Парораспределение в машинах компаунд одинарного действия
Точнее, продолжение предыдущей части про машину Вестингауза. У Кеннеди всё же редкостно сумбурное изложение и полное отсутствие системы что в порядке, что в именовании глав. Что усугубляется тормознутостью планшета. Хотя, чувствую, в бумаге было бы труднее сдержать порывы разобрать книги физически и переставить до хоть какого-то отношения подобного к подобному.
Распределение пара в машине компаунд Вестингауза особенно ново и любопытно использованием единственного золотника/клапана вместо от двух до восьми их, как делают обычно. (Это лёгкое преувеличение, восемь клапанов таки можно встретить лишь в машине двойного действия.) Основы двукратного расширения пара в наше время настолько общеизвестны, что нам надо лишь бегло упомянуть их. Источник наибольших потерь в паровой машине - внутренняя конденсация, и цели многократного расширения в уменьшении этих потерь. Когда пар входит в цилиндр машины, сперва он нагревает его стенки почти до собственной температуры, от этого часть его конденсируется сразу. Когда пар расширяется после отсечки, его температура понижается, и после любого стоящего того расширения ко времени открытия выпуска становится на много градусов холоднее цилиндра. Естественно, тепло переходит от стенок цилиндра к пару на протяжении выпуска путём переиспарения воды, сконденсировавшейся при впуске, охлаждая стенки, и гарантируя конденсацию части пара при следующем впуске. Кратко, часть пара резко конденсируется прежде чем может совершить любую работу, и переиспаряется после, когда работу делать уже поздно, и теряется в выпуск.
Чем выше начальное давление и чем меньше температура отработанного пара, тем больше эти потери. Для любых данных начального и выпускного давления же их величина практически постоянна, с увеличением степени расширения же она составляет всё больший процент от используемого пара. В машине простого расширения после некоторой очень невысокой степени расширения потери от конденсации начинают перевешивать выгоду от дальнейшего расширения. (В первую очередь это конечно относится к насыщенному пару, но…) В машине двукратного расширения же мы делим разность температур между впуском и выпуском на два цилиндра, так что максимально возможная разность температур между паром и стенками в любом месте машины становится гораздо меньше, соответственно уменьшается и количество тепла, доступного для бесполезной передачи. Вдобавок, конденсация в цилиндре высокого давления не теряется полностью, так как переиспарившийся пар не выбрасывается, а переходит в цилиндр низкого давления, где совершает работу, частично компенсируя потери уже в нём.
Возьмём для примера две машины с выхлопом в атмосферу, одну простую, другую компаунд, получающие пар с давлением 7 бар по манометру. В первом случае в цилиндре температуры будут меняться от 170 до 100⁰C (забавно: в оригинале это были некруглые 338 и 212⁰F, но 100 и 30 psi, что намекает на обратный перевод единиц автором, работавшим то ли в смеси цельсиев с псями, то ли полностью в метрической системе), с разностью в 70⁰C. Во втором, если мы перепускаем пар из цилиндра высокого давления в цилиндр низкого при 2 бар (135⁰C), в каждом цилиндре перепад температур будет примерно вдвое меньше. Если обе машины расширяют пар в одинаковое число раз, и крутятся с одинаковой скоростью поршня, производя одинаковую мощность, цилиндр низкого давления машины компаунд будет практически того же размера, что (единственный) цилиндр машины простого расширения (кстати правило: мощность машины многократного расширения можно оценить, считая объём последнего цилиндра на давление в первом), и соответственно потери в первой будут составлять лишь половину от потерь во второй. Цилиндр высокого давления компаунда имеет площадь намного меньше, соответственно меньше в нём будет и теплопередача, а большая часть потерь в нём примет вид пара с давлением 2 атм, и неплохим запасом энергии, который отдаст во втором цилиндре.
Небольшие картинки (Фиг. 48, 49, 51 и 52) показывают относительные положения поршней и золотника в четыре момента одного оборота. Перепускной клапан, чьё назначение будет объяснено позже, для простоты показан в виде крана и закрытым, что его нормальное состояние во время работы машины.
На Фиг. 48 поршень высокого давления начинает рабочий ход вниз, а поршень низкого собирается идти обратно, вверх. Золотник движется влево, отошёл от среднего положения ровно на величины перекрыши и опережения, и как раз начинает открывать окна из объёма свежего пара S. Правый край золотника, не имея перекрыши, уже открыл часть канала из цилиндра низкого давления. Двигаясь дальше влево, золотник впустит свежий пар из объёма S в пространство вокруг своей шейки, и через него в канал к ЦВД, толкая поршень высокого давления вниз. В то же время кривошип вала гонит поршень низкого давления вверх, отработанный пар выходит через открытое окно в правую часть золотниковой коробки, из неё в камеру мятого пара E, и наконец в присоединённую к ней выпускную трубу. После прохождения части оборота, зависящей от положения регулятора, золотник доходит до конца своего хода влево и возвращается в то положение, где он только перекрывает впускные окна, но двигаясь уже вправо. (Да, впуск свежего пара в машину - событие короткое и полностью помещается между двумя картинками. Пушо экономичность.) Выпускной край золотника за неимением перекрыши снова ещё не полностью запер окно ЦНД. Поршни имеют положение, показанное на Фиг. 49.
Обратимся к условной индикаторной диаграмме, Фиг. 50. Индикатор, соединёный с цилиндром высокого давления описал бы линию впуска ab, когда индикатор цилиндра низкого давления описал бы соответственную часть линии выпуска fg.
Пока поршни продолжают свой ход, пар в ЦВД и пространстве вокруг шейки золотника расширяется, а золотник, продолжая свой ход вправо, закрывает канал из ЦНД раньше прихода его поршня в верхнее положение, сжимая достаточную часть отработанного пара чтобы заполнить мёртвый объём.
Смотря снова на диаграмму, в этот период индикатор цилиндра высокого давления рисует кривую линию расширения bc, а индикатор низкого закончил линию выхлопа fg и нарисовал кривую сжатия gc.
По завершению половины оборота золотник и поршни занимают положение на Фиг. 51. Поршень низкого давления начинает рабочий ход, поршень высокого давления начинает обратный. Золотник идёт вправо, и начинает открывать канал в ЦНД, и через него сообщение между двумя цилиндрами через пространство вокруг шейки клапана. Когда поршни продолжают движение, пар выпускается из цилиндра высокого давления в цилиндр низкого, пока золотник не доходит до предела своего хода вправо (снова заданного положением регулятора) и не возвращается обратно до закрытия канала ЦНД и прекращения сообщения цилиндров. В этот период индикатор цилиндра высокого давления опишет выпускную линию cd, и не будь сопротивления каналов, линия впуска низкого давления совпала бы с той же cd. Во время этой части цикла пар расширяется по причине большей площади цилиндра низкого давления, что показывает снижение давления от c к d.
Теперь золотник и поршни находятся в положении на Фиг. 52, золотник движется влево, поршни продолжают свои ходы. С этой точки до окончания оборота оставшийся в цилиндре высокого давления и вокруг шейки золотника пар сжимается почти до первоначального давления. Пар в цилиндре низкого давления продолжает расширение почти до конца хода, когда правая кромка золотника открывает его канал для выпуска. В этот период индикаторы обоих цилиндров нарисуют на диаграмме линии соответственно da и def, а золотник и поршни придут в обратно в положение на Фиг. 48, чтобы начать весь цикл заново.
Очень большой мёртвый объём стороны высокого давления, состоящее из объёмов не только канала и обычного зазора между поршнем и крышкой, но вдобавок из объёма вокруг шейки клапана, постоянно соединённого с цилиндром, на первый взгляд кажется противоречащим всем идеям экономичной работы.
Однако этот объём, никогда не открывающийся прямо в выпуск, не создаёт потерь от расширения в_пустую, и является нисколько не бабайкой популярных суеверий, но тщательно рассчитанной фичей совершенно определённых размеров. В нём кроется секрет одинаковой экономичности машин компаунд Вестингауза под широким диапазоном нагрузок.
Перепускной клапан, ранее для ясности замятый под видом обычного крана, всего лишь удобство для запуска. Если машина остановилась с поршнем высокого давления в начале хода, она может быть пущена без открытия перепуска. Но если же в начале хода встал поршень низкого давления, как на Фиг. 51, золотник перекрывает окна впуска свежего пара и пуск в таком положении невозможен. Открытие крана, показанное на Фиг. 53, подаёт пар в пространство вокруг золотника, который в это время собирается двигаться вправо и пускает пар в оба цилиндра. Но из-за большей площади поршня низкого давления, он идёт вниз, пересиливая поршень высокого. По завершении половины оборота золотник закрывает канал в цилиндр низкого давления, оставляя давление пара лишь на поршень высокого, который соответственно опускается и завершает оборот. Это единственное назначение перепускного клапана, он должен быть закрыт как только машина наберёт обороты, перед тем как полностью открывать запорный кран.
(Добавлю: этот байпас всё равно не позволяет запустить машину когда поршни во второй половине хода, и золотник стоит на фазе расширения, перекрывая подачу пара в оба цилиндра. Всей разницы - придётся ли тебе прокручивать машину ломиком на половину оборота или аж на целых полтора. Не нужен.)
Вид хомута эксцентрика, его тяги и соединений золотника показан более подробно на Фиг. 55 для освещения замечательных устройств смазки, но кратко будут упомянуты и отдельные части. Эксцентрик имеет сферическое сечение для компенсации небольшого поперечного смещения тяги, действующей на одно плечо Г-образного рычага качалки. Хомут эксцентрика залит баббитом и тщательно пришабрен к эксцентрику, боковые фланцы хомута обнимают края эксцентрика для удержания масла. Хомут разделён на две половины и имеет регулировочные прокладки на стыках для компенсации износа. Эксцентриковая тяга полая и крепится к хомуту с возможностью быстрой регулировки длины. Верхний конец тяги соединён с плечом качалки через шаровой шарнир.
Качалка имеет точкой опоры закалённую ось, держащийся в опорах, прикреплённых болтами к нижней части золотниковой коробки. Верхнее её плечо соединено с концом штока золотника парой коротких тяг на (снова) закалённых осях. Все оси в распределительном механизме работают в сменных бронзовых втулках.
Стеклянная маслёнка имеет три отвода. Один роняет масло в длинную канавку на верхней стороне одной из тяг штока золотника, показанную пунктиром. Оси тяг высверлены , их концы заткнуты пробочками, и в разных частях поверхности просверлены тонкие отверстия, соединяющие ту с внутренней полостю. Отверстия просверлены вертикально в концах канавки тяги, и через бок каждой оси, соединяясь с полостью в середине. Длина канавки в тяге больше хода золотника, потому регулярно капающее в неё масло стекает к середине каждой оси, и исправно распределяется по всей поверхности трения.
Две длинных трубки от маслёнки, из которых один находится прямо за другим и не виден на рисунке, подают масло в два углубления на середине качалки, по обоим сторонам вертикальной её части. Из одного масло распределяется по специальным канавкам по всей длине опорной оси. Из другого идёт через просверленный канал, показанный пунктиром, к шаровому шарниру. Масло поступает к нему щедро, а излишек стекает вниз по полой тяге, где смазывает эксцентрик.
Фиг. 56 показывает обычный тип высокоскоростной машины двойного действия от гг. Дэви, Паксмена и компании, разработанной для электрогенераторов и оснащённой особым регулятором.
Итак, машины высокой скорости вращения были описаны полностью и каждый тип их проиллюстрирован. Сейчас они имеют преходящее значение, развивавшись бок-о-бок с динамо, и составляя вместе с паровым котлом самого до недавнего времени дешёвого производителя электроэнергии. Но со всех сторон нет сомнения что газовый двигатель с динамо показывает серьёзное уменьшение цены электричества, и в скором будущем соревнование между двумя первичными двигателями будет напряжённым.
Пост получился длинным, спать давно пора, так что мои комментарии и дополнения последуют отдельно. Скажу лишь что сферический эксцентрик с качающимся хомутом - треш и содомия. Непонятно почему нельзя было соединить с шариком на качалке таким же коротеньким шатуном, поставив промежуточную направляющую. А вот хомут с фланцами для удержания масла прекрасная идея. Моделисты обычно делают фланцы наоборот, на вращающемся диске, и они наоборот должны разбрасывать вытекающее из-под хомута масло. Благо излишков его там не бывает.
Распределение пара в машине компаунд Вестингауза особенно ново и любопытно использованием единственного золотника/клапана вместо от двух до восьми их, как делают обычно. (Это лёгкое преувеличение, восемь клапанов таки можно встретить лишь в машине двойного действия.) Основы двукратного расширения пара в наше время настолько общеизвестны, что нам надо лишь бегло упомянуть их. Источник наибольших потерь в паровой машине - внутренняя конденсация, и цели многократного расширения в уменьшении этих потерь. Когда пар входит в цилиндр машины, сперва он нагревает его стенки почти до собственной температуры, от этого часть его конденсируется сразу. Когда пар расширяется после отсечки, его температура понижается, и после любого стоящего того расширения ко времени открытия выпуска становится на много градусов холоднее цилиндра. Естественно, тепло переходит от стенок цилиндра к пару на протяжении выпуска путём переиспарения воды, сконденсировавшейся при впуске, охлаждая стенки, и гарантируя конденсацию части пара при следующем впуске. Кратко, часть пара резко конденсируется прежде чем может совершить любую работу, и переиспаряется после, когда работу делать уже поздно, и теряется в выпуск.
Чем выше начальное давление и чем меньше температура отработанного пара, тем больше эти потери. Для любых данных начального и выпускного давления же их величина практически постоянна, с увеличением степени расширения же она составляет всё больший процент от используемого пара. В машине простого расширения после некоторой очень невысокой степени расширения потери от конденсации начинают перевешивать выгоду от дальнейшего расширения. (В первую очередь это конечно относится к насыщенному пару, но…) В машине двукратного расширения же мы делим разность температур между впуском и выпуском на два цилиндра, так что максимально возможная разность температур между паром и стенками в любом месте машины становится гораздо меньше, соответственно уменьшается и количество тепла, доступного для бесполезной передачи. Вдобавок, конденсация в цилиндре высокого давления не теряется полностью, так как переиспарившийся пар не выбрасывается, а переходит в цилиндр низкого давления, где совершает работу, частично компенсируя потери уже в нём.
Возьмём для примера две машины с выхлопом в атмосферу, одну простую, другую компаунд, получающие пар с давлением 7 бар по манометру. В первом случае в цилиндре температуры будут меняться от 170 до 100⁰C (забавно: в оригинале это были некруглые 338 и 212⁰F, но 100 и 30 psi, что намекает на обратный перевод единиц автором, работавшим то ли в смеси цельсиев с псями, то ли полностью в метрической системе), с разностью в 70⁰C. Во втором, если мы перепускаем пар из цилиндра высокого давления в цилиндр низкого при 2 бар (135⁰C), в каждом цилиндре перепад температур будет примерно вдвое меньше. Если обе машины расширяют пар в одинаковое число раз, и крутятся с одинаковой скоростью поршня, производя одинаковую мощность, цилиндр низкого давления машины компаунд будет практически того же размера, что (единственный) цилиндр машины простого расширения (кстати правило: мощность машины многократного расширения можно оценить, считая объём последнего цилиндра на давление в первом), и соответственно потери в первой будут составлять лишь половину от потерь во второй. Цилиндр высокого давления компаунда имеет площадь намного меньше, соответственно меньше в нём будет и теплопередача, а большая часть потерь в нём примет вид пара с давлением 2 атм, и неплохим запасом энергии, который отдаст во втором цилиндре.
Небольшие картинки (Фиг. 48, 49, 51 и 52) показывают относительные положения поршней и золотника в четыре момента одного оборота. Перепускной клапан, чьё назначение будет объяснено позже, для простоты показан в виде крана и закрытым, что его нормальное состояние во время работы машины.
На Фиг. 48 поршень высокого давления начинает рабочий ход вниз, а поршень низкого собирается идти обратно, вверх. Золотник движется влево, отошёл от среднего положения ровно на величины перекрыши и опережения, и как раз начинает открывать окна из объёма свежего пара S. Правый край золотника, не имея перекрыши, уже открыл часть канала из цилиндра низкого давления. Двигаясь дальше влево, золотник впустит свежий пар из объёма S в пространство вокруг своей шейки, и через него в канал к ЦВД, толкая поршень высокого давления вниз. В то же время кривошип вала гонит поршень низкого давления вверх, отработанный пар выходит через открытое окно в правую часть золотниковой коробки, из неё в камеру мятого пара E, и наконец в присоединённую к ней выпускную трубу. После прохождения части оборота, зависящей от положения регулятора, золотник доходит до конца своего хода влево и возвращается в то положение, где он только перекрывает впускные окна, но двигаясь уже вправо. (Да, впуск свежего пара в машину - событие короткое и полностью помещается между двумя картинками. Пушо экономичность.) Выпускной край золотника за неимением перекрыши снова ещё не полностью запер окно ЦНД. Поршни имеют положение, показанное на Фиг. 49.
Обратимся к условной индикаторной диаграмме, Фиг. 50. Индикатор, соединёный с цилиндром высокого давления описал бы линию впуска ab, когда индикатор цилиндра низкого давления описал бы соответственную часть линии выпуска fg.
Пока поршни продолжают свой ход, пар в ЦВД и пространстве вокруг шейки золотника расширяется, а золотник, продолжая свой ход вправо, закрывает канал из ЦНД раньше прихода его поршня в верхнее положение, сжимая достаточную часть отработанного пара чтобы заполнить мёртвый объём.
Смотря снова на диаграмму, в этот период индикатор цилиндра высокого давления рисует кривую линию расширения bc, а индикатор низкого закончил линию выхлопа fg и нарисовал кривую сжатия gc.
По завершению половины оборота золотник и поршни занимают положение на Фиг. 51. Поршень низкого давления начинает рабочий ход, поршень высокого давления начинает обратный. Золотник идёт вправо, и начинает открывать канал в ЦНД, и через него сообщение между двумя цилиндрами через пространство вокруг шейки клапана. Когда поршни продолжают движение, пар выпускается из цилиндра высокого давления в цилиндр низкого, пока золотник не доходит до предела своего хода вправо (снова заданного положением регулятора) и не возвращается обратно до закрытия канала ЦНД и прекращения сообщения цилиндров. В этот период индикатор цилиндра высокого давления опишет выпускную линию cd, и не будь сопротивления каналов, линия впуска низкого давления совпала бы с той же cd. Во время этой части цикла пар расширяется по причине большей площади цилиндра низкого давления, что показывает снижение давления от c к d.
Теперь золотник и поршни находятся в положении на Фиг. 52, золотник движется влево, поршни продолжают свои ходы. С этой точки до окончания оборота оставшийся в цилиндре высокого давления и вокруг шейки золотника пар сжимается почти до первоначального давления. Пар в цилиндре низкого давления продолжает расширение почти до конца хода, когда правая кромка золотника открывает его канал для выпуска. В этот период индикаторы обоих цилиндров нарисуют на диаграмме линии соответственно da и def, а золотник и поршни придут в обратно в положение на Фиг. 48, чтобы начать весь цикл заново.
Очень большой мёртвый объём стороны высокого давления, состоящее из объёмов не только канала и обычного зазора между поршнем и крышкой, но вдобавок из объёма вокруг шейки клапана, постоянно соединённого с цилиндром, на первый взгляд кажется противоречащим всем идеям экономичной работы.
Однако этот объём, никогда не открывающийся прямо в выпуск, не создаёт потерь от расширения в_пустую, и является нисколько не бабайкой популярных суеверий, но тщательно рассчитанной фичей совершенно определённых размеров. В нём кроется секрет одинаковой экономичности машин компаунд Вестингауза под широким диапазоном нагрузок.
Перепускной клапан, ранее для ясности замятый под видом обычного крана, всего лишь удобство для запуска. Если машина остановилась с поршнем высокого давления в начале хода, она может быть пущена без открытия перепуска. Но если же в начале хода встал поршень низкого давления, как на Фиг. 51, золотник перекрывает окна впуска свежего пара и пуск в таком положении невозможен. Открытие крана, показанное на Фиг. 53, подаёт пар в пространство вокруг золотника, который в это время собирается двигаться вправо и пускает пар в оба цилиндра. Но из-за большей площади поршня низкого давления, он идёт вниз, пересиливая поршень высокого. По завершении половины оборота золотник закрывает канал в цилиндр низкого давления, оставляя давление пара лишь на поршень высокого, который соответственно опускается и завершает оборот. Это единственное назначение перепускного клапана, он должен быть закрыт как только машина наберёт обороты, перед тем как полностью открывать запорный кран.
(Добавлю: этот байпас всё равно не позволяет запустить машину когда поршни во второй половине хода, и золотник стоит на фазе расширения, перекрывая подачу пара в оба цилиндра. Всей разницы - придётся ли тебе прокручивать машину ломиком на половину оборота или аж на целых полтора. Не нужен.)
Вид хомута эксцентрика, его тяги и соединений золотника показан более подробно на Фиг. 55 для освещения замечательных устройств смазки, но кратко будут упомянуты и отдельные части. Эксцентрик имеет сферическое сечение для компенсации небольшого поперечного смещения тяги, действующей на одно плечо Г-образного рычага качалки. Хомут эксцентрика залит баббитом и тщательно пришабрен к эксцентрику, боковые фланцы хомута обнимают края эксцентрика для удержания масла. Хомут разделён на две половины и имеет регулировочные прокладки на стыках для компенсации износа. Эксцентриковая тяга полая и крепится к хомуту с возможностью быстрой регулировки длины. Верхний конец тяги соединён с плечом качалки через шаровой шарнир.
Качалка имеет точкой опоры закалённую ось, держащийся в опорах, прикреплённых болтами к нижней части золотниковой коробки. Верхнее её плечо соединено с концом штока золотника парой коротких тяг на (снова) закалённых осях. Все оси в распределительном механизме работают в сменных бронзовых втулках.
Стеклянная маслёнка имеет три отвода. Один роняет масло в длинную канавку на верхней стороне одной из тяг штока золотника, показанную пунктиром. Оси тяг высверлены , их концы заткнуты пробочками, и в разных частях поверхности просверлены тонкие отверстия, соединяющие ту с внутренней полостю. Отверстия просверлены вертикально в концах канавки тяги, и через бок каждой оси, соединяясь с полостью в середине. Длина канавки в тяге больше хода золотника, потому регулярно капающее в неё масло стекает к середине каждой оси, и исправно распределяется по всей поверхности трения.
Две длинных трубки от маслёнки, из которых один находится прямо за другим и не виден на рисунке, подают масло в два углубления на середине качалки, по обоим сторонам вертикальной её части. Из одного масло распределяется по специальным канавкам по всей длине опорной оси. Из другого идёт через просверленный канал, показанный пунктиром, к шаровому шарниру. Масло поступает к нему щедро, а излишек стекает вниз по полой тяге, где смазывает эксцентрик.
Фиг. 56 показывает обычный тип высокоскоростной машины двойного действия от гг. Дэви, Паксмена и компании, разработанной для электрогенераторов и оснащённой особым регулятором.
Итак, машины высокой скорости вращения были описаны полностью и каждый тип их проиллюстрирован. Сейчас они имеют преходящее значение, развивавшись бок-о-бок с динамо, и составляя вместе с паровым котлом самого до недавнего времени дешёвого производителя электроэнергии. Но со всех сторон нет сомнения что газовый двигатель с динамо показывает серьёзное уменьшение цены электричества, и в скором будущем соревнование между двумя первичными двигателями будет напряжённым.
Пост получился длинным, спать давно пора, так что мои комментарии и дополнения последуют отдельно. Скажу лишь что сферический эксцентрик с качающимся хомутом - треш и содомия. Непонятно почему нельзя было соединить с шариком на качалке таким же коротеньким шатуном, поставив промежуточную направляющую. А вот хомут с фланцами для удержания масла прекрасная идея. Моделисты обычно делают фланцы наоборот, на вращающемся диске, и они наоборот должны разбрасывать вытекающее из-под хомута масло. Благо излишков его там не бывает.