Silnik parowy Uniflow - Uniflow steam engine

Schematyczna animacja jednoprzepływowego silnika parowego.
Zawory grzybkowe są sterowane przez obracający się wałek rozrządu u góry. Wchodzi para pod wysokim ciśnieniem, kolor czerwony, a wyloty, kolor żółty.

Jednoprądowe typu silnik parowy stosuje się parę wodną, która przepływa w jednym kierunku w każdej połowie cylindra. Sprawność cieplną zwiększa się dzięki gradientowi temperatury wzdłuż cylindra. Para zawsze wchodzi w gorące końce cylindra i wypływa przez otwory w centrum chłodnicy. W ten sposób zmniejsza się względne nagrzewanie i chłodzenie ścianek cylindra.

Szczegóły projektu

Jednoprzepływowy silnik parowy Galloway , obecnie w Thinktank, Birmingham Science Museum

Wejście pary jest zwykle kontrolowane przez zawory grzybkowe (działające podobnie do tych stosowanych w silnikach spalinowych ), które są obsługiwane przez wałek rozrządu . Zawory wlotowe otwierają się, aby wpuścić parę, gdy minimalna objętość rozprężania zostanie osiągnięta na początku suwu. Przez okres cyklu korbowego dopływa się para, a następnie zamyka się wlot grzybka, umożliwiając dalsze rozszerzanie się pary podczas suwu, napędzając tłok. Pod koniec suwu tłok odsłoni pierścień otworów wydechowych zamontowanych promieniowo wokół środka cylindra. Porty te są połączone kolektorem i orurowaniem ze skraplaczem, obniżając ciśnienie w komorze poniżej ciśnienia atmosferycznego, powodując szybkie odpowietrzenie. Ciągły obrót korby porusza tłok. Na animacji widać cechy silnika jednokierunkowego, z dużym tłokiem o długości prawie połowy cylindra, zaworami grzybkowymi na obu końcach, wałkiem rozrządu (którego ruch jest pochodną ruchu wału napędowego) i pierścieniem centralnym portów wydechowych.

Zalety

Silniki jednoprzepływowe potencjalnie umożliwiają większą ekspansję w pojedynczym cylindrze bez przepływu stosunkowo chłodnej pary odlotowej przez gorący koniec cylindra roboczego i porty pary konwencjonalnego silnika parowego „przeciwprądowego” podczas suwu wydechu. Ten warunek pozwala na wyższą sprawność cieplną. Otwory wylotowe są otwarte tylko na niewielką część skoku tłoka, przy czym otwory wylotowe są zamykane tuż po tym, jak tłok zaczyna przemieszczać się w kierunku wlotowego końca cylindra. Para pozostająca w cylindrze po zamknięciu otworów wylotowych zostaje zatrzymana, a ta uwięziona para jest sprężana przez powracający tłok. Jest to pożądane termodynamicznie, ponieważ podgrzewa gorący koniec cylindra przed wejściem pary. Jednak ryzyko nadmiernej kompresji często powoduje, że w głowicach cylindrów znajdują się małe pomocnicze otwory wydechowe. Taka konstrukcja nazywana jest silnikiem semi-uniflow .

Silniki tego typu mają zwykle wiele cylindrów w układzie rzędowym i mogą być jedno- lub dwustronnego działania. Szczególną zaletą tego typu jest to, że zawory mogą być obsługiwane przez działanie wielu wałków rozrządu, a zmieniając względną fazę tych wałków rozrządu, ilość wprowadzanej pary może zostać zwiększona dla wysokiego momentu obrotowego przy niskiej prędkości i może zostać zmniejszona przy prędkość przelotowa dla ekonomii działania. Alternatywnie, konstrukcje wykorzystujące bardziej złożoną powierzchnię krzywkową umożliwiały zróżnicowanie rozrządu poprzez przesunięcie wzdłużne całego wałka rozrządu w porównaniu z jego popychaczem, umożliwiając zmianę czasu dopuszczenia. (Wałek rozrządu można przesuwać za pomocą urządzeń mechanicznych lub hydraulicznych.) A zmieniając fazę bezwzględną, można zmienić kierunek obrotów silnika. Konstrukcja uniflow utrzymuje również stały gradient temperatury w cylindrze, unikając przepuszczania gorącej i zimnej pary przez ten sam koniec cylindra.

Niedogodności

W praktyce silnik uniflow ma szereg mankamentów operacyjnych. Duży współczynnik rozszerzalności wymaga dużej objętości cylindra. Aby uzyskać maksymalną potencjalną pracę z silnika, wymagana jest wysoka prędkość ruchu posuwisto-zwrotnego, zwykle o 80% szybsza niż w przypadku silnika dwustronnego działania przeciwprądowego. Powoduje to, że czasy otwarcia zaworów wlotowych są bardzo krótkie, co bardzo obciąża delikatną część mechaniczną. Aby wytrzymać występujące ogromne siły mechaniczne, silniki muszą być solidnie zbudowane i wymagane jest duże koło zamachowe, aby wygładzić zmiany momentu obrotowego, gdy ciśnienie pary gwałtownie wzrasta i spada w cylindrze. Ponieważ w cylindrze występuje gradient termiczny, metal ściany rozszerza się w różnym stopniu. Wymaga to szerszego obrobienia otworu cylindra w chłodnym środku niż na gorących końcach. Jeśli cylinder nie jest prawidłowo nagrzany lub jeśli dostanie się woda, delikatna równowaga może zostać zakłócona, powodując zatarcie w połowie skoku lub potencjalnie zniszczenie.

Historia

Silnik uniflow został po raz pierwszy użyty w Wielkiej Brytanii w 1827 roku przez Jacoba Perkinsa i został opatentowany w 1885 roku przez Leonarda Jennetta Todda . Został spopularyzowany przez niemieckiego inżyniera Johanna Stumpfa w 1909 roku, a pierwszy komercyjny silnik stacjonarny wyprodukowano rok wcześniej w 1908 roku.

Lokomotywy parowe

Zasada uniflow była głównie używana do przemysłowego wytwarzania energii, ale została również wypróbowana w kilku lokomotywach kolejowych w Anglii, takich jak lokomotywy uniflow North Eastern Railway nr 825 z 1913 r. i nr 2212 z 1919 r. oraz lokomotywa Midland Railway Paget . Eksperymenty przeprowadzono również we Francji, Niemczech, Stanach Zjednoczonych i Rosji. W żadnym wypadku wyniki nie były wystarczająco zachęcające do dalszego rozwoju.

Wagony parowe

Pierwsze zastosowanie silnika Uniflow na dużą skalę miało miejsce w wagonach parowych Atkinson w 1918 roku.

Skinner Nieprzepływ

Ostateczna ewolucja handlowa silnika jednokierunkowego nastąpiła w Stanach Zjednoczonych pod koniec lat 30. i 40. XX wieku przez Skinner Engine Company wraz z opracowaniem silnika parowego Compound Unaflow Marine. Ten silnik działa w konfiguracji złożonej z krętych mieszanek i zapewnia wydajność zbliżoną do współczesnych diesli. Wiele promów samochodowych na Wielkich Jeziorach było tak wyposażonych, z których jeden nadal działa, SS  Badger z 1952 roku. Lotniskowiec eskortowy klasy Casablanca , najbardziej płodny projekt lotniskowca w historii, używał dwóch 5-cylindrowych silników Skinner Unaflow, ale te nie były związkami z wieżami. Jednoskładnikowy Skinner Uniflow pozostawał w służbie do 2013 roku na cementowcu Great Lakes SS  St. Marys Challenger , zainstalowanym po ponownym zasileniu jednostki w 1950 roku.

W małych rozmiarach (poniżej około 1000 KM (750 kW)) silniki parowe tłokowe są znacznie wydajniejsze niż turbiny parowe. Elektrownia słoneczna White Cliffs zastosowała trzycylindrowy silnik typu uniflow z zaworami wlotowymi typu „ Bash ”, aby wygenerować około 25 kW mocy elektrycznej.

Domowe przeróbki silników dwusuwowych

Konfiguracja jednoprzepływowego silnika parowego jednostronnego działania bardzo przypomina dwusuwowy silnik spalinowy wewnętrznego spalania i możliwe jest przekształcenie silnika dwusuwowego w jednoprzepływowy silnik parowy poprzez zasilanie cylindra parą za pomocą „ zaworu bash ” zamontowanego w miejsce świecy zapłonowej. Gdy wznoszący się tłok zbliża się do szczytu suwu, otwiera zawór bash, aby wpuścić puls pary. Zawór zamyka się automatycznie, gdy tłok opada, a para jest wypuszczana przez istniejący otwór cylindra. Bezwładność koła zamachowego następnie przenosi tłok z powrotem do szczytu jego skoku wbrew kompresji, tak jak ma to miejsce w oryginalnej formie silnika. Podobnie jak w oryginale, konwersja nie uruchamia się samoczynnie i musi zostać odwrócona przez zewnętrzne źródło zasilania, aby rozpocząć. Przykładem takiej konwersji jest motorower parowy, uruchamiany pedałowaniem.

Zobacz też

Bibliografia

Źródła

  • Naucz się silników cieplnych E. de Ville, opublikowane przez The English Universities Press Limited, Londyn, 1960, s. 40-41

Linki zewnętrzne