Bileşik buhar motoru - Compound steam engine

Bileşik buharlı lokomotifler için bkz. Bileşik lokomotif.

Çift etkili üç genleşmeli deniz motoru
Yüksek basınçlı buhar (kırmızı), kondansatöre düşük basınçlı buhar (mavi) olarak tükenerek üç aşamadan geçer
Üç genleşmeli bileşik buhar makinesinin kesiti, 1888
Robey yatay çapraz bileşik buhar makinesi
küçük yüksek basınç silindiri (solda) ve büyük alçak basınç silindiri (sağda)

Bir bileşik buhar motoru birim bir tür buhar makinesi buharın iki veya daha fazla aşamada genişletildiği yer.[1][2]Bir bileşik motor için tipik bir düzenleme, buharın önce yüksek basınçta genleştirilmesidir. (HP) silindir, daha sonra ısıyı bırakıp basıncı kaybettikten sonra, doğrudan bir veya daha fazla büyük hacimli düşük basınçta tükenir. (LP) silindirler. Çoklu genleşmeli motorlar, buhardan daha fazla enerji çıkarmak için kademeli olarak daha düşük basınçlı ek silindirler kullanır.[3]

1781'de icat edilen bu teknik ilk olarak Cornish'te kullanıldı. kiriş motoru 1850 civarında, bileşik motorlar ilk olarak Lancashire tekstil fabrikalarına tanıtıldı.

Bileşik sistemler

Birçok bileşik sistem ve konfigürasyon vardır, ancak HP ve LP piston vuruşlarının nasıl aşamalandırıldığına ve dolayısıyla HP egzozunun doğrudan HP'den LP'ye geçip geçemeyeceğine bağlı olarak iki temel tür vardır (Woolf bileşikleri ) veya basınç dalgalanmasının bir buhar sandığı veya bir boru şeklinde bir ara "tampon" alanı gerektirip gerektirmediği alıcı (alıcı bileşikler ).[4]

Tek genleşmeli (veya 'basit') bir buhar motorunda, yüksek basınçlı buhar, bir giriş valfinden kazan basıncında silindire girer. Buhar basıncı, piston valf kapanana kadar silindiri aşağı indirin (örneğin, piston strokunun% 25'inden sonra). Buhar beslemesi kesildikten sonra, sıkışan buhar genişlemeye devam eder, pistonu strokunun sonuna kadar iter, burada egzoz valfi açılır ve kısmen tükenmiş buharı atmosfere veya bir kondansatöre verir. Bu "ayırmak "buharın genişlemesi, kazan basıncında buhar tarafından yapılanın ötesinde ek iş yaptığından, çok daha fazla işin çıkarılmasına izin verir.[5]

Daha erken bir kesme, genleşme oranını artırır, bu da prensipte daha fazla enerjinin çıkarılmasına izin verir ve verimliliği artırır, ancak sıkışan buhar genişledikçe sıcaklığı düşer. Bu sıcaklık düşüşü, sistemden ısı yayılmaması için silindir tamamen yalıtkan olsa bile meydana gelir (bkz. Adyabatik süreç ve Adyabatik ısıtma ve soğutma ). Sonuç olarak, buhar silindire yüksek sıcaklıkta girer ve daha düşük bir sıcaklıkta çıkar. Değişen buhar sıcaklığı, her strokta silindiri dönüşümlü olarak ısıtır ve soğutur ve daha yüksek genleşme oranlarında artan bir verimsizlik kaynağıdır. Belirli bir noktanın ötesinde, genleşme oranının daha da artırılması, artan ısıtma ve soğutma nedeniyle aslında verimliliği azaltacaktır.[5]

Bileşik motorlar

Bu ısıtma ve soğutmanın büyüklüğünü azaltmak için bir yöntem 1804'te İngiliz mühendis tarafından icat edildi. Arthur Woolf, patentini alan Woolf yüksek basınçlı bileşik motor Bileşik motorda, kazandan çıkan yüksek basınçlı buhar ilk önce bir yüksek basınçlı (HP) silindirde genişler ve ardından bir veya daha fazla düşük basınçlı (LP) silindire girer. Buharın tamamen genleşmesi birden çok silindirde gerçekleşir ve her silindirde daha az genleşme olduğundan, her birindeki buhar tarafından daha az ısı kaybedilir. Bu, silindir ısıtma ve soğutmanın büyüklüğünü azaltarak daha yüksek genleşme oranlarını pratik hale getirir ve motorun verimliliğini artırır.

Başka avantajları da vardır: Sıcaklık aralığı daha küçük olduğundan silindir yoğunlaşması azalır. Yoğuşmadan kaynaklanan kayıp LP silindiri ile sınırlıdır. Her silindirde basınç farkı daha az olduğundan piston ve valflerde daha az buhar kaçağı olur. dönüş anı daha düzgün olduğundan dengeleme daha kolaydır ve daha küçük bir volan kullanılabilir. En yüksek basınca dayanması için yalnızca daha küçük HP silindirinin yapılması gerekir, bu da toplam ağırlığı azaltır. Benzer şekilde, bileşenler daha az gerilmeye maruz kalır, bu nedenle daha hafif olabilirler. Motorun ileri geri hareket eden parçaları daha hafiftir ve motor titreşimlerini azaltır. Bileşik, döngünün herhangi bir noktasında başlatılabilir ve mekanik bir arıza durumunda bileşik, basit olarak hareket etmek için sıfırlanabilir ve böylece çalışmaya devam edebilir.[4]

Daha düşük basınçlı buhardan eşit iş elde etmek için, bu buhar daha fazla hacim kapladığından daha büyük bir silindir hacmi gerektirir. Bu nedenle, düşük basınçlı silindirlerde delik ve nadir durumlarda da strok artırılarak daha büyük silindirler elde edilir.

Çift genleşmeli (genellikle sadece 'bileşik' olarak bilinir) motorlar buharı iki aşamada genişletir, ancak bu, tüm bu tür motorların iki silindire sahip olduğu anlamına gelmez. İki LP-HP çifti olarak çalışan dört silindire sahip olabilirler veya büyük LP silindirinin çalışması iki küçük silindire bölünebilir, bir HP silindiri her iki LP silindire de boşalır ve silindir ve pistonun bulunduğu 3 silindirli bir düzen sağlar. üçünün de çapı yaklaşık olarak aynıdır, bu da karşılıklı hareket eden kütlelerin dengelenmesini kolaylaştırır.

İki silindirli bileşikler şu şekilde düzenlenebilir:

  • Çapraz bileşik - silindirler yan yana
  • Tandem bileşik - silindirler uçtan uca, ortak bir bağlantı çubuğunu sürüyor
  • Teleskopik bileşik - silindirler birbirinin içindedir
  • Açı bileşiği - silindirler bir vee (genellikle 90 ° açıyla) düzenlenir ve ortak bir krank tahrik eder.[Silindir fazlama]

Bileşik uygulamasının benimsenmesi, maliyetin azalmasıyla artan güce ihtiyaç duyulan sabit endüstriyel birimler için yaygındı ve deniz motorları 1880'den sonra. Genellikle karmaşık ve zorlu demiryolu işletim ortamı için uygun olmadığı ve yolun sağladığı sınırlı alan için uygun olmadığı düşünülen demiryolu lokomotiflerinde yaygın olarak kullanılmadı. yükleme göstergesi (özellikle İngiltere'de). Birleşik Krallık demiryollarında hiçbir zaman yaygın değildi ve 1930'dan sonra hiç kullanılmadı, ancak diğer birçok ülkede sınırlı bir şekilde kullanıldı.[6]

Havadan daha ağır sabit kanatlı bir uçağı yalnızca buhar gücüyle uçurmaya yönelik ilk başarılı girişim 1933'te gerçekleşti. George ve William Besler dönüştürülmüş Seyahat Hava 2000 her zamanki yerine kendi tasarımı olan 150 hp açılı bileşik V-ikiz buhar motorunda uçmak için çift kanatlı Curtiss OX-5 inline veya radyal havacılık benzinli motor normalde kullanacaktı.[7][8]

Çoklu genleşme motorları

Çift etkili üç genleşmeli deniz motoru.
Yüksek basınçlı buhar (kırmızı), kondansatöre düşük basınçlı buhar (mavi) olarak tükenerek üç aşamadan geçer

Verimliliği artırmak için genişletmeyi daha fazla aşamaya ayırmak, bileşik motorun (yukarıda açıklanmıştır) mantıksal bir uzantısıdır. Sonuç çoklu genleşme motoru. Bu tür motorlar üç veya dört genişleme aşaması kullanır ve şu şekilde bilinir: üçlü ve dört kat genleşmeli motorlar sırasıyla. Bu motorlar, kademeli olarak artan çap ve / veya strok ve dolayısıyla hacimde bir dizi çift etkili silindir kullanır. Bu silindirler, işi her genişletme aşaması için bir tane olmak üzere üç veya dört eşit parçaya bölmek üzere tasarlanmıştır. Yandaki resim, üçlü genişleme motorunun bir animasyonunu göstermektedir. Buhar, motorda soldan sağa doğru hareket eder. Silindirlerin her biri için valf sandığı, ilgili silindirin solundadır.

Tarih

Erken iş

  • 1781 – Jonathan Hornblower birinin torunu Newcomen 'in Cornwall'daki motor düzenleyicileri, pistonlu çift silindirli bir bileşik patenti aldı kiriş motoru 1781'de. Onu daha da geliştirmesi engellendi. James Watt kendi patentlerinin ihlal edildiğini iddia eden.[9]
  • 1804 - Verimsizliğe yol açan tek genleşmeli bir buhar motorunun sürekli ısıtılması ve soğutulmasının büyüklüğünü azaltmak için bir yöntem İngiliz mühendis tarafından icat edildi. Arthur Woolf. Woolf kırtasiye malzemesinin patentini aldı Woolf yüksek basınçlı bileşik motor 1805'te.

Çift genişleme

  • 1845 – William McNaught mevcut bir kiriş motoruna ek bir yüksek basınç silindiri sabitlemek için bir yöntem geliştirdi. Bunu yapmak için, silindirleri bağlamak için uzun bir boru ve bunları dengelemek için fazladan bir valf seti kullanmak gerekiyordu. Gerçekte, bu bir alıcı sandık görevi gördü ve yeni bir bileşik türü icat edildi. Bu sistem, buhar girişi ve kesilmelerinin daha fazla kontrolüne izin verdi. Bir motor, buharın basıncını düşüren bir gaz kelebeği ile veya her iki silindirdeki kesmeyi ayarlayarak yavaşlatılabilir. İkincisi, güç kaybı olmadığı için daha etkiliydi. İki silindir aynı fazda olmadığından döngü daha sorunsuzdu.[10]
  • 1865 – SSAgamemnon (1865) 300 ile donatılmışhp bileşik buhar motoru. Motor tarafından tasarlandı Alfred Holt, sahiplerinden biri. Holt ikna etmişti Ticaret Kurulu 60 kazan basıncına izin vermek içinpsi normal 25 yerinepsi - çift genişlemenin avantajlarını gerçekleştirmek için daha yüksek bir basınca ihtiyaç vardı. Elde edilen verimlilik, bu geminin 8500 mil daha önce seyahat etmesini sağladı. kömürleşme. Bu, onu Çin ve İngiltere arasındaki rotalarda rekabetçi hale getirdi.[11][12][13]

Çoklu genişletme

Coldharbour Değirmeni Pollit ve Wigzell çapraz bileşik motor, gücü değirmenin beş seviyesinin tamamında hat şaftlarına ileterek arka planda görülen halat yarışını çalıştırıyor.
  • 1861 – Daniel Adamson bir kirişe veya krank miline bağlı üç veya daha fazla silindire sahip çok genleşmeli bir motor için patent aldı. Üç kat genişlemeli bir motor yaptı. Victoria Mills, Dukinfield 1867'de açılan.[14]
  • 1871 - Le Havre'den Charles Normand, 1871'de bir Seine nehri teknesine üçlü genleşme motoru taktı.[14]
  • 1872 – Sör Fredrick J. Bramwell 45 psi ile 60 psi arasında çalışan bileşik deniz motorlarının belirtilen beygir gücü başına saatte 2 lbs ila 2.5 lbs kömür tükettiğini bildirdi.[14]
  • 1881 – Alexander Carnegie Kirk inşa edilmiş SS Aberdeen, üçlü genleşme motoruyla başarılı bir şekilde çalıştırılan ilk büyük gemi.[15]
  • 1887 – HMS Victoria Üçlü genişleme motorları ile çalıştırılan ilk savaş gemisi başlatıldı.[16]
  • 1891 - 160 psi'de çalışan üçlü genleşmeli bileşik deniz motorları, belirtilen beygir gücü başına saatte ortalama 1.5 libre kömür tüketti.[14]

Başvurular

Pompalama motorları

Ana makale: Cornish motoru

Değirmen motorları

Ana makale: Sabit buhar motoru
1914 yılında Cole, Craven Mills'de üretilen Marchent & Morley yatay tandem bileşik motor. Hava pompası ve jet kondansatörü, LP silindiri ile en yakın olanıdır. Morley'in patentli piston düşürme valfleri ile donatılmıştır

İlk değirmenler Su gücü, buhar motorları kabul edildikten sonra, üreticinin değirmenleri suyla çalıştırması gerekmiyordu. Pamuk eğirme, talebi karşılamak için daha büyük fabrikaları gerektirdi ve bu, sahiplerini giderek daha güçlü motorlar talep etmeye yöneltti. Kazan basıncı 60 psi'yi aştığında, bileşik motorlar termodinamik bir avantaj elde etti, ancak bileşiklerin benimsenmesinde belirleyici faktör olan daha yumuşak strokun mekanik avantajlarıydı. 1859'da 75.886 ihp vardı (belirtilen beygir gücü[ihp]) Manchester bölgesindeki değirmenlerdeki motorların 32.282 ihp'si bileşikler tarafından sağlanırken, 60 psi'nin üzerinde çalışan kazanlardan yalnızca 41.189 ihp üretildi.[17]

Genellemek gerekirse, 1860 ile 1926 arasında tüm Lancashire değirmenleri bileşiklerle çalıştırıldı. İnşa edilen son bina Buckley ve Taylor için Wye No. 2 değirmen, Shaw. Bu motor, 24 ft, 90 tonluk bir volan kullanan 2.500 ihp'ye kadar çapraz bileşik bir tasarımdı ve 1965'e kadar çalıştırıldı.[18]

Deniz uygulamaları

Ana makale: Deniz buhar motoru
Üç genleşme motorunun modeli
1890'ların üçlü genişleme (42 inç stroklu ortak bir çerçevede 26, 42 ve 70 inç çaplı üç silindir) SS Kristof Kolomb.
SS Ukkopekka üçlü genleşmeli deniz motoru
140 ton - 135 ton olarak da tanımlanır - güç sağlamak için kullanılan tipte dikey üçlü genleşmeli buhar motoru Dünya Savaşı II Özgürlük gemileri, teslimattan önce test için monte edilmiştir. Motor 21 fit (6,4 metre) uzunluğunda ve 19 fit (5,8 metre) yüksekliğindedir ve 76'da çalışacak şekilde tasarlanmıştır. rpm ve bir Liberty gemisini yaklaşık 11 deniz mili (12.7 mil / saat; 20.4 km / saat) hızla itmek.

Deniz ortamında, gemiler kömür kaynaklarını taşımak zorunda kaldığından, genel gereklilik özerklik ve artan çalışma menziliydi. Eski tuzlu su kazanı bu nedenle artık yeterli değildi ve kondansatörlü kapalı bir tatlı su devresiyle değiştirilmesi gerekiyordu. 1880'den sonraki sonuç, çoklu genleşme motoru üç veya dört genişletme aşaması kullanarak (üçlü ve dört kat genleşmeli motorlar). Bu motorlar, işi her bir genişletme aşaması için uygun şekilde üç veya dört eşit bölüme ayırmak üzere tasarlanmış, giderek artan çap ve / veya strok (ve dolayısıyla hacim) olan bir dizi çift etkili silindir kullandı. Alanın önemli olduğu durumlarda, düşük basınç aşaması için büyük toplam hacimli iki küçük silindir kullanılabilir. Çoklu genleşme motorları tipik olarak sıralı düzenlenmiş silindirlere sahipti, ancak çeşitli başka oluşumlar kullanıldı. 19. yüzyılın sonlarında, Civanperçemi-Schlick-Tweedy dengeleme 'sistemi' bazı deniz tipi üçlü genleşme motorlarında kullanıldı. Y-S-T motorları, düşük basınçlı genleşme aşamalarını, motorun her iki ucunda birer tane olmak üzere iki silindire böldü. Bu, krank milinin daha iyi dengelenmesini sağlayarak daha yumuşak, daha hızlı yanıt veren ve daha az titreşimle çalışan bir motor sağladı. Bu, 4 silindirli üçlü genleşme motorunu büyük yolcu yolcu gemileri (örneğin Olimpik sınıf ), ancak sonuçta yerini neredeyse titreşimsiz buhar türbünü.

Bu tür bir motorun geliştirilmesi, buhar gemilerinde kullanılması açısından önemliydi çünkü bir kondansatöre boşaltarak su, kullanamayan kazanı beslemek için geri kazanılabilirdi. deniz suyu. Karada yerleşik buhar motorları, besleme suyu genellikle kolayca temin edilebildiği için buharlarının çoğunu tüketebilirdi. Önce ve sırasında Dünya Savaşı II, genleşme motoru, yüksek gemi hızının gerekli olmadığı denizcilik uygulamalarına hakim oldu. Savaş gemileri ve savaş gemileri gibi hız gerektiğinde buhar türbini yerini almıştır. okyanus gemileri. HMS Korkusuz 1905, pistonlu motorun kanıtlanmış teknolojisini o zamanlar yeni olan buhar türbini ile değiştiren ilk büyük savaş gemisiydi.

Demiryolu lokomotiflerine uygulama

Ana makale: Bileşik lokomotif

Demiryolu lokomotif uygulamaları için, bileşikleştirmeden aranan ana fayda, yakıt ve su tüketiminde ekonomi artı daha uzun bir döngü boyunca meydana gelen sıcaklık ve basınç düşüşünden kaynaklanan yüksek güç / ağırlık oranıydı, bu da artan verimlilikle sonuçlandı; algılanan ilave avantajlar arasında daha eşit tork vardı.

Bileşik lokomotifler için tasarımlar, James Samuel 1856'da "sürekli genleşmeli lokomotif" patenti,[19] demiryolu birleşiminin pratik tarihi, Anatole Mallet 1870'lerdeki tasarımları. Mallet lokomotifleri Amerika Birleşik Devletleri'nde ana hat buharının sonuna kadar Norfolk ve Batı Demiryolu. Tasarımları Alfred George de Glehn Fransa'da da özellikle yeniden yapılanmalarda önemli bir kullanım gördü André Chapelon. 1900'lerde çok çeşitli bileşik tasarımlar denendi, ancak çoğu, karmaşıklıkları ve bakım yükümlülükleri nedeniyle popülerlik açısından kısa sürdü. 20. yüzyılda süper ısıtıcı yaygın olarak benimsenmişti ve buharlı lokomotiflerin büyük çoğunluğu basit genleşmeli idi (bazı bileşik lokomotifler basite dönüştürüldü). Mühendisler, sabit hızdaki lokomotiflerin geniş açık bir regülatör ve erken kesme ile en verimli şekilde çalıştığını fark etti, ikincisi geri vites aracılığıyla ayarlandı. Buharın çok erken kesilmesinde (örneğin, piston strokunun% 15'inde) çalışan bir lokomotif, strok sonunda daha az enerji harcanarak buharın maksimum genişlemesine izin verir. Aşırı ısınma, bu tür bir genişlemeyle başka türlü meydana gelebilecek yoğunlaşmayı ve hızlı basınç kaybını ortadan kaldırır.

Büyük Amerikan lokomotifleri, 2 çapraz bileşik buharla çalışan hava kompresörü kullandı, ör. Westinghouse 8 1/2 "150-D,[20] tren frenleri için.

Notlar

^ Silindir fazlaması: Demiryolu işinde kullanılan iki silindirli bileşiklerle, pistonlar kranklara, iki silindirli basit bir şekilde 90 ° faz dışı olarak birbirine bağlanır (dörde bölünmüş).

Çift genleşme grubu kopyalandığında, 4 silindirli bir bileşik üretildiğinde, grup içindeki tek tek pistonlar genellikle 180 ° 'de dengelenir, gruplar birbirine 90 ° olarak ayarlanır. Bir durumda (ilk tip Vauclain bileşiği ), pistonlar, iki silindirli bir motorda olduğu gibi yine 90 ° 'ye ayarlanan ortak bir çapraz kafa ve krank sürerek aynı fazda çalıştı.

3 silindirli bileşik düzenlemede, LP krankları ya 90 °, HP biri 135 ° ve diğer ikisine göre 135 ° ya da bazı durumlarda üç krankın tümü 120 ° olarak ayarlandı.

^ ihp: Değirmen motorunun gücü başlangıçta şu şekilde ölçülmüştür: Nominal Beygir Gücü, ancak bu sistem bir bileşiğin gücünü hafife aldı McNaught bileşikler, ihp veya belirtilen beygir gücü için uygun sistem. Genel bir kural olarak ihp, bileşik bir motorda 2,6 kat nhp'dir.[21]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ van Riemsdijk, John (1970), "Bileşik lokomotif, Parçalar 1, 2, 3", Newcomen Society'nin İşlemleri (2)
  2. ^ Van Riemsdijk, Bileşik Lokomotifler, s. 4–9.
  3. ^ Tepeler (1989), s. 147.
  4. ^ a b Raiput, R.K. (2005), "17", Termal Mühendislik (5. baskı), Bangalore, Yeni Delhi: Laxmi Yayınları, s. 723 ve devamı, ISBN  978-81-7008-834-9, OCLC  85232680
  5. ^ a b Semmenler ve Saka Kuşu (2000), s. 147, 162.
  6. ^ Van Riemsdijk, Bileşik Lokomotifler, s. 2–3.
  7. ^ "Dünyanın İlk Buharla Çalışan Uçağı" Popüler Bilim, Temmuz 1933, çizimlerle ayrıntılı makale
  8. ^ George & William Besler (29 Nisan 2011). Besler Buhar Uçağı (Youtube). https://www.youtube.com/watch?v=nw6NFmcnW-8: Bomberguy.CS1 Maint: konum (bağlantı)
  9. ^ Encyclopædia Britannica Online, 29 Mart 2007'de alındı.
  10. ^ Tepeler (1989), s. 157.
  11. ^ Clark, Arthur H. (1911). Clipper Gemi Çağı 1843-1869. New York: G.P. Putnam Sons.
  12. ^ Ulusal Denizcilik Müzesi, Greenwich, İngiltere, http://collections.rmg.co.uk/collections/objects/66013.html
  13. ^ Jarvis, Adrian (1993). "9: Alfred Holt ve Bileşik Motor". Gardiner, Robert; Greenhill, Dr Basil (editörler). Steam'in Gelişi - 1900 öncesi Tüccar Buharlı Gemisi. Conway Maritime Press. s. 158–159. ISBN  0-85177-563-2.
  14. ^ a b c d Tepeler (1981), s. 241.
  15. ^ Day, Lance ve McNeil, Ian (Editörler) 2013, Teknoloji Tarihinin Biyografik Sözlüğü Routledge, ISBN  0-203-02829-5 (S. 694)
  16. ^ Macintyre, Donald; Yıkanmak, Basil W (1974). Savaş Adamı Savaş Gemisinin Tarihi. Üç genleşmeli buhar makinelerine sahip ilk savaş gemisine referans. Mcgraw-hill Inc. s. 95. ISBN  9780070445857.
  17. ^ Tepeler (1989), s. 160.
  18. ^ Tepeler (1989), s. 281.
  19. ^ Bileşik Motorlar faks yeniden basımı, Ann Arbor, MI: Scholarly Publishing Office, University of Michigan Library, 2005, s. 16, 17, ISBN  1-4255-0657-7
  20. ^ 1941 Locomotive Cyclopedia of American Practice, Eleventh Edition, Simmons-Boardman Publishing Corporation, 30 Church Street, New York s. 813
  21. ^ Tepeler (1989), s. 145.

Kaynakça

Dış bağlantılar