Zaćma (silnik belkowy) - Cataract (beam engine)

Zaćmy było urządzenie regulujące prędkość stosowany do wczesnego jednostronnego działania silników wiązki , zwłaszcza silników atmosferycznych i silników Cornish . Był to rodzaj zegara wodnego .

Zaćma wyraźnie różni się od regulatora odśrodkowego tym , że nie kontroluje prędkości suwu silnika, ale raczej czas pomiędzy suwami.

Operacja

Typowa instalacja zbudowanego w domu silnika belkowego obejmowała cztery piętra. Cylinder i zwykłe stanowisko pracy maszynisty znajdowały się w „dolnej komorze”, mniej więcej na poziomie gruntu. Powyżej znajdowała się „komora środkowa” z górną pokrywą cylindra i „górną dyszą” (górna komora zaworowa), a powyżej „komora górna” lub komora belki. Zaćma znajdowała się w najniższej części maszynowni, w komorze poniżej komory dolnej, wraz z rurą wydechową. Dostęp do tej przestrzeni był niewygodny i nie odwiedzany podczas normalnej pracy.

Rozrządu (lub „bieg pracy”) z silnikiem Newcomen lub Cornish opiera się na pręcie wtyczką . Jest to pionowy pręt zawieszony na belce i poruszający się równolegle do tłoka. Do tego pręta dołączone są regulowane popychacze . Te popychacze uderzają w długie zakrzywione żelazne dźwignie lub „rogi”, które są przenoszone na trzech poziomych wałach lub „altanach”. Każda altana działa na jednym z zaworów silnika. W cyklach Cornisha zawory te to górny wlot pary do górnej części cylindra, zawór równowagi, który łączy górną i dolną część cylindra, oraz dolne zawory wylotowe i wtryski wody kondensacyjnej, które mają wspólną altanę. W przeciwieństwie do większości innych silników parowych, silniki te mogą działać z przerwami: wykonując pojedynczy skok przed zatrzymaniem i czekając na ponowne uruchomienie zaworów. Prędkość każdego suwu mocy lub „wchodzenia do domu” była cechą silnika i nie była łatwa do zmiany, ale nie było potrzeby, aby silniki pracowały w sposób ciągły, suw za suwem. Stanowiło to bezpośredni kontrast z silnikiem z belką obrotową i obrotowym charakterem prawie wszystkich innych silników parowych. W oryginalnym cyklu Newcomena prędkość suwu powrotnego zmieniała się w zależności od ciśnienia w kotle, chociaż nadal nie wpływało to na siłę ani prędkość suwu mocy.

Użycie katarakty może pozwolić na eksploatację silnika tylko z jedną trzecią jego niekontrolowanej prędkości. Gdy obciążenie pompowania było zmienne, zaćmę można było również podłączać i odłączać zgodnie z wymaganiami, pozwalając silnikowi pracować na pełnych obrotach przez pewien czas, a następnie zatrzymywać się w międzyczasie.

Sama zaćma przypominała małą pompkę nurnikową . Była to żelazna skrzynia w cysternie wypełnionej wodą, z tłokiem lub tłokiem osadzonym na górze i dociskanym ciężarem w dół. Woda w pompie mogła wydostać się tylko przez mały kran lub zawór. W miarę jak nurnik stopniowo opadał, jego ruch był przekazywany w górę za pomocą wahliwej dźwigni i pręta do przekładni zaworowej w środkowej komorze. Gdy pręt podniósł się wystarczająco, otworzyło to pierwszy zawór, aby wpuścić parę do górnej części cylindra, rozpoczynając nowy skok.

Po rozpoczęciu skoku dźwignia kołysania zaćmy została popchnięta w dół przez silnik. To podniosło tłok, który działał jako pompa ssąca w zaćmie, aby ponownie napełnić skrzynkę tłoka, przez zawór klapowy z otaczającej go cysterny. Cysterna była utrzymywana w stanie napełnionym wodą przez pompę, na której pracował sam silnik.

Zawór wylotowy wody był sterowany prętem z dolnej komory. To było wykorzystywane przez maszynistę do kontrolowania prędkości roboczej, zgodnie z wymaganą pracą.

Pręt uruchamiający zaćmy miał również regulator śrubowy, który działał w celu zmiany czasu wtrysku wody (Newcomen) lub fazy między zaworem wlotowym i wylotowym (Cornish). Można to wykorzystać do uzyskania dłuższego i bardziej efektywnego czasu kondensacji, jeśli woda kondensacyjna była ciepła, jak w lecie. Wydaje się jednak, że ta regulacja została słabo zrozumiana i mało wykorzystywana przez kierowców silników.

Rozwój

Wczesna zaćma

Zaćma pojawiła się po raz pierwszy w silnikach Newcomen w Kornwalii, chociaż ich wynalazca jest nieznany. Były one znane w czasach Smeatona i mogą być kolejnym elementem rozwoju silnika Newcomena, za który był odpowiedzialny. James Watt zetknął się z nimi podczas swojej podróży do Kornwalii w 1777 roku. Były one prostszego typu, te wczesne katarakty lub „jack in the box” były prostym pudełkiem: drewniane pudełko na osi było napełniane wodą przez regulowany kurek. Gdy skrzynia została napełniona wystarczająco, aby zrównoważyć, zawór wtryskowy silnika zostałby uruchomiony.

Wat

Boulton i Watt używali prostego projektu zaćmy przez kilka lat później, do około 1779 roku. Po tym zastosowano inne projekty, w tym zaćmę wodną, ​​w której ta sama woda była używana i poddawana ciągłemu recyklingowi, a także zaćma powietrzna z okrągłym mieszkiem. Tego typu kataraktę powietrzną dostarczono dla Kopalni Ale i Ciast . Projekt pompy nurnikowej zaćmy pojawił się w Kornwalii w 1785 roku, ale nie był wynalazkiem Watta.

Późniejsza zaćma

Termin „zaćma” stał się synonimem dashpot , przynajmniej tam, gdzie kojarzono je z silnikami parowymi i ich gubernatorami. Były używane jako urządzenie tłumiące, aby uniknąć nadwrażliwości z regulatorami odśrodkowymi.

Zaćma była również wykorzystywana jako urządzenie zabezpieczające przed nadmierną prędkością w przypadku pomp wodnych bezpośredniego działania. Między tłoczyskiem pompy a zaćmą dostosowaną do normalnej prędkości roboczej pompy umieszczono huśtawkę lub dźwignię „różnicową”. Gdyby pompa nagle przyspieszyła z powodu pęknięcia pompy lub podobnego, tłok wyprzedziłby zaćmę, a działanie dźwigni różnicowej zamknęłoby zawór wlotu pary do pompy i zatrzymałoby pompę, ograniczając ewentualne uszkodzenia.

Sterowanie w otwartej pętli

Zaćma, podobnie jak większość regulatorów, jest przykładem serwomechanizmu . Jednak w przeciwieństwie do lepiej znanego regulatora odśrodkowego Watta, jest to sterowanie w pętli otwartej , a nie w pętli zamkniętej . Zaćma działa z własną prędkością, ale nie mierzy wypadkowej prędkości silnika. Zaćma została również opisana jako „zegar wodny”. Zakłada to, że związek między działaniem zaćmy a prędkością silnika jest stały, co jest słusznym założeniem dla silnika belkowego, ponieważ zaćma steruje synchronizacją skoku silnika, a nie zmienną mocą lub zaworem dławiącym. Tam, gdzie regulator steruje takim zaworem dławiącym, jak w przypadku regulatora Watta, prędkość silnika zależy od złożonej i nieprzewidywalnej zależności między obciążeniem silnika, położeniem zaworu i zmienną wydajnością silnika. Tacy zarządcy muszą stosować kontrolę w pętli zamkniętej, jeśli mają utrzymać skuteczną i precyzyjną regulację.

Synchronizacja

Jedną z zalet niezależnej i otwartej pętli natury sterowania zaćmą było to, że dwa silniki można było dostosować do pracy w synchronizacji, ale w przeciwfazie . W przypadku silników pompujących dawało to bardziej równomierną wydajność pompowania.

Regulator odśrodkowy

Choć gubernator odśrodkowy był już znany z jego użytkowania wodę i wiatraków , to nie było aż 1788, kiedy Watt był pierwszym, aby zastosować go do silnika parowego. Był to „ Lap Engine ”, wczesny silnik obrotowy, obecnie przechowywany w Muzeum Nauki w Londynie .

W przypadku silnika rotacyjnego konieczne było kontrolowanie szybkości, z jaką silnik poruszał się podczas całego suwu, a nie tylko zmienianie czasu między suwami. Wymagało to zastosowania zaworu dławiącego w dopływie pary, kontrolowanego przez gubernatora. Ponieważ obciążenie silników młyna i podobnych zastosowań może się różnić, potrzebne było również sterowanie w pętli zamkniętej, takie jak regulator odśrodkowy oparty na prędkości obrotowej silnika. Zaćmy zatem nie stosowano w silnikach rotacyjnych, nawet tam, gdzie w Kornwalii nadal używano jednokierunkowych silników naciągowych z Kornwalii.

Silniki Cornish nie nadawały się do sterowania za pomocą przepustnicy, ponieważ ich cykl pracy zależał bardziej od czasu kondensacji niż dławiony dopływ pary. Silniki z belką nieobrotową również nie miały łatwych środków do napędzania regulatora odśrodkowego. Z tych powodów zaćma służyła tak długo, jak kornwalijski silnik.

Uwagi

Bibliografia