Паровая машина тройного расширения принцип работы
Паровые машины. Теория и практика.
«Паровые машины.Теория и практика.»1922 год 6 издание.
Содержание:
К написанию заметки подвигло желание дать в руки альтернативщикам простой и понятный инструмент расчета девайса. Заодно и вспомнить основные принципы работы паровых машин.
или википедии. Одноцилиндровые машины достаточно примитивны и хорошо потому описаны. Котел-золотник-цилиндр — атмосфера. Просто и понятно.
Разводить водой не будем — сразу переходим к интересующиму нас вопросу.
Морские паровые машины
Эту схему,применяли гтам, де один цилиндр низкого давления становился слишком большим при литье. Это также удобно для более действенной балансировки двигателя.
Холодильник
Машина одинарного расширения
Применялись при давлении пара 35 фунтов/дюйм2 ( 2,5 атм)
Машины двойного расширения ( компаунд)
применялись при давлении пара 60-100 фунтов/дюйм2 ( 4-7 атм)
(схема на первом рис довольно оригинальна)
Машины тройного расширения
применялись при давлении пара 120-170 фунтов/дюйм2 и больше ( 4-7 атм)
Расчет скорости корабля в зависимости от мощности.( Формулы интересны скорее заклепочникам )
V-скорость в узлах, D-водоизмещение, Н- мощность и.л.с, С-константа ( да.1/3 заменять на 0,33 и 2/3 заменять на 0,66 не рекомендую.Погрешность в полузла вылазит)
ТЕ приведены три константы
Для больших и быстрых (пассажирских)пароходов — 250
Для грузовых пароходов — 235
Для крейсеров и броненосцев- 225
Я лично для малых крейсеров в 2800-3300 т предлагаю — 200
Такто эта константа пишется и обозначается как «коэффициент Адмиралтейства» или «Адмиралтейский коэффициент».И таблицы есть. Но врядли ктото из присутствующих станет конструировать яхту.
( ктото не согласен или хочет внести свои коэффициенты ( миноносцев вот нет пока) — пожалста, только аргуметируйте расчетом- поменяем)
Те вполне можно посчитаь нужную мощность ПМ в табличном редакторе и построить очень красивые графики.
Расчет мощности ПМ ( в дюймовой системе).
Паровая машина тройного расширения принцип работы
ВЕК ПАРА. МАШИНЫ ТРОЙНОГО РАСШИРЕНИЯ
(ТРОЙНИКИ)
Виктор Сергеевич Шитарев, капитан дальнего плавания
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.
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.
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.
Компаундный двигатель
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:
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
Читайте также
Что-то неожиданное происходит с нашей помешанной на автомобилях культурой. Куда же уехали автомобилисты? И что же уводит их с дороги?
Форма кузова должна обеспечивать как можно меньшее сопротивление воздуха и в то же время аэродинамическую устойчивость автомобиля.
Комментарии
По-моему, в этом что-то есть! 🙂
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.
росом — можно ли улучшить паровую машину так, чтобы по эффективности она сравнялась хотя бы с дизелем? Конечно! Дело в том, что применявшиеся до сих пор на судах паровые котлы были весьма далеки от совершенства и, как мы теперь знаем, представляли собой развитие устройств, разработанных в начале нынешнего столетия. Машины проектировались под параметры пара, вырабатываемого тогдашними парогенераторами. А его параметры — температура и давление — едва превышали соответственно 300°С и 16 атм.
В последние годы достигнуты немалые успехи в деле повышения эффективности устройств, вырабатывающих пар. В частности, давление его в современных котлах
А. Схема паровой машины двойного расширения: 1 — цилиндр, 2 — Поршень, 3 — шток поршня, 4 — шатун поршня, 5 — эксцентрик парораспределительного устройства, 6 — тяга, 7 — цилиндрический золотник.
Б. Схема паровой машины ту па компаунд: 1 — впуск пара, 2 — цилиндр высокого давления, 3 — цилиндр средне го давления, 4 — цилиндр низкого давления.
перевалило за 30 атм, перегрев превышает 500°С. Уже только это позволило приблизить КПД парогенераторов к 90%.
Готова ли к этому собственно паровая машина? Напомним, что еще в 30-х годах сотрудники Московского высшего технического училища имени Н. Э. Баумана разработали сорта смазочных масел для рабочих температур порядка 350—420°С. Мне могут возразить—при столь высоких температурах неизбежно понизится прочность металлических деталей и узлов. Думаю, что и эта преграда преодолима — создано немало конструкционных жаропрочных сплавов и композиционных материалов.
Кстати, лет тридцать назад специалисты считали, что невозможно создать дизель мощностью в 30 тыс. л.с. А сегодня на суда устанавливают дизели и в 50 тыс. «лошадок»!
Паровая машина и дизель, обладающие равными КПД, вряд ли окажутся конкурентами. Напротив — союзниками, ведь каждая машина хороша по-своему на вполне конкретном типе судна.
Ну а паровые турбины? К сожалению, выжать из них все, на что они способны, бывает затруднительно. Любопытные исследования в свое время провели специалисты шведской фирмы «Сталь Лаваль» совместно с английскими коллегами. И те и другие пришли к выводу, что паротурбинная установка сравняется по экономичности с дизелем в том случае, если перегрев пара достигнет 602°С, а давление — 125 атм. Слишком много! Поэтому шведы предложили создать трехступенчатую энергетическую установку мощностью 27,2 тыс. л. с. Ее турбина высокого давления должна давать 14 тыс. об/мин, турбина среднего давления— 12 тыс. об/мин и низкого давления — 4,5 тыс. об/мин. Скорости, что и говорить, «космические», а гребному винту нужно, между прочим, всего-навсего около 80 об/мин. Значит, и к новому агрегату понадобится и редуктор, и турбина заднего хода мощностью как минимум 8,2 тыс. л. с.
А теперь рассмотрим энергетические установки самых современных судов. Я имею в виду атомные ледоколы. Скажем, судно имеет 4 турбины по 11 тыс. л. е., которые работают на электрогенераторы, обеспечивающие энергией борто
вые электромоторы — два по 9,8 тыс. л.с. и средний — в 19,6 тыс. л. с. Таким образом, на гребные винты подается 39,2 тыс. л. с. А еще 4,8 тыс. л. е., видно, теряются в электрической схеме.
Но ведь энергетическая установка ледокола вырабатывает 360 т пара, перегретого до 310°С, под давлением 28 атк. То, что требовалось для паровых машин. начала века!
Я предлагаю читателям вооружиться калькулятором и поделить паропроизводительность на удельный расход пара паровой машины, который, как мы знаем, находится в пределах 5,3—3,7 кг/л. е.- ч. Результат окажется неожиданным — если бы на атомоходе стояли паровые машины, то на винты подавалось бы. 67—97 тыс. л. е.!
Впрочем, уже в наши дни зарубежные конструкторы приступили к разработке паровых машин нового поколения, предназначенных не для атомоходов, а для обычных коммерческих судов. В частности, в 1983 году японские судостроители приступили к постройке грузового парохода вместимостью 90 тыс. т, проект которого разработали австралийские инженеры. По их замыслу, уголь из бункеров будет поступать в так называемом псевдожидком виде, что обеспечит его полное сгорание. А раз так, резко возрастет эффективность силовой установки.
В тот же период специалисты американской фирмы «Спиннер» завершили проект нескольких вариантов паровой машины простого или двойного расширения, с 3— 8 цилиндрами, работающими на перегретом до 470—500°С паре. По мнению инженеров «Спиннера», у этих машин по сравнению с дизелем окажутся ниже затраты на топливо и обслуживание, не будет у них и ограничения по минимальному числу оборотов.
Компаунд-машина
Прочел тут про то, что на новые Вольво стали устанавливать турбокомпаунд. И решил познакомить читателей с некоторой историей этого девайса. Здесь, на Драйве уже был материал на эту тему, но мы о разном.
Впервые слово компаунд появилось в кораблестроении. Когда паровые машины только начали ставить на суда, они использовали пар однократно, то есть в цилиндр подавалась порция пара, он толкал поршень и выбрасывался в трубу. Но давление у него падало не полностью. Это приводило к потере энергии, а значит увеличенному расходу угля. В начале 19 века он составлял около 6 кг на л.с в час. Постепенное совершенствование процессов сгорания и распределения пара позволило сократить его к 80-м годам вдвое. Очередной шаг совершили англичане, применив двойное, а затем и тройное расширение пара. То есть, пар из первого цилиндра направлялся во второй, большего диаметра, а затем еще и в третий, совсем большой. Это позволило сократить расход топлива еще вдвое.
В литературе такие паровые машины получили название Компаунд-машина.
Следующие шаги в этом направлении сделали уже в другой стихии — воздухе. Компания Аллисон, производившая авиационные двигатели, пыталась увеличить их мощность без роста размеров. На мотор, который выдавал 750 л.с навесили приводной компрессор, что позволило удвоить мощность. Но при этом весь бензин просто не успевал сгореть в цилиндрах и вылетал на выхлоп. И вот, инженерам пришла мысль запрячь эту энергию. Для этого установили турбину, которая крутила коленвал.
Таким образом удалось поймать еще полторы тысячи сил. Такую установку назвали турбокомпаунд. Расцвет этой технологии пришелся на конец 40-х годов прошлого века. Когда я учился, старенький препод по термодинамике рассказывал нам про то, что в те годы поршневой мотор рассматривался уже как придаток турбины. Но потом реактивные двигатели вытеснили поршневые с самолетов.
Следующий всплеск интереса к турбокомпаунду произошел уже на земле. Когда случился топливный кризис 79 года, производители грузовиков озаботились снижением расхода топлива. Началась эра турбомоторов с низкими оборотами. И снова конструкторов заинтересовала энергия, вылетающая в выхлопную трубу. Даже при самом лучшем раскладе, ее туда улетает не менее 40%. Жалко!
Для сбора этих процентиков решили вернуться к применению второй турбины, которая должна крутить коленвал. Если посмотреть на цифры из авиации, то идея стоит свеч. Но тут стали выползать некоторые тонкости.
Самая крупная из них состоит в том, что, в отличие от самолета, который летит на полном газу, грузовик все время тормозит и разгоняется. А значит, режимы все время меняются. И полный газ, когда эффект от второй турбины максимален, встречается совсем не часто. А в остальное время турбина просто мешается в выхлопном коллекторе. Чтобы она меньше мешалась, в систему пришлось включить гидромуфту. Она позволяет согласовать разные скорости вращения турбины и маховика, но за счет потерь на перебалтывания масла.
А второй проблемой оказалась слишком высокая эффективность двигателя. В отличие от авиадвигателей 40-х годов, топливо в современных моторах сгорает гораздо лучше и полнее, поэтому и энергия выхлопа значительно меньше. В общем, удвоения не получилось.
Скания ставила турбокомпаунд на свои двигатели в течение 20 лет. Максимум, что удалось выжать из системы — это примерно 10%. Мотор DC12 выдавал 420 сил, а DT12 — 470. При этом, система была очень чувствительна к качеству и состоянию масла и изрядно дорога в ремонте. Когда компаунд выходил из строя, народ предпочитал его просто выкинуть. С появлением 13-ти литровых двигателей от него полностью отказались.