Паровая машина тройного расширения схема

ВЕК ПАРА. МАШИНЫ ТРОЙНОГО РАСШИРЕНИЯ
(ТРОЙНИКИ)

Виктор Сергеевич Шитарев, капитан дальнего плавания

Появлению паровых поршневых машин тройного расширения пара способствовало стремление инженеров к дальнейшему наращиванию мощности, экономичности и повышению коэффициента полезного действия паровых машин. Так появился на свет трехцилиндровый компаунд с одним цилиндром высокого (ЦВД) и двумя цилиндрами низкого давления (ЦНД). Машина хорошо работала, когда судно шло полным ходом, но на малом и, особенно, на самом малом ходу второй ЦНД работал плохо, практически не увеличивая мощности машины. Поэтому было решено средний ЦНД заменить цилиндром среднего давления (ЦСД). Так получилась машина с тройным расширением пара. Часто механики ее называли просто — тройник.

Надо отметить, что в течение XIX века проектировщикам удалось добиться заметных успехов в деле совершенствования паровых поршневых машин. Вот конкретные примеры. В 1820 году удельная масса составляла 800 кг/л.с., а удельный расход топлива — 6,0 кг/(л.с.·ч). Сведения о максимальной агрегатной мощности отсутствуют. В 1850 году эти характеристики выглядели уже заметно лучше — соответственно 180…300; 4,8…6,0; максимальная мощность машины 1000 л.с. В 1870 году удельная масса уменьшилась до 120…200 кг/л.с., удельный расход топлива — до 1,1…1,8 кг/(л.с.·ч). В 1890 году значения соответствующих параметров составляли 60…120 и 0,7…1,1, а максимальная агрегатная мощность достигла 17500 л.с.

Увеличивалось и водоизмещение судов, для которых предназначались паровые машины. Так, построенный в 1903 году на штеттинской судоверфи «Вулкан Верфт» для судовладельца «Норддейтчер Ллойд» трансатлантический лайнер «Кайзер Вильгельм Второй» имел водоизмещение 19215 т, его длина составляла 215,48 м, ширина 21,96 м, осадка 8,84 м, а брутто регистровый тоннаж- 20000 регистровых тонн. Этот гигант приводился в движение с максимальной скоростью 23,5 узла двумя паровыми поршневыми машинами мощностью по 22000 и.л.с. и брал на борт 1888 пассажиров. Размеры его машин впечатляют: длина — 22 м, высота — 12,8 м; скорость хода поршня не превышала 3 м/с. Такие лайнеры работали на линии Европа — Америка, поэтому судовладельцы были весьма заинтересованы в увеличении их скоростных возможностей.

Но иметь скоростные суда хотели и моряки ВМФ, особенно после того, когда появилась самодвижущаяся мина Уайтхеда (торпеда). Ее изобретение привело к созданию нового класса боевых кораблей — миноносцев. Их основные козыри — торпедное вооружение и высокая скорость, которая компенсировала отсутствие брони. Корабли этого класса должны были иметь малые размеры (их водоизмещение составляло около 100 тонн). Для них потребовались мощные, экономичные и легкие машины. Основными недостатками миноносцев той поры были неважная мореходность, малый радиус действия, из-за чего они не могли действовать в составе эскадры боевых кораблей (основных сил ВМФ). Поэтому в начале 90-х годов ХIХ века встал вопрос о создании миноносцев, способных вести боевые действия в составе эскадры. Несколько позже их стали называть эскадренными миноносцами или просто эсминцами.

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.

С учетом пожеланий заказчика эсминец должен был иметь нормальное водоизмещение 220 т, длину 58 м, ширину 5,3 м, осадку носом 1,45 м, кормой — 1,55 м, с винтами — 2,24 м. Винты были бронзовыми трехлопастными диаметром 1,98 м. Две вертикальные паровые машины тройного расширения должны были при 400 об/мин развивать суммарную индикаторную мощность 3800 и.л.с. Восемь водотрубных паровых котлов треугольного типа системы Ярроу обеспечивали давление пара 14 атмосфер, имели поверхность нагрева 96,7 м2 каждый. Они размещались в двух котельных отделениях, каждые два соседних котла имели одну общую дымовую трубу высотой 3 м и диаметром 0,76 м.

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.

Так впервые в мире с помощью паровой поршневой машины тройного расширения пара был покорен 30-узловой рубеж скорости хода морского судна. Благополучно совершив переход из Англии, «Сокол» 16 октября 1895 года пришел в Кронштадт, а через 10 дней был подписан акт о его приеме в казну. В последующие годы корабль, отличавшийся высокой надежностью механизмов, использовался для опытов в минном деле и обучения машинных команд строившихся эсминцев этого типа. В марте 1902 года «Сокол» переименовали в «Прыткий», однако и в дальнейшем корабли, построенные в 1896 — 1904 годах на отечественных заводах по его чертежам, продолжали называть эсминцами типа «Сокол».

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:

цилиндры высокого и низкого давления располагаются параллельно один под другим снаружи рамы и работают на общий ползун. Данную схему имели паровозы американской постройки серий «B» и «X»;
цилиндры располагаются последовательно на общем длинном штоке (тандем-машина). По такой схеме строились российские паровозы серий «Р» и «П»;
Система де Глена — дополнительные цилиндры располагаются внутри рамы и работают на коленчатую ось. По данной схеме выпускались паровозы серии «У», а также опытный чехословацкий паровоз «18-01». В поздних сериях паровозов компаунд-машины не применялись из-за присущих им недостатков, добиваясь экономичности за счет перегрева пара.

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

повышение КПД мотора за счет более полного использования энергии, содержащейся в рабочем теле (паре или газах);
уменьшение температуры и давления отработавшего рабочего тела. Что позволяет уменьшить конденсатор на паровой машине или упростить глушитель на ДВС, а, следовательно, сделать эти элементы конструкции дешевле.

существенное усложнение конструкции;
возможное уменьшение удельной мощности (зависит от конкретной конструкции) из-за внедрения дополнительных цилиндров в сравнении с двигателем однократного расширения.

Опубликовано 31.03.2014

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.

История паровых машин, часть третья

«Regina Margherita»

Статья является продолжением написаного вот тут и тут.

Промышленная революция, произошедшая в начале 19 века, нуждалась в мощных и компактных двигателях. Такие характеристики, могли обеспечить двигатели работающие на повышенном давлений пара, о них и пойдёт речь.

Горизонтальная одноцилиндровая стационарная машина.

Благодаря первым паровым машинам появилась возможность приводить в действие различное металлообрабатывающие оборудование, токарные, фрезерные, сверлильные станки и т.д., которые обеспечили необходимое качество изготовления комплектующих для паровых двигателей высокого давления.

Ранние механизмы приводились в действие посредством водяных колёс, которые работали с весьма сомнительной точностью.

Первый «двигатель высокого давления» был построен в 1801 году английским инженером и конструктором Ричардом Тревитиком.

В 1801 году построил первый в истории паровоз «Puffing Devil», затем в 1802 году паровоз «Coalbrookdale» для одноимённой угольной компании.

В 1803—1804 Тревитик при помощи Дж. Стила построил паровоз «Pen-y-Darren», который оказался слишком тяжёлым для чугунных рельсов и не мог использоваться.

В 1803 году, в Гринвиче, взорвался один из насосов Тревитика и убил четыре человека. Этот инцидент был использован Болтоном и Уаттом заявившим что котлы высокого давления очень опасны, а их машины (использующие низкое давление) не представляют угрозы для людей.

В 1808 году построил паровоз более совершенной конструкции, развивавший скорость до 30 км./ч. Паровоз получил название «Catch Me Who Can» («Поймай меня, кто сможет»). Для рекламы паровоза Тревитик построил за свой счет кольцевую дорогу в парке, где соревновался в скорости с лошадьми и перевозил людей ради развлечения.
Не получив поддержки от крупных финансистов, Тревитик разорился уехал в Южную Америку — в Перу, после неудачного участия в испано-перуанской войне вернулся в Англию в 1827 году.

Ричард Тревитик умер 22 апреля 1833 года в Дартфорде (графство Кент) в полной нищете.

Характерной особенностью этой машины было то, что топка и дымовая труба располагалась внутри котла, это значительно ускоряло время закипания воды. Благодаря такой конструкции удалось уменьшить размеры машины и увеличить КПД.

В 1803 году английский инженер Артур Вульф получил патент на улучшение котла для производства пара высокого давления, а в 1804 году запатентовал свое самое известное изобретение — компаунд-машину.

Стоит сказать, что до Вульфа, в 1781 году компаунд-машину запатентовал английский инженер Джонатан Хорнблауэр, но не смог построить её из-за судебных тяжб с Джеимсом Уаттом.

Компаунд-машина имеет два (или больше) рабочих цилиндра разного диаметра. Свежий пар из котла поступает в меньший цилиндр высокого давления (HP), отработав там (первое расширение), пар перепускается в больший цилиндр (второе расширение) низкого давления (LP).
Такая схема работы позволяет более полно использовать энергию пара и повысить коэффициент полезного действия двигателя.

Компаунды конструктивно имели два варианта:

Цилиндры располагались последовательно на общем длинном штоке (тандем-машина). (рис. а)
Цилиндры располагались параллельно один рядом с другим (перекрёстная схема). (рис. b)

Схема вертикальной компаунд-машины с тройным расширением пара:

Двухцилиндровая компаунд-машина Вульфа, построенная в 1858 году.

Цилиндры расположены вертикально, левый (поменьше) высокого давления, правый (побольше) низкого. В целях снижения потерь тепла, они заключены в деревянные рубашки.

Работала при давлении 36 psi (2,4 bar).

Одна из машин использующая схему Вульфа, находится в Англии, на водонапорной станции «Claymills Pumping Station». В рабочем состоянии.

Слева колесо (маховик), по центру цилиндры:

Построена в 1885 году компанией «Gimson and Company».

В 1822 году американский изобретатель Джейкоб Перкинс, построил экспериментальную паровую машину работающую на давлении до 30 бар.

Для технологий того времени, примениение столь высокого давления было слишком опасно, поэтому подобные решения нашли применение только спустя много лет.
Однако другая его идея — котёл с расположенными внутри водогрейными трубами, стала примером для всех последующих котлов.

Раскалённые газы, проходя по трубам внутри котла, очень эффективно разогревали воду.

Одно из важнейших событий в области паростроения произошло в 1824 году.

Французкий учёный Сади Карно в сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» установил максимальный коэффициент полезного действия тепловых машин. Цикл Карно.

Это событие принято считать рождением — Термодинамики.

В 1839 году, немецкий изобретатель Эрнст Альбан, сконструировал одноцилиндровый паровой двигатель высокого давления с качающимся цилиндром.

Идея заключалась в том, чтобы шток поршня крепился непосредственно к кривошипному механизму.

Широкого распространения такие двигатели не получили, однако иногда применялись в судостроении.

Качающийся паровой двигатель, построен в 1853 году компанией «J.&A. Blyth of London» для австрийского парохода «Orsova» Science Museum (London)

Дальше описывать отдельных изобретателей не имеет смысла, так как паровые машины начали строиться повсеместно.
Поэтому предлагаю просто полюбоваться этими великолепными механизмами.