Назначение парораспределительного механизма и его составные части
Парораспределительный механизм предназначен для обеспечения впуска свежего пара в цилиндры и выпуска из них отработавшего пара для изменения мощности и реверсирования машин, т. е. изменения направления вращения коленчатого вала. Экономичность паровой машины и плавность ее хода полностью зависят от правильности установки и регулировки парораспределительного механизма.
Парораспределительный механизм паровой машины состоит из внутреннего и внешнего органов. Внутренним органом является золотник или клапан, регулирующий впуск и выпуск пара по полостям цилиндров. Внешним органом парораспределительного механизма является привод, который связан с коленчатым валом и обеспечивает согласование положения золотника или клапана с положением поршня.
В судовых паровых машинах наиболее распространено золотниковое парораспределение.
На рис. 53 изображена простейшая схема одноцилиндровой паровой машины с золотниковым парораспределением. Золотниковая коробка паровыми каналами сообщается с верхней и нижней полостями цилиндра. При показанном на рисунке положении золотника в верхнюю полость впускается свежий пар, а из нижней выпускается отработавший пар. Золотник приводится в движение приводом, состоящим из золотникового штока, эксцентриковой тяги, бугеля и эксцентрика.
Золотник представляет собой прямоугольную коробку. Справа вверху показан вид, на золотник со стороны внутренней полости (заштрихованная), а справа внизу — поверхность золотниковой коробки, называемая золотниковым зеркалом, по которой скользит золотник. Золотник имеет кромки, называемые внешними и внутренними парораспределительными кромками.
На рисунке слева заштрихованы верхнее и нижнее паровпускные окна золотниковой коробки. Среднее окно, соединенное с трубой отработавшего пара, называется паровыпускным окном.
Золотники
Классификация золотников производится по нескольким признакам.
По конструкции — на плоские (коробчатые) и цилиндрические с перекрышами и без перекрышей.
По способу впуска пара — с наружным или внутренним впуском, с двойным впуском и одинарным выпуском, с двойным впуском и двойным выпуском.
Конструкции золотников приведены на рис. 54 и 55.
На рис. 54 показано взаимное расположение эксцентриситетов, мотылей и золотников при внешнем и внутреннем подводах пара.
Золотник, у которого высота полей h равна высоте паровпускных окон «а», называется золотником без перекрышей или простым (нормальным) золотником.
Золотник, который в среднем положении не только закрывает паровпускные окна, но и перекрывает их своими удлиненными полями, называется золотником с перекрышами. Часть поля золотника, перекрывающая окно со стороны впуска пара, называется паровпускным перекрышем, а со стороны выпуска — паровыпускным перекрышем. Высота верхнего hB и нижнего hH полей золотника определяется суммированием соответствующих высот паровпускных окон а1 и а2, паровпускных Рв и Рн и паровыпускных qB и qH перекрышей.
Впуск пара называется внешним, если свежий пар поступает в цилиндр из золотниковой коробки, проходя мимо внешней кромки золотника.
Впуск пара называется внутренним, если свежий пар поступает в, цилиндр через внутреннюю полость золотника мимо внутренней кромки его.
В современных судовых паровых машинах применяются цилиндрические и плоские золотники. Последние используются преимущественно для цилиндра низкого давления в машинах многократного расширения и иногда для цилиндра среднего давления, если давление в золотниковой коробке ЦСД не превосходит 6—8 кГ/см2. Для ЦВД и ЦСД машин трехкратного расширения чаще всего применяют простые цилиндрические (рис. 55, а) или с дополнительным каналом для впуска пара (рис. 55,6) золотники; для ЦНД, а иногда и для ЦСД— плоские с кромками (рис. 55, в и г) или пятипролетные коробчатые (рис. 56, д).
Главное преимущество цилиндрических золотников перед плоскими — полная уравновешенность их от прижимающего действий пара, а недостаток — большое вредное пространство.
Золотники с дополнительным каналом (рис. 55,6) обеспечивают двойной впуск и простой выпуск пара. Дополнительные паровпускные каналы в паровпускных перекрышах позволяют уменьшить мятие пара при впуске и сократить ход золотника за счет уменьшения эксцентриситета на 15—20%.
Золотники с крышкой — это уравновешенные золотники с двойным впуском и двойным выпуском пара.
В зависимости от конструкции и паровпускной кромки (внешней или внутренней) они могут иметь внешний (см. рис. 55, в) или внутренний (см. рис. 55, г) подвод пара.
Пятипролетный коробчатый золотник (см. рис. 56,д) обеспечивает двойной впуск и двойной выпуск пара за счет дополнительных сквозных поперечных каналов.
При парораспределении золотниками с двойным впуском и двойным выпуском пара значительно уменьшается мятие пара, а эксцентриситет выполняется в два раза меньшим, чем для простого золотника.
Плоские и цилиндрические золотники изготовляют из высококачественного серого чугуна тех же марок, из которых изготовлены золотниковые втулки или зеркало золотника (СЧ24-44, СЧ28-48).
Парораспределительные приводы
Схема двухэксцентрикового привода с кулисой секторного типа, применяемого в главных и вспомогательных паровых машинах, приведена на рис. 56, а. Установленные рядом два эксцентрика служат один для переднего, другой для заднего хода. Эксцентрик представляет круглый чугунный (или стальной) диск, эксцентрично и жестко насаженный на коленчатый вал, который служит своего рода мотылем.
Угол между направлениями мотыля и эксцентриситета называется углом установки эксцентриситета. Величина угла установки зависит от способа подвода пара и конструкции золотника. Эксцентрики охватываются бугелями, которые соединены с нижними концами эксцентриковых тяг. Верхние концы тяг соединены с сектором кулисы при помощи подшипников. По сектору кулисы скользит ползун золотникового штока, называемый кулисным камнем.
Реверсирование машины обеспечивается подводом того или иного конца кулисы к головке золотникового штока (кулисному камню). Сектор кулисы перемещается с помощью тяги путем поворота переводного вала и жестко сидящего на нем мотыля.
Поворот переводного вала у машин малой мощности осуществляется обычно вручную посредством штурвала или рычага. У машин большой мощности поворот вала осуществляется специальной переводной паровой машиной.
При среднем положении кулисы, т. е. когда кулисный камень будет находиться на ее середине, на золотник будут действовать одновременно оба эксцентрика. В этом случае парораспределение будет расстроено и машина не сможет вращаться, что соответствует положению «стоп».
Кроме рассмотренного двухэксцентрикового кулисного привода, у некоторых машин применяются одноэксцентриковые и безэксцентриковые золотниковые приводы. Основное преимущество их состоит в том, что золотниковые коробки с золотниками могут располагаться сбоку цилиндров. Этим сокращается общая длина машины.
Наибольшее распространение получил одноэксцентриковый привод с подвесной тягой (рис. 56,б).
Изменение направления вращения коленчатого вала производится путем перемены положения подвесной тяги переводным мотылем вручную штурвалом или переводной машиной.
Парораспределение простым золотником и золотником с перекрышами
Парораспределение простым золотником
При нахождении мотыля в верхней мертвой точке, как показано на рис. 57, а, при внешнем подводе свежего пара ни впуска, ни выпуска пара из полостей цилиндра не должно происходить, так как золотник находится в среднем положении. Для выполнения этого условия угол между радиусом мотыля и эксцентриситетом составляет 90° и эксцентрик движется впереди мотыля.
При движении золотника вниз открываются паровые окна. Пар поступает в верхнюю полость цилиндра и выходит из нижней. Поршень движется вниз. Когда поршень займет среднее положение, золотник придет в крайнее нижнее положение и откроет полностью паровые окна. Мотыль ОА и эксцентриситет Оа эксцентрика займут положение, указанное на рис. 57, б.
При дальнейшем движении поршня вниз золотник пойдет вверх и займет среднее положение при крайнем нижнем положении поршня. Впуск и выпуск пара в цилиндр прекратятся.
Двигаясь вверх, золотник опять откроет окна. Теперь пар начнет поступать в нижнюю полость цилиндра и выходить из верхней. Поршень будет двигаться вверх.
Чередованием описанных процессов обеспечивается работа паровой машины.
Аналогично будет работать машина и при внутреннем впуске пара. В этом случае угол установки эксцентрика составляет также 90°, но он (эксцентрик) будет следовать за мотылем.
В рассматриваемом случае впуск свежего пара в цилиндр происходит в течение всего хода поршня от в.м.т. к н.м.т. полным давлением без расширения. В результате экономичность машины низкая, вращение вала происходит рывками (неравномерно) и переход поршня через мертвые точки затруднителен. Поэтому простые золотники применяются лишь в некоторых вспомогательных сдвоенных паровых машинах (рулевых, валоповоротных, лебедках и т. д.).
Парораспределение золотником с перекрышами
Все главные паровые машины, а также ответственные вспомогательные механизмы снабжаются золотниками с перекрышами, благодаря чему машины работают плавно и более экономично.
При золотнике с перекрышами впуск свежего пара в цилиндр происходит не на протяжении всего хода поршня, а лишь на определенной части его, после чего поршень движется под действием давления расширяющегося пара в цилиндре. В дальнейшем производится предварение выпуска, т. е. выпуск пара из работающей полости начинается еще до прихода поршня в крайнее положение.
Кроме того, при подходе поршня к крайнему положению прекращается выпуск отработавшего пара из другой полости (отсечка выпуска), благодаря чему оставшийся пар сжимается поршнем. При этом создается упругая паровая подушка, которая смягчает переход мотыля через мертвую точку.
Перед приходом поршня в крайнее положение золотник открывает впуск свежего пара навстречу поршню (предварение впуска), вследствие чего поршень плавно переходит через крайнее положение и сразу движется в обратном направлении.
Таким образом, при перемещении поршня из верхнего крайнего положения в нижнее происходят следующие процессы в цилиндре: предварение впуска и впуск пара, расширение пара, предварение выпуска, выпуск и сжатие пара.
Если поршень находится в одном из крайних положений, то для впуска пара в соответствующую полость золотник с перекрышами не должен стоять в среднем положении. Он должен быть сдвинут так, чтобы его внешняя кромка совпадала с кромкой паровпускного окна. Обычно для получения предварения впуска золотник устанавливается так, чтобы при крайнем положении поршня паровпускное окно в соответствующую полость было уже открыто на некоторую величину, называемую линейным опережением (Vв — верхним и Vн— нижним). Эксцентрик при этом имеет угол установки больший 90° на величину угла опережения «b». При внутреннем подводе пара угол установки эксцентрика меньше 90° на величину «b».
На рис. 57, II показаны основные моменты парораспределения золотником с перекрышами, положения поршня, мотыля и эксцентрика за один ход поршня от в.м.т. к н.м.т.
Назначение перекрышей и угла опережения
От правильной установки золотников и угла опережения в значительной мере зависят мощность машины, ее экономичность и легкость маневрирования. Изменение перекрышей и угла опережения оказывают большое влияние на парораспределение и его моменты.
Паровпускные перекрыши служат для впуска и отсечки впуска пара, а паровыпускные — для выпуска и отсечки выпуска, т. е. для сжатия. Паровпускные перекрыши всегда больше паровыпускных. У цилиндров с большим предварением выпуска и малой степенью сжатия поля золотника со стороны выпуска могут не иметь перекрышей, т. е. q = 0 или даже иметь отрицательные паровыпускные перекрыши.
При увеличении паровпускного перекрыша Р (см. рис. 54) предварение впуска наступит позже, а отсечка впуска раньше.
Величина паровыпускных перекрышей не оказывает никакого влияния на впуск пара. Но при увеличении паровыпускного перекрыша предварение выпуска наступит позже, а сжатие пара раньше.
При уменьшении перекрышей произойдут обратные изменения в парораспределении.
Наконец, продолжительность периода расширения зависит от величины как паровпускных, так и паровыпускных перекрышей, при этом увеличение паровпускного перекрыша увеличивает, а уменьшение паровыпускного перекрыша сокращает продолжительность расширения пара в цилиндре.
Изменение угла опережения «b» влечет изменение всех моментов парораспределения. При его увеличении все моменты парораспределения наступят раньше, причем степень впуска пара уменьшится, а степень предварения впуска, предварения выпуска, сжатия пара и линейное опережение увеличатся.
При уменьшении угла опережения «b» будут иметь место обратные изменения в парораспределении.
Это наблюдается при неверной установке эксцентрика на валу во время сборки машины или при изменении мощности паровых машин с бескулисными приводами и поворотными эксцентриками.
