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

[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...