однако и в дальнейшем корабли, построенные в 1896 – 1904 годах на отечественных заводах по его чертежам, продолжали называть эсминцами типа "Сокол".

До начала Первой мировой войны "Прыткий" плавал в составе VI дивизиона минной дивизии Балтийского флота, а затем использовался в качестве посыльного судна. В январе 1916 года его переоборудовали в быстроходный минный тральщик. Во втором дивизионе траления он находился до конца компании 1917 года. Летом 1918 года по указанию В.И. Ленина "Прыткий" с тремя однотипными кораблями по внутренним водным путям перегнали на Волгу в состав Волжской военной флотилии, где он был переклассифицирован в миноносец. С 31 июля 1919 года он действовал в составе Волжско-Каспийской флотилии, затем 5 июля 1920 года был передан в третий дивизион миноносцев Морских сил Каспийского моря. Корабль принимал активное участие в боевых действиях. С завершением Гражданской войны, 16 августа 1922 года "Прыткий" был исключен из списков ВМФ и сдан на слом.

Паровые вертикальные машины тройного расширения получили самое широкое распространение на всех типах морских судов. Наиболее часто они строились в трехцилиндровом варианте: ЦВД, ЦСД и ЦНД. Машины мощностью до 1000 л.с. устанавливались на морских рыболовных траулерах. Использовались такие энергетические установки и на ледокольных судах. Например, линейный ледокол "И. Сталин" имел три машины по 3800 л.с. Для отечественных пассажирских судов была спроектирована машина мощностью 6000 л.с. Грузовые суда оснащались машиной мощностью 2800 л.с. Для буксиров были созданы машины мощностью 500…800 л.с. Одним словом, ряд этих машин был весьма значительным.

В погоне за экономичностью и высоким к.п.д. машины тройного расширения строили и четырехцилиндровыми. Например, на легендарном крейсере "Варяг" стояли три "тройника" мощностью около 7000 л.с. каждый. Машины имели четыре цилиндра: один ЦВД, один ЦСД и два ЦНД. Практика их эксплуатации показала, что на малом и самом малом ходах один из ЦНД работал неэффективно.
В общем, паровые поршневые машины оставили свой достойный след в истории мирового морского флота.

Паровая машина тройного расширения принцип работы

Компаундный паровой двигатель

Компаундный двигатель внутреннего сгорания

Преимущества и недостатки

Читайте также

Комментарии