Motor cu abur compound

Schema funcționării unui motor cu abur naval cu acțiune dublă și destindere triplă. Aburul de presiune înaltă (roșu) se destinde în trei trepte, fiind evacuat la presiune joasă (albastru) spre condensator. Sertarele de distribuție se află în stânga cilindrului corespunzător.

Motor cu abur compound orizontal, cu destindere dublă, produs de Robey: cilindrul mic, de presiune înaltă (stânga) și cel mare, de presiune joasă (dreapta)

Vedere a unui motor cu abur compound, cu destindere triplă, din 1888, secționat

Un motor cu abur compound este un motor cu abur cu destindere fracționată, adică destinderea aburului se face în două sau mai multe trepte. O configurație tipică pentru un motor compound este aceea că aburul se destinde inițial într-un cilindru de înaltă presiune (IP), apoi, după ce cedează căldură și îi scade presiunea, este evacuat într-unul sau mai mulți cilindri de joasă presiune (JP), cu volum mai mare, în care destinderea continuă. Motoarele cu destindere multiplă utilizează cilindri suplimentari, cu o presiune progresiv mai mică, în care din abur se extrage lucru mecanic suplimentar.

Inventată în 1781, această tehnică a fost folosită pentru prima dată la un motor cu balansier^⁠(d) din Cornwall în 1804. În jurul anului 1850, motoarele compound au fost introduse pentru prima dată în fabricile de materiale textile din Lancashire.

Sensul termenului „compound” este de „grupare împreună”, „compunere” .

Sisteme compound

Există multe sisteme și configurații compound, dar există două tipuri de bază, în funcție de modul în care sunt fazate cursele pistoanelor IP și JP. Prin urmare, dacă evacuarea din cilindrul de IP poate trece direct la cel de JP (de tip Woolf compound) sau dacă fluctuația presiunii necesită un rezervor „tampon” intermediar cunoscut sub numele de „receptor” (de tip McNaught compound cu receptor).

Într-un motor cu abur cu o singură destindere (destindere simplă) aburul de presiune înaltă intră în cilindru la presiunea din cazan printr-o supapă sau sertar de distribuție. Presiunea aburului mișcă pistonul în sensul creșterii camerei de destindere din cilindru, până când supapa se închide (de exemplu, după 25 % din cursa pistonului). După ce admisiunea aburului este întreruptă, aburul din cilindru continuă să se destindă, împingând pistonul până la capătul cursei sale, unde supapa sau sertarul de evacuare se deschide și evacuează aburul parțial epuizat în atmosferă sau într-un condensator. Această întrerupere a admisiunii aburului permite extragerea unui lucru mecanic mult mai mare, deoarece destinderea aburului efectuează un lucru mecanic suplimentar față de cel efectuat de abur la presiunea din cazan (în perioada de admisiune).

Încetarea timpurie a admisiunii crește raportul de destindere, ceea ce, în principiu, permite extragerea unei cantități mai mari de energie și crește randamentul termic. Ideal, aburul s-ar destinde adiabatic, iar temperatura ar scădea corespunzător creșterii volumului. Totuși, în practică materialul cilindrului acționează ca un rezervor de căldură, răcind aburul în prima parte a destinderii și încălzindu-l în partea finală. Aceste fluxuri de căldură ireversibile scad randamentul procesului, astfel încât, dincolo de un anumit punct, creșterea suplimentară a raportului de destindere ar reduce de fapt randamentul, pe lângă scăderea presiunii medii efective, prin urmare a puterii motorului.

Motoare compound

O soluție la această dilemă a fost dată în 1804 de inginerul britanic Arthur Woolf, care și-a brevetat în 1805 motorul compound de înaltă presiune Woolf. În motorul compound, aburul de înaltă presiune din cazan se destinde mai întâi într-un cilindru de înaltă presiune (IP) și apoi continuă destinderea într-unul sau mai mulți cilindri de presiune mai mică (JP). Destinderea completă a aburului are loc în mai mulți cilindri și, deoarece există o destindere mai mică în fiecare cilindru, aburul se răcește mai puțin în fiecare cilindru, ceea ce face ca rapoartele de destindere mai mari să fie practice și să crească randamentul motorului.

Există și alte avantaje: deoarece intervalul de temperatură este mai mic, condensarea în cilindru este redusă. Pierderea datorată condensării apare doar în cilindrul de presiune joasă (JP). Diferența de presiune este mai mică în fiecare cilindru, astfel încât există mai puține scurgeri de abur pe lângă piston și supape. Momentul și rotația sunt mai uniforme, astfel încât echilibrarea este mai ușoară și se poate utiliza un volant mai mic. Doar cilindrul IP mai mic trebuie să reziste la presiunea maximă, ceea ce reduce greutatea totală. Similar, componentele sunt supuse la o solicitare mai mică, astfel încâ pot fi mai ușoare. Părțile în mișcare alternativă ale motorului sunt mai ușoare, reducând vibrațiile motorului. Motorul compound poate fi pus în mișcare în orice moment al ciclului, iar în caz de defecțiune mecanică, motorul compound poate fi configurat să funcționeze ca un motor cu destindere simplă, putând astfel continua să funcționeze. Pentru ca în treapta de joasă presiune să se obțină același lucru mecanic ca în treapta de înaltă presiune este necesar un volum mai mare al cilindrului, deoarece acolo aburul are un volum masic mai mare. Prin urmare, alezajul și, în cazuri rare, cursa sunt mărite la cilindrii de presiune joasă, rezultând cilindri mai mari.

Motoarele cu destindere dublă (cunoscute de obicei sub denumirea de „motoare compound”) destind aburul în două trepte, dar acest lucru nu implică faptul că toate aceste motoare au doi cilindri. Pot avea patru cilindri care funcționează ca două perechi de IP–JP, sau lucrul mecanic al cilindrului mare, de JP, poate fi produs în doi cilindri mai mici, un cilindru IP evacuând aburul în ambii cilindri de JP, dând o configurație cu trei cilindri în care diametrul cilindrului și pistonului tuturor celor trei sunt aproximativ la fel, ceea ce face ca masele în mișcare alternativă să fie mai ușor de echilibrat.

Soluțiile constructive privind poziționarea cilindrilor pot fi:

• compound cu cilindri gemeni – cilindrii sunt situați alături;
• compound cu cilindri tandem – cilindrii sunt situați unul după altul, cu pistoanele pe aceeași tijă;
• compound cu cilindri telescopici – cilindrii sunt situați unul în altul;
• compound cu cilindri în unghi – cilindrii sunt situați „în V” (uzual la 90°) și acționează un arbore cotit comun.

După 1880 adoptarea motorului compound s-a răspândit la unitățile industriale staționare, unde era nevoie de o putere sporită la costuri cât mai mici și aproape peste tot la motoarele cu abur navale după 1880. Nu a fost utilizat pe scară largă în locomotivele feroviare, unde adesea era percepută ca fiind complicată și nepotrivită pentru mediul dur de folosire și pentru spațiul limitat oferit de gabarit (în special în Marea Britanie). Motorul compound nu a fost niciodată comun pe căile ferate britanice și nu a fost folosit deloc după 1930, dar, limitat, a fost utilizat în multe alte țări.

Prima încercare reușită de a zbura cu un avion acționat exclusiv de abur a avut loc în 1933, când George și William Besler a convertit un biplan Travel Air 2000 pentru a zbura cu un motor cu abur bicilindric în V, de 150 HP, proiect propriu, în loc de obișnuitul motor pe benzină, în linie sau radial, Curtiss OX-5 pe care l-ar fi folosit în mod normal.

Motoare cu destindere multiplă

Diagramă indicată a unui motor cu abur cu destindere triplă

Pentru a crește randamentul, o dezvoltare logică a motorului compound (descris mai sus) este fracționarea destinderii în mai multe trepte. Rezultatul este motorul cu destindere multiplă. În aceste motoare destinderea se face fie în trei, fie în patru trepte, fiind cunoscute sub numele de motoare cu destindere triplă, respectiv cu destindere cvadruplă. Aceste motoare utilizează o serie de cilindri cu acțiune simplă (doar pe o față a pistonului) sau dublă (pe ambele fețe ale pistonului, alternativ) cu diametre și/sau curse diferite, prin urmare cu volume care cresc progresiv. Acești cilindri sunt proiectați pentru a produce cantități egale de lucrul mecanic în fiecare dintre cele trei sau patru trepte de destindere. Imaginea alăturată prezintă diagrama indicată a unui motor cu destindere triplă. Suprafețele colorate sunt proporționale cu lucrul mecanic produs în fiecare treaptă: roșu în treapta de presiune înaltă, verde în treapta de presiune medie și albastru în treapta de presiune joasă.

Istoric

Începuturi

• 1781 – Jonathan Hornblower, nepotul unuia dintre constructorii de motoare Newcomen din Cornwall, a brevetat un motor compound cu balansier, cu doi cilindri. A fost împiedicat să-l dezvolte în continuare de James Watt, care a susținut că propriile sale brevete au fost încălcate.
• 1797 – Richard Trevithick a dezvoltat un motor cu abur de înaltă presiune eficient.
• 1804 – Arthur Woolf a dezvoltat motorul compound de înaltă presiune Woolf staționar, brevetat în 1805. Motorul Woolf a redus încălzirea și răcirea continuă a unui motor cu abur de înaltă presiune cu destindere simplă, care era ineficient. De asemenea, a rezolvat problema că cilindrii contemporani din fontă nu puteau funcționa bine.

Destindere dublă

• 1833 – PS Hercules (din 1829) a fost modificat să utilizeze un cilindru de presiune foarte joasă, preluat de la PS Agrippina (din 1827), cu abur din cilindrii de presiune înaltă. Această modificare a fost proiectată de inginerul olandez Gerhard Moritz Roentgen, care astfel a devenit inventatorul motorului compound naval. Remorcherul cu zbaturi respectiv a fost folosit cu succes pentru serviciul pe râul Waal, devenind prima navă cu motor compound care a intrat în serviciu.
• 1845 – William McNaught a conceput o metodă de adăugare a unui cilindru suplimentar de înaltă presiune la un motor cu balansier existent. Pentru a realiza acest lucru, a fost necesară utilizarea unei țevi lungi pentru a conecta cilindrii și a unui set suplimentar de supape pentru a-i echilibra. Practic, aceasta acționa ca un rezervor, fiind inventat un nou tip de motor compound. Acest sistem permitea un control mai bun al admisiei de abur și al întreruperii admisiunii aburului. Un motor putea fi încetinit fie cu o clapetă care reducea presiunea aburului, fie prin reglarea momentului întreruperii la oricare dintre cilindri. Aceasta din urmă era mai eficientă, deoarece nu se pierdea putere. Ciclul era mai lin, deoarece cei doi cilindri nu erau în aceeași fază.
• 1865 – A fost lansat SS Agamemnon, echipat cu un motor compound de 300 HP. Motorul a fost proiectat de Alfred Holt, unul dintre proprietarii săi. Holt convinsese Board of Trade^⁠(d) să permită o presiune a cazanului de 4 bar în loc de 1,7 bar, cât era atunci normal – era necesară o presiune mai mare pentru a valorifica avantajele destinderii duble. Randamentul obținut a permis acestei nave să parcurgă 15700 km (8500 de mile) înainte de realimentarea cu cărbune. Acest lucru l-a făcut competitiv pe rutele dintre China și Marea Britanie.

Destindere multiplă

Motorul compound cu cilindri gemeni Pollit și Wigzell la Muzeul Lânii de la filatura Coldharbour, care acționează tamburul cu cabluri vizibil în fundal, care transmite puterea către arbori de acționare de la toate cele cinci niveluri ale fabricii

• 1861 – Daniel Adamson a obținut un brevet pentru un motor cu destindere multiplă, cu trei sau mai mulți cilindri care acționează un balansier sau un arbore cotit. A construit un motor cu destindere triplă pentru Victoria Mills, Dukinfield, care s-a deschis în 1867.
• 1871 – Charles Normand, din Le Havre, a echipat o barcă de pe Sena cu un motor cu destindere triplă.
• 1872 – Frederick Bramwell a raportat că motoarele compound navale, funcționând la o presiune de 3 până la 4 bar, consumau între 0,9 și 1,1 kg de cărbune pe oră per HP indicat.
• 1881 – Alexander Carnegie Kirk a construit nava SS Aberdeen, prima navă mare care a fost propulsată cu succes de un motor cu destindere triplă. Succesul s-a bazat pe rezolvarea problemei proiectării unui cazan care să poată funcționa la presiunile (pe atunci) ridicate necesare pentru a beneficia de avantajele destinderii triple.
• 1887 – a fost lansat HMS Victoria, prima navă militară propulsată de motoare cu destindere triplă.
• 1891 – Motoarele compound navale cu destindere triplă, funcționând la 11 bar consumau în medie aproximativ 0,7 kg de cărbune pe oră per HP indicat.

Aplicații

Motoarele compound au fost folosite, la fel ca și celelalte motoare cu abur, la pompări, unde era suficientă mișcarea alternativă, respectiv la antrenarea în rotație a unui arbore care acționa diverse mașinării.

Motoare cu abur staționare

Un motor compound cu cilindri orizontali în tandem Marchent & Morley, construit în 1914 la Craven Mills, Cole. În prim-plan se vede condensatorul cu jet și pompa de evacuare a aerului din el, iar în continuare este cilindrul de JP. Este echipat cu supape cu piston brevetate de Morley.

Deși primele fabrici erau acționate de energia apei, prin adoptarea motoarelor cu abur producătorul nu a mai fost nevoit să amplaseze fabricile lângă ape curgătoare. Pentru a satisface cererea, filaturile de bumbac necesitau mașini din ce în ce mai mari, iar acest lucru i-a făcut pe proprietari să ceară motoare din ce în ce mai puternice. Când presiunea cazanului depășea 4 bar, motoarele compound erau avantajate din punct de vedere termodinamic, dar factorul decisiv în adoptarea acestor motoare a fost avantajul mecanic al unei curse mai uniforme. În 1859 în fabricile din zona Manchester erau instalate motoare cu o putere totală de 7004758860000000000♠75886 HP indicați, din care 7007240726832544188♠32282 CP au fost furnizați de motoare compound, deși doar 7007307146320106021♠41189 CP au fost generați cu cazane care funcționau la peste 4 bar.

În general, între 1860 și 1926 toate fabricile din Lancashire erau acționate de motoare compound. Ultimul motor compound construit a fost de către Buckley & Taylor pentru Wye No.2 mill, Shaw. Acest motor avea un design compound cu cilindri gemeni, cu o putere de 2500 HP, acționând un volant cu diametrul de 7,3 m și masa de 90 de tone, motor care a funcționat până în 1965.

Aplicații navale

Model de motor cu destindere triplă

Motorul naval cu destindere triplă (trei cilindri cu alezajele de 660, 1070 și 1800 mm într-un bloc comun, cu cursa de 1800 mm) din anii 1890, care acționa SS Christopher Columbus

Motorul naval de 140 de tone, cu destindere triplă, care acționa navele de tip Liberty ship, asamblat pentru probe, înainte de livrare. Motorul avea lungimea de 6,4 m, înălțimea de 5,8 m și turația de 76 rpm, putând propulsa nava cu 20 km/h.

În domeniul naval, cerința generală era pentru autonomie și o distanță de operare crescută, deoarece navele trebuiau să transporte și rezervele de cărbune și apă. Prin urmare, vechiul cazan care funcționa cu apă sărată nu mai era potrivit și trebuia înlocuit cu unul cu circuit închis de apă dulce, cu condensator. Rezultatul, începând cu 1880, a fost motorul cu destindere multiplă, cu trei sau patru trepte de destindere (motoare cu destindere triplă sau cvadruplă). Aceste motoare foloseau o serie de cilindri cu acțiune dublă, cu diametru și/sau cursă (și, prin urmare, volum) în creștere progresivă, concepuți pentru a produce lucrul mecanic în trei, respectiv patru părți egale, corespunzător treptelor de destindere. În cazul în care spațiul este limitat, pentru a realiza volumul necesar, la treapta de joasă presiune se puteau folosi doi cilindri mai mici. Motoarele cu destindere multiplă aveau de obicei cilindrii aranjați în linie, dar se foloseau diverse alte soluții. La sfârșitul secolului al XIX-lea, la unele motoare navale cu destindere triplă a fost utilizat sistemul de echilibrare Yarrow–Schlick–Tweedy. Motoarele Y-S-T foloseau ca treaptă de destindere de joasă presiune doi cilindri, câte unul la fiecare capăt al motorului. Această dispunere permitea un echilibru mai bun al arborelui cotit, rezultând o rotație mai uniformă, cu un răspuns mai rapid, care funcționa cu vibrații mai reduse. Acest lucru a făcut ca motorul cu destindere triplă cu 4 cilindri să fie popular la navele mari de pasageri (cum ar fi cele din clasa Olympic), dar în cele din urmă a fost înlocuit de turbina cu abur, care este practic fără vibrații.

Dezvoltarea acestui tip de motor a fost importantă pentru vapoare, deoarece prin evacuarea într-un condensator, apa putea fi recuperată pentru a alimenta cazanul, care nu putea folosi apa de mare. Motoarele cu abur terestre puteau pur și simplu să evacueze o mare parte din abur, deoarece apa de alimentare era de obicei ușor disponibilă. Înainte și în timpul celui de Al Doilea Război Mondial motorul cu destindere a dominat aplicațiile navale în care viteza mare a navelor nu era esențială. Acesta a fost înlocuit de turbina cu abur atunci când era necesară viteza, cum ar fi pentru pacheboturi și navele de război. HMS Dreadnought din 1905 a fost prima navă de război majoră care a înlocuit tehnologia dominantă a motorului cu piston, cu turbina cu abur, pe atunci inovatoare.

Aplicații la locomotive

La locomotivele cu abur, principalele beneficii obținute prin folosirea motoarelor compound au fost economia de combustibil, reducerea consumul de apă, raportul ridicat dintre putere și greutate datorită scăderii temperaturii și presiunii aburului într-un ciclu mai lung, ceea ce a dus la un randament mai bun și un cuplu mai uniform.

Deși proiectele pentru locomotivele compound pot data încă de la brevetul lui James Samuel din 1856 pentru o „locomotivă cu destindere continuă”, istoria practică a locomotivelor compound pe căile ferate începe cu proiectele lui Anatole Mallet din anii 1870. Locomotivele Mallet au fost utilizate în Statele Unite până la sfârșitul locomotivelor cu abur de către Norfolk and Western Railway. Proiectele lui Alfred George de Glehn în Franța au cunoscut, de asemenea, o utilizare semnificativă, în special în reconstrucțiile lui André Chapelon. O mare varietate de modele compound au fost încercate în jurul anului 1900, dar majoritatea au avut o popularitate scurtă, datorită complexității și a întreținerii dificile. În secolul al XX-lea supraîncălzitorul a fost adoptat pe scară largă, iar marea majoritate a locomotivelor cu abur erau cu destindere simplă (unele locomotive compound fiind convertite la destindere simplă). Inginerii și-au dat seama că locomotivele cu viteză constantă funcționau cel mai eficient cu regulatorul complet deschis și o întrerupere timpurie a admisiunii aburului în cilindru, momentul întreruperii admisiunii fiind setat prin intermediul mecanismului de schimbare a mersului (același care comanda și mersul înapoi). O locomotivă care funcționează cu o întrerupere foarte timpurie a aburului (de exemplu, la 15 % din cursa pistonului) permite destinderea maximă a aburului, cu mai puțină energie irosită la sfârșitul cursei. Supraîncălzirea elimină condensul și pierderea rapidă de presiune care altfel ar apărea odată cu o astfel de destindere.

Locomotivele americane mari foloseau pentru frânele trenului două compresoare de aer cu cilindri gemeni, acționate cu abur, de exemplu, Westinghouse 8 1/2" 150-D.

Bibliografie

• en Hills, Richard L. (1989). Power from Steam. Cambridge University Press. p. 244. ISBN 0-521-45834-X. 
• en Semmens, P.W.B.; Goldfinch, A.J. (2000). How Steam Locomotives Really Work. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856536-9. 
• en Van Riemsdijk, J.T. (1994). Compound Locomotives: An International Survey. Penryn: Atlantic Transport Publishers. ISBN 0-906899-61-3. 
• nl Löhnis, Th.P. (1916). Tijdschrift voor economische geographie, ed. De Maatschappij voor scheeps- en werktuigbouw Fijenoord te Rotterdam, voorheen de Nederlandsche Stoomboot Maatschappij. pp. 133–156. 

Lectură suplimentară

• en Gurr, Duncan; Hunt, Julian (1998), The Cotton Mills of Oldham, Oldham Education & Leisure, ISBN 0-902809-46-6, arhivat din original la 18 iulie 2011, accesat în 11 octombrie 2009 
• en Nasmith, Joseph (1895), Recent Cotton Mill Construction and Engineering, London: John Heywood, p. 284, ISBN 1-4021-4558-6 
• en Roberts, A S (1921), „Arthur Robert's Engine List”, Arthur Roberts Black Book., One guy from Barlick-Book Transcription, arhivat din original la 23 iulie 2011, accesat în 11 ianuarie 2009 
• en Williams, Mike; Farnie (1992), Cotton Mills of Greater Manchester, Carnegie Publishing, ISBN 0-948789-89-1 
• en Holst, C.P. (1926), The balancing of multiplecrank steam-engines, Brill, Leiden Publishing, OCLC 494164185 

Legături externe

• Materiale media legate de motor cu abur compound la Wikimedia Commons
• en Northern Mill Engine Society at Bolton Steam Museum