복합 증기 기관

Compound steam engine
복합 증기 기관차는 복합 기관차를 참조한다.
복동 3중 팽창식 선박용 엔진
고압 증기(빨간색)는 3단계를 거쳐 저압 증기(파란색)로 콘덴서로 배출됩니다.
트리플 팽창 복합 증기 엔진 컷어웨이, 1888
로비 수평 복합 증기 기관
소형 고압 실린더(왼쪽) 및 대형 저압 실린더(오른쪽)

복합증기엔진유닛은 증기가 2단계 [1][2]이상 팽창하는 증기엔진의 일종이다.복합 엔진의 일반적인 배열은 증기가 먼저 고압(HP) 실린더에서 팽창한 후 열을 방출하고 압력을 손실한 후 하나 이상의 대용량 저압(LP) 실린더로 직접 배출되는 것입니다.다중 팽창 엔진은 [3]증기에서 추가 에너지를 추출하기 위해 점진적으로 낮은 압력의 추가 실린더를 사용합니다.

1781년에 발명된 이 기술은 1804년 콘월 빔 엔진에 처음 적용되었다.1850년경, 복합 엔진은 랭커셔 섬유 공장에 처음 도입되었다.

복합 시스템

복합 시스템과 구성이 많이 있지만 HP 및 LP 피스톤 스트로크가 단계적으로 진행되는 방법과 HP 배기가스가 HP에서 LP(Woolf compounds)로 직접 통과할 수 있는지 또는 압력 변동으로 증기실 또는 파이프 형태의 중간 "버퍼" 공간이 필요한지 여부에 따라 두 가지 기본적인 유형이 있습니다.리시버(복원 화합물).[4]

단일 팽창(또는 '단순') 증기 엔진에서 고압 증기는 흡기 밸브를 통해 보일러 압력으로 실린더로 들어갑니다.증기 압력은 밸브가 닫힐 때까지(예: 피스톤 스트로크의 25% 이후) 피스톤을 실린더 아래로 밀어 넣습니다.증기 공급이 차단되면 갇힌 증기가 계속 팽창하여 피스톤을 스트로크 끝까지 밀어내고 배기 밸브가 열려 부분적으로 고갈된 증기를 대기 또는 콘덴서로 배출합니다.이러한 "차단"은 증기의 팽창이 보일러 [5]압력에서 증기에 의해 수행되는 것보다 더 많은 작업을 수행하므로 훨씬 더 많은 작업을 추출할 수 있게 합니다.

컷오프가 빠를수록 팽창비가 증가하므로 원칙적으로 더 많은 에너지를 추출할 수 있고 효율이 높아집니다.이상적으로는 증기가 단열로 팽창하고 체적 증가에 따라 온도가 낮아집니다.그러나 실제로는 주변 실린더의 재료가 열 저장소로 작용하여 팽창의 초기 부분에서 증기를 냉각시키고 이후 부분에서 증기를 가열합니다.이러한 불가역적인 열 흐름은 공정의 효율성을 감소시키기 때문에 특정 지점을 넘어서 팽창 비율을 더 높이면 평균 유효 압력 및 [5]엔진의 출력을 감소시킬 뿐만 아니라 실제로 효율이 감소합니다.

복합 엔진

딜레마에 대한 해결책은 1804년 영국의 엔지니어 Arthur Woolf에 의해 발명되었는데, 그는 1805년 그의 Woolf 고압 복합 엔진에 특허를 냈다.복합엔진에서 보일러로부터의 고압증기는 우선 고압(HP) 실린더 내에서 팽창한 후 하나 이상의 후속 저압(LP) 실린더로 들어간다.증기의 완전한 팽창은 여러 실린더에 걸쳐 발생하며, 각 실린더의 팽창이 적기 때문에 각 실린더의 증기가 덜 냉각되므로 팽창률이 높아지고 엔진의 효율이 높아집니다.

온도 범위가 작을수록 실린더 응결이 감소한다는 다른 이점도 있습니다.응축으로 인한 손실은 LP 실린더로 제한됩니다.각 실린더에서 압력 차이가 작기 때문에 피스톤과 밸브에서 증기 누출이 줄어듭니다.회전 모멘트가 보다 균일하기 때문에 밸런스가 용이하고 작은 플라이휠을 사용할 수 있습니다.가장 높은 압력을 견딜 수 있도록 작은 HP 실린더만 제작하면 전체 중량을 줄일 수 있습니다.마찬가지로 컴포넌트는 부하가 적어 경량화할 수 있습니다.엔진의 왕복 부분이 가벼워져 엔진 진동이 줄어듭니다.화합물은 사이클의 어느 지점에서나 시작될 수 있으며 기계적 고장 시 화합물이 단순하게 작용하도록 재설정되어 [4]계속 작동할 수 있습니다.

낮은 압력의 증기로부터 동일한 작업을 이끌어내려면 이 증기가 더 많은 부피를 차지하기 때문에 더 큰 실린더 부피가 필요합니다.따라서 보어와 드문 경우 스트로크가 저압 실린더에서 증가하여 실린더가 커집니다.

이중 팽창 엔진(일반적으로 '복합'이라고 함)은 증기를 두 단계로 팽창시키지만, 이러한 엔진이 모두 두 개의 실린더를 가지고 있다는 것을 의미하지는 않습니다.실린더 4개가 두 개의 LP-HP 쌍으로 작동하거나, 대형 LP 실린더의 작업을 두 개의 작은 실린더로 분할하여 하나의 HP 실린더가 LP 실린더로 배기되도록 함으로써 실린더와 피스톤 직경이 세 개 모두 거의 동일한 3기통 레이아웃을 제공하여 왕복 질량의 균형을 쉽게 잡을 수 있습니다.

2기통 화합물은 다음과 같이 배열할 수 있다.

  • 크로스 컴파운드 – 실린더가 나란히 있습니다.
  • 탠덤 컴파운드 – 실린더는 엔드 투 엔드로 공통 커넥팅 로드를 구동합니다.
  • 텔레스코픽 컴포지트 – 실린더가 서로 내부에 있습니다.
  • 각도 컴포지트 – 실린더는 Vee(일반적으로 90° 각도로)에 배치되어 공통 [Cylinder phasing]크랭크를 구동합니다.

복합화의 채택은 비용 절감으로 출력을 높여야 하는 고정 산업 단위에서 광범위하게 이루어졌으며, 1880년 이후 선박용 엔진에서 거의 보편화되었습니다.이것은 종종 복잡하고 가혹한 철도 운영 환경과 적재 게이지에 의해 제공되는 제한된 공간에 적합하지 않은 것으로 인식되는 철도 기관차에서 널리 사용되지 않았습니다 (특히 영국에서).복합화는 영국 철도에서 결코 흔하지 않았고 1930년 이후에는 전혀 사용되지 않았지만, 다른 [6]많은 나라에서 제한적으로 사용되었습니다.

1933년 조지와 윌리엄 베슬러가 일반적인 커티스 OX-5 인라인 또는 방사형 가솔린 엔진 대신 트래블 에어 2000 복엽기를 자체 설계의 150hp 각도 복합 V-트윈 증기 엔진으로 비행하도록 개조하면서 공기보다 무거운 고정익 항공기를 성공적으로 비행하려는 시도가 처음 이루어졌다.allie 사용.[7][8]

다중 확장 엔진

복동식 3중 팽창식 선박용 엔진.
고압 증기(빨간색)는 3단계를 거쳐 저압 증기(파란색)로 콘덴서로 배출됩니다.

효율을 높이기 위해 확장을 더 많은 단계로 분할하는 것은 복합 엔진(위에서 설명한)의 논리적 확장입니다.그 결과 다중 확장 엔진이 생성됩니다.이러한 엔진은 3단계 또는 4단계 확장 엔진을 사용하며 각각 트리플 확장 엔진과 쿼드러플 확장 엔진으로 알려져 있습니다.이러한 엔진은 직경 및/또는 스트로크 및/또는 부피가 점진적으로 증가하는 일련의 복동 실린더를 사용합니다.이러한 실린더는 각 팽창 단계마다 하나씩, 3개 또는 4개의 동일한 부분으로 작업을 분할하도록 설계되었습니다.인접한 이미지는 트리플 익스팬션 엔진의 애니메이션을 보여줍니다.증기는 엔진을 왼쪽에서 오른쪽으로 이동합니다.각 실린더의 밸브실은 해당 실린더의 왼쪽에 있습니다.

역사

초기 작업

  • 1781년 - 콘월에 있는 뉴코멘의 엔진 직립자 중 한 명의 손자인 조나단 혼블러는 1781년에 2기통 복합 왕복 빔 엔진을 특허 취득했다.그는 자신의 특허가 [9]침해되었다고 주장한 제임스 와트에 의해 그것을 더 이상 개발하는 것을 막았다.
  • 1804 – 비효율성을 초래하는 단일 확장 증기 엔진의 지속적인 가열 및 냉각 규모를 줄이는 방법이 영국의 엔지니어 Arthur Woolf에 의해 발명되었습니다.Woolf는 1805년에 정지해 있는 Woolf 고압 복합 엔진에 특허를 취득했습니다.

이중 확장

  • 1845 – William McNaught는 기존 빔 엔진 내에 추가적인 고압 실린더를 고정하는 방법을 고안했습니다.그러기 위해서는 긴 파이프를 사용하여 실린더를 연결하고 밸브 세트를 추가로 사용하여 실린더의 균형을 맞춰야 합니다.사실상 이것은 상자를 받는 역할을 했고, 새로운 형태의 화합물이 발명되었다.이 시스템은 증기 흡입구와 차단을 더 잘 제어할 수 있게 해 주었다.엔진은 증기의 압력을 감소시키는 스로틀이나 두 기통 중 하나의 차단을 조정하여 감속할 수 있습니다.후자는 전력이 손실되지 않았기 때문에 더 효율적이었다.두 실린더의 [10]위상이 맞지 않아 주기가 더 부드러워졌습니다.
  • 1865 – 300hp 복합 증기 엔진을 장착한 아가멤논 SS(1865)가 출시되었습니다.이 엔진은 그녀의 주인 중 한 명인 알프레드 홀트에 의해 디자인되었다.Holt는 통상적인 25psi가 아닌 60psi의 보일러 압력을 허용하도록 무역위원회를 설득했다. - 이중 팽창의 이점을 실현하기 위해서는 더 높은 압력이 필요했다.그 효율 덕분에 이 배는 코일링 전에 8,500마일을 항해할 수 있었다.이로 인해 그녀는 중국과 [11][12][13]영국을 오가는 노선에서 경쟁력을 갖추게 되었다.

다중 확장

Coldharbour Mill Pollit과 Wigzell의 크로스 컴포지트 엔진은 뒤에서 볼 수 있는 로프 레이스를 구동하여 제분소의 5개 층 모두에 있는 라인 샤프트에 동력을 전달합니다.
  • 1861 – Daniel Adamson은 하나의 빔 또는 크랭크축에 3개 이상의 실린더가 연결된 다중 팽창 엔진에 대한 특허를 취득했습니다.그는 1867년 [14]두킨필드의 빅토리아 밀스를 위해 3중 팽창 엔진을 만들었다.
  • 1871년 – [14]르아브르 출신의 찰스 노르망드는 1871년 센 강 보트에 3중 팽창 엔진을 장착했다.
  • 1872년 – Fredrick J. Bramwell 경은 45psi에서 60psi로 작동하는 복합 선박 엔진이 지정된 [14]마력당 시간당 2파운드에서 2.5파운드의 석탄을 소비한다고 보고했습니다.
  • 1881 – 알렉산더 카네기 커크는 3중 팽창 [15]엔진에 의해 성공적으로 구동된 최초의 대형 선박인 SS 애버딘을 건조했다.
  • 1887 – HMS Victoria는 3중 팽창 [16]엔진을 탑재한 최초의 전함이다.
  • 1891 – 160psi로 작동하는 삼중 팽창 복합 선박 엔진으로, 표시된 [14]마력당 시간당 평균 약 1.5파운드의 석탄을 소비합니다.

적용들

펌프 엔진

주요 기사: Cornish 엔진

밀 엔진

주요 기사:정지 증기 기관
1914년 콜의 크레이븐 밀스에서 제작된 마첸트 & 몰리 수평 탠덤 복합 엔진.공기 펌프 및 제트 콘덴서는 LP 실린더에서 가장 가깝습니다.Morley의 특허 피스톤 드롭 밸브가 장착되어 있습니다.

첫 번째 공장은 수력 발전으로 구동되었지만, 증기 엔진이 채택되고 나면 제조업체는 더 이상 수돗물로 공장을 세울 필요가 없었습니다.목화 방적에는 그 수요를 충족시키기 위해 더 큰 제분소가 필요했고, 이로 인해 소유주들은 점점 더 강력한 엔진을 요구하게 되었습니다.보일러 압력이 60psi를 넘었을 때 복합 엔진은 열역학적 이점을 얻었지만 화합물 채택의 결정적 요인은 부드러운 스트로크의 기계적 이점이었다.1859년 맨체스터 지역의 제분소에는 75,886 ihp(표시[ihp] 마력)의 엔진이 있었으며, 그 중 32,282 ihp는 화합물에 의해 공급되었지만, [17]60psi 이상에서 작동하는 보일러에서 생산된 것은 41,189 ihp에 불과했다.

일반적으로 1860년과 1926년 사이에 모든 랭커셔 공장은 화합물에 의해 움직였다.버클리 앤 테일러가 와이 2호 밀을 위해 지은 마지막 건물, 쇼.이 엔진은 2500ihp의 크로스 컴포지트 설계로 24피트 90톤의 플라이휠을 구동하며 [18]1965년까지 작동했습니다.

해상 응용 프로그램

주요 기사:선박용 증기 기관
트리플 익스팬션 엔진 모델
크리스토퍼 콜럼버스 SS에 동력을 공급한 1890년대 트리플 익스팬션(42인치 스트로크로 공통 프레임에 직경 26, 42, 70인치 실린더 3개) 해양 엔진.
SS 우코페카 3단 확장 선박 엔진
140톤 – 또한 135톤 – 세계 2차대전 자유선박에 사용된 유형의 수직 3중 팽창 증기 엔진으로, 인도 전 테스트를 위해 조립되었습니다.이 엔진은 길이 6.4m, 높이 19피트(5.8m)로 76rpm으로 작동하며 리버티호는 약 11노트(12.7mph)의 속도로 추진하도록 설계됐다.

해양 환경에서는 선박이 석탄 공급을 운반해야 했기 때문에, 일반적인 요구 사항은 자율성과 운항 범위 확대였다.따라서 오래된 소금물 보일러는 더 이상 적절하지 않았고 콘덴서가 있는 폐쇄형 담수 회로로 대체해야 했습니다.1880년 이후로는 3단계 또는 4단계(3배 및 4배 확장 엔진)를 사용한 다중 확장 엔진입니다.이러한 엔진은 각 팽창 단계에서 작업을 적절히 3개 또는 4개의 동일한 부분으로 나누도록 설계된 점진적으로 증가하는 직경 및/또는 스트로크(및 부피)의 복동 실린더를 사용했습니다.공간이 프리미엄인 경우 저압 단계를 위해 대용량의 작은 실린더 두 개를 사용할 수 있습니다.다중 팽창 엔진은 일반적으로 실린더가 일렬로 정렬되어 있었지만, 다양한 다른 형태가 사용되었습니다.19세기 후반, 야로-슐릭-트위디 균형 '시스템'은 일부 선박용 3중 팽창 엔진에 사용되었다.Y-S-T 엔진은 저압 팽창 단계를 엔진의 양 끝에 하나씩 있는 두 개의 실린더로 나눕니다.이를 통해 크랭크축의 밸런스가 개선되어 보다 부드럽고 빠르게 반응하는 엔진이 생성되어 진동이 적었습니다.이 때문에 4기통 3중 팽창 엔진은 대형 여객선(올림픽 클래스 등)에서 인기를 끌었지만, 결국 사실상 진동이 없는 증기 터빈으로 대체되었다.

이러한 유형의 엔진의 개발은 응축기로 배출함으로써 바닷물을 사용할 수 없었던 보일러에 물을 공급하기 위해 재활용할 수 있었기 때문에 증기선에서 사용하는 데 있어 중요했습니다.육상 증기 엔진은 보통 급수를 쉽게 구할 수 있기 때문에 증기의 많은 부분을 단순히 소진시킬 수 있었다.제2차 세계대전 이전과 그 기간 동안 확장 엔진은 선박의 빠른 속도가 필수적이지 않은 해상 응용 분야를 지배했습니다.그것은 군함이나 원양 선박과 같이 속도가 필요할 때 증기 터빈으로 대체되었다.1905년의 HMS 드레드노트는 왕복 엔진의 검증된 기술을 당시 신관 증기 터빈으로 대체한 최초의 주요 군함이었다.

철도기관차에 적용

주요 기사:복합 기관차

철도 기관차 애플리케이션의 경우, 복합화에서 추구한 주요 이점은 연료와 물 소비의 경제성 + 긴 주기에 걸쳐 발생하는 온도 및 압력 강하로 인한 높은 동력/중량 비율이었습니다. 이는 효율성을 증가시키는 결과를 낳았습니다. 추가적인 인식된 이점에는 더 많은 토크가 포함되었습니다.

복합 기관차의 설계는 제임스 사무엘이 1856년에 특허받은 "연속 확장 기관차"[19]로 거슬러 올라가지만, 철도 복합화의 실제 역사는 1870년대 아나톨 말렛의 설계로 시작된다.말렛 기관차는 미국에서 노퍽과 서부 철도에 의해 간선 증기의 끝까지 운행되었다.프랑스의 알프레드 조지 드 글렌의 디자인도 특히 앙드레 샤펠론의 재건축에서 중요한 역할을 했습니다.1900년경에는 다양한 복합 설계가 시도되었지만, 복잡성과 유지보수의 책임으로 인해 대부분은 단기간에 인기를 끌었습니다.20세기에는 과열기가 널리 채택되었고, 대부분의 증기 기관차는 단순 확장형이었다(일부 복합 기관차는 단순 팽창식이었다.엔지니어들은 기관차가 일정한 속도로 작동한다는 것을 알고 있었다. 기관차는 크게 개방된 조절기와 조기 차단기로 가장 효율적으로 작동했으며, 초기 차단기는 후진 기어를 통해 설정되었다.증기 차단(예를 들어 피스톤 스트로크의 15%에서)이 매우 이른 시기에 운행되는 기관차는 스트로크 종료 시 낭비되는 에너지를 줄이면서 증기를 최대한 확장할 수 있습니다.과열은 이러한 팽창으로 인해 발생할 수 있는 응축 및 압력 손실을 제거합니다.

미국의 대형 기관차는 열차 브레이크에 두 개의 교차 복합 증기 구동 공기 압축기(예: Westinghouse 8 1/2" 150-D)[20]를 사용했습니다.

메모들

^ 실린더 페이싱:철도 작업에 사용되는 2기통 컴파운드를 사용하면 피스톤은 90°의 위상 이탈 상태에서 단순하게 2기통처럼 크랭크에 연결됩니다(사분면).

이중 팽창 그룹을 복제하여 4기통 화합물을 생성하는 경우, 그룹 내 개별 피스톤은 일반적으로 180°에서 균형을 이루며, 그룹은 서로 90°로 설정됩니다.한 가지 경우(보클레인 화합물의 첫 번째 유형)에서는 피스톤이 공통 크로스헤드 및 크랭크를 구동하는 동일한 상으로 작동했으며, 2기통 엔진의 경우 다시 90°로 설정되었습니다.

3기통 컴파운드 배열의 경우 LP 크랭크는 90°, HP 크랭크는 135°에서 나머지 2개 크랭크는 120°로 설정되었습니다.

^ihp: 밀 엔진의 출력은 원래 공칭 마력으로 측정되었지만, 이 시스템은 복합, ihp 또는 표시된 마력에 적합한 복합 맥노트 시스템의 출력을 과소평가했습니다.경험적으로 ihp는 복합 [21]엔진에서 2.6배 nhp입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ van Riemsdijk, John (1970), "The Compound locomotive, Parts 1, 2, 3", Transactions of the Newcomen Society (2)
  2. ^ Van Riemsdijk 1994, 페이지 4-9. 오류::
  3. ^ 힐스(1989), 페이지 147
  4. ^ a b Raiput, R.K. (2005), "17", Thermal Engineering (5th ed.), Bangalore, New Delhi: Laxmi Publications, pp. 723 et seq, ISBN 978-81-7008-834-9, OCLC 85232680
  5. ^ a b Semmens & Goldfinch (2003), 페이지 147, 162, 스팀 사용: 확장 및 복합. 오류:: Goldfinch 2003
  6. ^ Van Riemsdijk 1994, 페이지 2-3. 오류::
  7. ^ "세계 최초의 증기 구동 비행기" Popular Science, 1933년 7월 도면과 함께 상세한 기사
  8. ^ George & William Besler (29 April 2011). The Besler Steam Plane (YouTube). Bomberguy.
  9. ^ Encyclopédia Britanica Online, 2007년 3월 29일 취득.
  10. ^ 힐스(1989), 페이지 157
  11. ^ Clark, Arthur H. (1911). The Clipper Ship Era 1843-1869. New York: G.P. Putnam Sons.
  12. ^ 영국 그리니치 국립해양박물관, http://collections.rmg.co.uk/collections/objects/66013.html
  13. ^ Jarvis, Adrian (1993). "9: Alfred Holt and the Compound Engine". In Gardiner, Robert; Greenhill, Dr Basil (eds.). The Advent of Steam – The Merchant Steamship before 1900. Conway Maritime Press. pp. 158–159. ISBN 0-85177-563-2.
  14. ^ a b c d 힐스(1989), 페이지 241.
  15. ^ Day, Lance and McNeil, Ian (Editors) 2013, 테크놀로지 루트리지의 역사사전, ISBN 0-203-02829-5(694페이지)
  16. ^ Macintyre, Donald; Bathe, Basil W (1974). Man of War a History of the Combat Vessel. Reference to the first battle ship with triple-expansion steam engines. Mcgraw-hill Inc. p. 95. ISBN 9780070445857.
  17. ^ 힐스(1989), 페이지 160.
  18. ^ 힐스(1989), 페이지 281.
  19. ^ Compound Engines facsimile reprint, Ann Arbor, MI: Scholarly Publishing Office, University of Michigan Library, 2005, pp. 16, 17, ISBN 1-4255-0657-7
  20. ^ 1941 Loconotive Cyclopedia of American Practice, 11판, Simmons-Boardman Publishing Corporation, 뉴욕 처치 스트리트 30, 페이지 813
  21. ^ 힐스(1989), 페이지 145

참고 문헌

추가 정보

외부 링크

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