Компаунд машина на паровозе

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.

Источник

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

Водород — отличный аккумулятор энергии с широким диапазоном областей применения, причем плотность энергии в единице массы у водорода в 3 раза больше, чем у бензина.

Сегодня в ассортименте практически каждого автомобильного магазина среди разных товаров вы найдёте чудодейственные средства для автомобиля — так называемые присадки для экономии топлива.

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.

Источник

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 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.

Горизонтальные паровые машины

Экотехнический музей музей в Праге. Насосная станция.

Паровая машина «Corliss»

Тауэрский мост

Раньше поднимала и опускала мост, сейчас это делают гидравлические домкраты. Иногда машину запускают в демонстрационных целях.

Вертикальные компаунд-машины

Машина тройного расширения

Стояла на военном катере.

«Tangye»

Kempton Great Engines

Общая высота машины 19 метров, мощность 1008 л.с., вес 800 тонн.

Двигатели «Титаника»

На «Титанике» стояли две четырёхцилиндровые компаунд-машины вращающие боковые винты и одна паровая турбина, вращающая средний винт.

Нынче выглядят так.

На «Титанике» стояло 29 котлов.

Современная паровая турбина

На атомных электростанциях, такие штуки крутят генераторы.

На этом наверно всё.

Необычные паровые устройства.
Паровозы…
Паровые автомобили…
Пароходы…
Паровые самолёты.

Источник

паровая машина двойного

Компаунд-машина имеет два (или более)

рабочих цилиндра разного диаметра.

Свежий пар из котла поступает в

меньший цилиндр высокого давления.

Если же речь идет о поршневом

двигателе внутреннего сгорания (ДВС),

Упрощенная схема паровой

то рабочее тело – продукты сгорания

топлива – образуется непосредственно в

цилиндре. Отработав там (первое расширение), рабочее тело переходит в Пар высокого давления (красный больший цилиндр низкого давления, где цвет) от котла проходит через совершает второе расширение. При двигатель, выходя в конденсатор такой схеме работы полнее используется при низком давлении (голубой энергия рабочего тела и, соответственно, цвет).

повышается КПД двигателя.

Существенным недостатком компаунд-машины является невозможность трогания паровоза при остановке в мертво точке поршня в цилиндре высокого давления. Для преодоления этого недостатка паровозы с компаунд-машиной оснащались сложными приборами трогания, кратковременно пускавшими свежий пар одновременно в оба цилиндра.

Компаунды конструктивно имели несколько вариантов:

• Цилиндры высокого и низкого давления располагались параллельно один под другим снаружи рамы и работали на общий ползун. Такую схему имели паровозы американской постройки серий В и Х;

Один из первых паровозов с паровой машиной нового типа – цилиндры высокого давления • расположены над цилиндрами низкого давления. (Паровоз B, с паровой машиной системы Воклена – гл. инженер завода Балдвин).

• В начале 1900 –х паровозы подвергли модернизации: на них установили пароперегреватели, а паровую машину компаунд заменили простой. Таким паровозам присвоили обозначение Х.

•Цилиндры располагались последовательно на общем длинном штоке (тандем-машина). Подобную схему имели российские паровозы серий Р и П.

• Имел четырёхцилиндровую паровую тандем-компаунд (по два цилиндра, расположенных друг за другом, с каждой стороны), что было неудобно при ремонте. Паровоз Р (Рыбинская) – серия русских товарных паровозов.

Имел четырёхцилиндровую паровую машину тандем-компаунд, то есть по два • цилиндра (высокого и низкого давления). С каждой стороны, расположенные друг за другом. Из-за сложности паровой машины широкого распространения данные паровозы не получили. Паровоз П (пассажирский) – серия российских быстроходных пассажирских паровозов типа 2-2-0.

Система де Глена – дополнительные цилиндры располагались внутри рамы и работали на коленчатую ось.

По такой схеме выпускались паровозы серии У, а также опытный чехословацкий паровоз 18-01.

Паровая машина компаунд имела четыре цилиндра. Цилиндры высокого давления • располагались снаружи рамы и были связаны со средней движущей осью, а цилиндры низкого давления располагались внутри рамы и приводили в движение первую коленчатую ось (система де Глена). Паровоз У (Уральский) – пассажирский паровоз.

Отличительной особенностью паровоза было наличие трёхцилиндровой машины компаунд — впервые на советских железных дорогах. Паровоз 18-01 (паровоз «Друг»).

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, авто идеи, использовал в одном моторе четырех- и двухтактную схему. Три цилиндра 5тактного 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 четырехтактном 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:

Плюсы:

• 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 поровой машине или упростить глушитель на ДВС, а, следовательно, сделать эти элементы конструкции дешевле.

Минусы:

• существенное усложнение конструкции;

• Возможное уменьшение удельной мощности (зависит от конкретной конструкции) из-за внедрения дополнительны цилиндров в равнении с двигателем однократного расширения.

Турбокомпаундный двигатель (ТКД)

• Двигатель внутреннего сгорания. В котором работа газов происходит не только в цилиндро-поршневой группе, но и в силовой турбине, связанной с коленчатым валом.

• Большое распространение получили турбокомпаундные двигатели большой размерности. Сначала корабельные, а затем и авиационные моторы (например, на самолетах «Boeing B-29» и «Douglas DC-7»).

Устройство и принцип работы

• Турбокомпаунд преобразует энергию, которая в противном случае и ушла бы в атмосферу, в работу за счет силовой турбины, приводимой в действие выхлопными газами. Это типичный пример утилизации остаточной энергии отработавших газов.

Устройство турбокомпаундного двигателя «Scania»

Турбокомпаундный двигатель – это частный случай компаундного двигателя. В последнем дополнительная работа извлекается при расширении отработавших газов в цилиндре низкого давления.

• Как правило, современный дизель включает две турбины. Это газовая и компрессорная (по сути, центробежный компрессор) турбины турбонаддува посаженные на один вал. При компаундировании двигателя добавляется третья – силовая турбина (компаунда). Она также вращается отработавшими газами со скоростью до 55000 об/мин. Чтобы передать такое быстрое вращательное движение на коленчатый вал, создавав тем самым полезную прибавку крутящего момента, необходимо уменьшить скорость вращения до примерно 2000 об/мин за счет шестерней и гидромуфты. Гидравлическая муфта не увеличивает передаваемый момент, но ее пробуксовка позволяет плавно согласовать различные частоты вращения (при их резком изменении) маховика и силовой турбины.

Схема работы турбокомпаундного двигателя

Рассмотрим, как работает турбокомпаундный двигатель:

Выхлопные газы с температурой 600 – 700 °C поступают в 1.

газовую турбину наддува, раскручивая её до 55000 – 100000 об/мин.

Газовая турбина через вал передает вращение на центробежный 2.

компрессор турбонаддува, который нагнетает воздух во впускной трубопровод для приготовления горючей смеси.

Выхлопные газы покидают турбонаддув, потеряв там около 100 3.

Отработавшие газы, сохраняя высокую температуру, поступают 4.

в силовую турбину турбокомпаунда, раскручивая её примерно до 55000 об/мин.

Вращение силовой турбины передается через понижающую 5.

передачу и гидравлическую муфту на коленчатый вал и маховик двигателя.

Температура газов на выходе из турбокомпаунда также 6.

снижается примерно на 100 °C. Выхлопные газы отводятся через выпускную систему.

Турбокомпаундный дизель На автомобилях турбокомпаунд появился в 1991 году, когда фирма «Scania» представила автомобильный шестицилиндровый дизель «DTC11», оснащенный силовой турбиной. Данный двигатель имел рабочий объем 11 литров и развивал мощность 400 л.с. Также он был на пару сотен килограммов легче 14-литровой «восьмерки» аналогичный мощности без турбокомпаунда.

Инженеры «Scania» предвещали этому мотору прекрасное будущее, но как оказалось двигатель «DTC11» работал слишком «жестко». Кроме того, он показал недостаточную топливную экономичность. В результате спрос на данный двигатель был недостаточным (выпущено всего 1500 шт.), поэтому его производство было свернуто.

Это неудача привела к тому, что появления нового шведского шестицилиндрового турбокомпаундного двигателя «Scania DT 12 02»

затянулось. Чтобы не потерять провал, «Scania» в 1998 году запустила в опутную эксплуатацию 25 грузовиков с турбокомпаундом. Отзывы водителей – самые хорошие. Новый мотор работает очень тихо, а также экономичность на высоком уровне.

Преимущества и недостатки

Плюсы:

рост эффективного КПД двигателя, а, следовательно, низкий o удельный расход топлива;

вращение коленчатого вала дополняется постоянного передачей o усилия от силовой турбины, что сглаживает пульсацию нагрузки, вызванную периодическими тактами сгорания в цилиндрах;

разгрузка поршневой части двигателя приводит к улучшению o показателей надежности и долговечности.

Источник