Паровой двигатель Тауэра

[22sobaki.livejournal.com]

Вместо привычного нам цилиндра в этой паровой машине была сфера. Полая сфера, внутри которой все и происходило.


В сфере вращался и колебался диск, на каждой из сторон которого "перекидывались" туда-сюда четвертинки шара. Как видите, на словах это объяснить невозможно, поэтому гифка:

чуть помедленнее, гифка

Красные стрелки - подача свежего пара, синие - выпуск отработанного.

Валы размещались под углом 135 градусов друг к другу. Пар через отверстие в четвертинке поступал под прижатую к диску плоскость, расширялся (производя полезную работу) и после поворота четвертинки выходил через то же отверстие. Четверти, таким образом, выполняли функции клапанов подачи/удаления пара. Болтающийся диск делал то, что в обычной паровой машине делает поршень. А кривошипно-шатунного механизма не было вовсе, потому не надо было преобразовывать возвратно-поступательное движение во вращательное.
Главный узел:


Пока по одну сторону четвертинки происходил рабочий ход (расширение пара), по другую ее сторону производился холостой ход (выпуск отработанного пара). По ту сторону диска происходило то же самое со сдвигом по фазе на 90 градусов. Из-за взаимного положения четвертинок диску придавалось вращение и колебания.

По сути, это была карданная передача с внутренним источником энергии. Зеленый диск-крестовина карданной передачи совершает такие же вращательно-колебательные движения:


Вращение передавалось на два вала, выходящие из мотора. Снимать энергию можно было с обоих, но на практике, судя по рисункам, для привода использовали один.


Как отмечал французский журнал "La Nature" 1884-го года, сферический двигатель допускал повышенные по сравнению с поршневыми собратьями скорости вращения и, следовательно, хорошо подходил в качестве привода электрогенератора.
Двигатель обладал низкими уровнями шума и вибрации и был очень компактен. Мотор с внутренним диаметром шара 10 см и частотой вращения 500 об/мин при давлении пара 3 атм выдавал 1 лошадиную силу, при 8,5 атм - 2,5 л.с. Самая же большая модель диаметром 63 см обладала мощностью в 624 "лошадки".



Но. Сферический мотор был сложен в изготовлении, требовал больших расходов пара. Он выпускался и некоторое время реально эксплуатировался в качестве привода генераторов в британском флоте и на железных дорогах Great Eastern Railway (устанавливался на паровой котел и служил для электроосвещения вагонов). Однако из-за указанных недостатков не прижился.

P.S. Необходимо заметить, что изобретатель сферического коня двигателя Бошам Тауэр (Beauchamp Tower) не пропал для инженерии.

Судя по всему, он был первым, кто наблюдал "масляный клин" в подшипниках скольжения и измерял давления в нем. Т.е. современное машиностроение пользуется исследованиями мистера Тауэра до сих пор.

Почерпнуто здесь и там.

Comments

[alex-ak.livejournal.com]

Жжесть... Технически это аксиально-поршневая машина с золотниковым распределением. И да, это, наверное, одна из самых сложных реализаций. Сделать ее еще навороченнее вряд ли возможно. В чистом виде этот аппарат возможен только в виде гидромотора, потому что любое другое рабочее тело создаст непреодолимые проблемы со смазкой.

[22sobaki.livejournal.com]

Интересно, как это описывалось в патенте. Патентоведы, наверное, голову сломали, когда сочиняли формулу изобретения.

[alex-ak.livejournal.com]

Патент наверное можно найти. Мне, правда, не удалось. Надо знать, где искать, а я не знаю.

[fan-d-or.livejournal.com]

А в чём проблема создания формального описания?

В формуле описывается набор конструктивных признаков, по которым можно выявить изобретение - при этом, наличие причинно-следственных связей и общая "работоспособность" не требуется: эти информационные компоненты присутствуют в описании, прилагаемом к формуле - да и то не всегда...

[22sobaki.livejournal.com]

Вообще да.
Работоспособность изобретению необязательна. Иногда такую ахинею пишут в описании принципа работы)

[mirang.livejournal.com]

сейчас наверно можно поиграть с материалами, керамика, высокая точность изготовления. Для паровой машины наверно будет эффективно.

[alex-ak.livejournal.com]

Ну да. Большой расход пара, на который ссылается исходная статья, красноречиво говорит о недостатках оригинального двигателя. Надежно уплотнить диск и шаровые сегменты невозможно, оттого и неизбежные прорывы пара. Притертые беззазорные пары создают большое трение, и остается принципиально нерешаемый вопрос тепловых зазоров. В холодном состоянии двигатель должен хоть как-то проворачиваться, иначе он не стронется с места, но в процессе работы он нагреется примерно на 100 градусов, корпус увеличится больше, чем подвижная группа (назовем это так) и неизбежно появится зазор, а вместе с ним и утечки. Кстати, в оригинальной статье есть изображения таких машин с уплотнительными канавками на диске, но вот шаровые сегменты уплотнить намного сложнее.

Я поэтому и говорю - тут перспективнее смотреть на гидравлический или пневматический вариант, он хотя бы не так нагревается и в нем можно сделать беззазорные пары.

И еще. Изготавливать сферическую пару скольжения очень сложно, особенно шлифовать внутреннюю сферу. Уже одного этого достаточно, чтобы посмотреть в сторону намного более технологичных аксиально-поршневых машин. Они тоже бескривошипные, тоже обратимые, но там притертые плунжерные пары цилиндрические, и делать их на два порядка дешевле.

[e-pipe.livejournal.com]

С чего это корпус расширится больше, чем сегменты?

[alex-ak.livejournal.com]

Он должен быть из литейного материала - латунь, бронза, силумин, в крайнем случае чугун. Сегменты скорее всего стальные. У медных и алюминиевых сплавов коэффициент линейного расширения больше, чем у стали, у чугуна примерно такой же. Но даже если все из одного материала, мне кажется, что у сферической скорлупы размеры при нагреве поползут больше, чем у монолитных сегментов.

[e-pipe.livejournal.com]

Законы физики уверяют, что деталь с отверстием расширяется совершенно так же, как и деталь без отверстия. Конечно, если они из одинакового материала и одинаковой равномерной температуры.
В случае двигателя температура камеры будет даже ниже, чем температура сегментного поршня, за счет наличия теплоотвода.
Сегмент и диск должны быть из материала с высокой теплопроводностью, чтобы не было тепловых деформаций и напряжений (от них быстро выкрашиваются кромки). Обычно это алюминиевые сплавы.

[alex-ak.livejournal.com]

Практика машиностроения говорит, что детали сложной формы при неравномерном нагревании и расширяются неравномерно. Что заставляет, например, делать у поршней автомобильных двигателей юбку овальной. При рабочей температуре она принимает круглую форму. Впрочем, там и температуры больше, и температурные поля жесткие и с приличными градиентами.

Что касается материалов, то в период, когда такие двигатели строились серийно (1880-е годы), алюминий еще не умели получать в значимых количествах. Электролитический способ получения алюминия был предложен в 1886 году, а промышленное применение нашел только в начале XX века. Поэтому предположу, что на практике двигатели делались в основном из чугуния. К тому же мне кажется, что прочность чистого алюминия недостаточна для диска, а высокопрочные алюминиевые сплавы появились только в 1910-х годах.

[fan-d-or.livejournal.com]

>> Надежно уплотнить диск и шаровые сегменты невозможно,

Ничуть не сложней, чем обеспечить герметизацию традиционной поршневой пары - как и в цилиндрической поршневой паре уплотнение осуществляется по значительной поверхности контакта.
И в том и в другом случае это поверхность тела вращения, а движение элементов существляется по простой траектории с одной степенью свободы в каждом шарнирном элемете.

Сравнение с ванкелем совершенно неправомочно - там уплотнять требуется кромку, фрикционные пары имеют минимальную поверхность, а движение осуществляется по сложной траектории с несколькими степенями свободы одновременно.

Некоторую сложность этот двигун представлял только для технологий металлообработки того исторического периода - для нынешних технологий всё это не представляет никакой проблемы.

ХИНТ: на мой взгляд эта конструкция может быть весьма интересна для применения в подводных лодках с воздухонезависимыми энергоустановками - в силу свой принципиальной тихоходности и малошумности.

ХИНТ: интересно так же подумать о том, нельзя ли на этой основе соорудить стирлинг...

[alex-ak.livejournal.com]

В цилиндрической поршневой паре уплотнение кольцами, а как вы сделаете кольца на шаровом сегменте? Кстати надо учесть, что уплотнение должно быть и между окнами для впуска и выпуска пара. Или вы имеете в виду просто притертую пару? Но они работают только до определенной скорости и требуют хорошей смазки, а с паром это сложно. И вообще, подгонка золотников у паровых машин, шабровка, притирание и все связанные операции - было в то время адски трудозатратное дело, по трудоемкости сравнимое с постройкой всего остального паровоза.

Конечно, я учитывал, что эти двигатели серийно производились и применялись в 80-х годах XIX века. Потом их сменили турбодинамо (на паровозах), а после этого эпоха пара кончилась и все подобные небольшие двигатели стали электрическими.

Это не единственный тихоходный и бесшумный двигатель. Есть решения проще. В наше время эту нишу заняли аксиально-поршневые машины, и не по причине чьего-то самодурства, а просто как самые простые, технологичные и надежные.

Насколько я помню, у стирлинга должна быть приличная степень сжатия (или точнее расширения, в общем - изменения рабочего объема во время цикла), а у сферического двигателя она принципиально ограничена геометрией рабочего объема. И там очень жесткие требования к уплотнению рабочих объемов, так как чем больше давление рабочего тела, тем двигатель эффективнее. В общем, насчет стирлинга у меня есть сомнения, хотя возможно, все проблемы и решаемы.

[fan-d-or.livejournal.com]

>> В цилиндрической поршневой паре уплотнение кольцами, а как вы сделаете кольца на шаровом сегменте?

Сегментами колец - в чём проблема то?

Кроме того, точность обработки деталей сложной конфигурации выросла настолько, что и естественное уплотнение по всей поверхности вполне достижимо при не заоблачной стоимости.
Фишка ещё в том, что при правильном расчёте рабочих усилий притирка поверхностей в процессе работы обеспечит естественное уплотнение по сферическому контуру.

ХИНТ: проблема классической конструкции, из-за которой нет возможности обеспечить автопритирку - это нескомпенсированные боковые усилия, создаваемые КШМ, что ведёт к нарушению геометрии из-за неравномерного износа. Кроме того, рабочая поверхность изнашивается по замкнутому контуру и невозможно обеспечить компенсацию износа подачей контактирующих деталей: отверстие увеличивается, а поршень-затычка уменьшается.
Для сегментно-сферического контакта и рабочего движения по сфере можно обеспечить встречную подачу трущихся пар, что приведёт к самовосстановлению формы даже при существенном износе поверхностей...

Геометрия-с...

>> Но они работают только до определенной скорости и требуют хорошей смазки, а с паром это сложно.

С современными технологиями многие проблемы просто перестают существовать - взять хотя б вечные пары, в которых происходит восстановление поверхностей на молекулярном уровне.
Пар в этом отношении не хуже и не лучше - просто никто им нынче не занимается ввиду давнего окончания эпохи паровых машин.

>> И вообще, подгонка золотников у паровых машин, шабровка, притирание и все связанные операции - было в то время адски трудозатратное дело, по трудоемкости сравнимое с постройкой всего остального паровоза.

Вот именно.
Нынче именно с этим - всё абсолютно по другому, начиная от CAD в проектировании, позволяющих тонко учитывать любые нюансы, далее - автоматическое изготовление с очень высокой точностью и повторяемостью без участия человека, плюс совершенно иные условия в материаловедении, как технологическом фундаменте...

>> Насколько я помню, у стирлинга должна быть приличная степень сжатия (или точнее расширения, в общем - изменения рабочего объема во время цикла), а у сферического двигателя она принципиально ограничена геометрией рабочего объема.

Это чем же она ограничена?!
Что мешает при заданном угле поворота поршня ограничить остаточный объём камеры?

Тут всё, как и в традиционных поршневиках...

ХИНТ: насчёт уплотнений и вообще герметичности - надо просмотреть варианты мембранных камер...

ХИНТ: собственно, ключевая идея - это замена линейного движения радиальным.
И от этого и надо отталкиваться - и тут возможны варианты...

[Виталий (from livejournal.com)]

Даже сейчас в ВРД (дрыгателЯ для самолетов) используют регулируемый тепловой зазор в турбине.
Регулируется он там НЯП очень коственно, температурой газов - т.е. играя температурной деформацией, не механически .
В общем нагуглить хватит, нюансов не помню уже.

[quadro4.livejournal.com]

Ну почему же только гидро, а пневмо?

[alex-ak.livejournal.com]

Потому что в современных пневмосистемах не принято добавлять смазку в воздух. Хотя, почему нет? Как пневмодвигатель (и кстати, компрессор) будет работать ничуть не хуже..