Sdružený parní stroj
Sdružený parní stroj je parní stroj, též sloučený, koumpaudní[1] v němž probíhá několikanásobná expanze páry v samostatných válcích.
Historie
První sdružený parní stroj si nechal v roce 1805 patentovat Arthur Woolf - Woolf high pressure compound engine, v překladu Woolfův vysokotlaký sdružený stroj. Jeho parní stroj pracoval s paralelně uspořádanými válci - vysokotlakým i nízkotlakým, jejichž písty zabíraly do společného kloubu vahadla. Tyto parní stroje našly uplatnění jako stabilní a později i lodní. Teprve o mnoho let později přišel Anatole Mallet s lokomotivním sdruženým parním strojem. Kolem roku 1867 se začal zabývat touto konstrukcí a v roce 1876 představil světu první sdruženou parní lokomotivu.[2]. Již dva roky předtím - v roce 1874 si nechal svoji konstrukci patentovat.[3]. Následně si nechal patentovat i rozjížděcí zařízení, které umožňuje vpuštění čerstvé páry do nízkotlakého válce, a tak umožňuje rozjezd lokomotivy i v případě, že se vysokotlaký píst nachází v úvrati.
Konstrukce
Snaha po zvýšení účinnosti parních strojů na mokrou páru vedla ke konstrukci sdružených parních strojů. Sdružený parní stroj se skládá z několika (obvykle dvou nebo tří) stupňů, složených ze samostatných válců o různém průměru, případně i v různém počtu. Těmi prochází pára postupně. Nejprve projde vysokotlakým, poté středotlakým (pokud jsou stupně tři) a nakonec nízkotlakým válcem. Na cestě mezi válci se pára obvykle ještě přihřívá.
Energie vynaložená na ohřátí vody a její přeměnu v páru není využitelná pro pohon a využitelnost expanze mokré páry je omezená z důvodu kondenzace. Parní stroj na mokrou páru tak musí mít při chodu velké plnění a tím je jeho účinnost nízká. Myšlenka sdruženého stroje spočívá především ve využití již jednou vyrobené páry, která má na výstupu z vysokotlakého válce z důvodu velkého plnění ještě poměrně velký tlak. Tato pára po průchodu přestupníkem vstupuje do dalšího, nízkotlakého válce. Obvykle se ještě v přestupníku - regenerátoru páry přihřeje, čímž se jí dodá další energie, kterou je možno využít k přeměně na mechanickou práci.
Konstrukce sdruženého stroje přináší i další výhody. Menší spád tlaku a teploty na jednotlivých stupních dále zvyšuje jejich účinnost stejně tak, jako menší rozdíl tlaků na obou stranách pístů snižuje ztráty způsobené netěsnostmi pístních kroužků. Sdružené stroje mají obvykle o 15 - 25 % vyšší účinnost proti strojům s nedělenou expanzí, ovšem za cenu větší složitosti.
Vynález přehřívače páry vedl k podstatnému zvýšení účinnosti parních strojů a vedl k vytlačení sdružených parních strojů jednoduššími stroji s jednoduchou expanzí, které byly přes nižší účinnost celkově ekonomicky výhodnější.
Příklady sdružených parních strojů
Sdružený parní stroj stacionární, dvouválcový
Vysokotlaká pára je přiváděna do vysokotlaké šoupátkové komory (levé šoupě a levý píst na obrázku).
Šoupátková tyč a vysokotlaké šoupě rozvádí páru na jednu nebo druhou stranu vysokotlakého pístu ve vysokotlakém válci. Po expanzi je pára (o nižším tlaku) odváděna kanálem do prostoru nízkotlakého šoupěte (pravé šoupě a pravý píst na obrázku). Mezi vstupem a vyústěním kanálu vysokotlaké a nízkotlaké části je vkládána vyrovnávací expanzní nádrž.
Nízkotlaké šoupě, ovládané šoupátkovou tyčí, rozvádí nízkotlakou páru na jednu nebo druhou nízkotlakého pístu v nízkotlakém válci. Expandovaná pára z nízkotlakého válce je odváděna kanálem. Každá pístní tyč je přes samostatný křižákový mechanizmus propojena s klikovou hřídelí. Každý píst pracuje na jednu část kliky, které jsou mezi sebou pootočeny o 90°, jako u stroje s jednoduchou expanzí.
Lokomotivní sdružený parní stroj
Pro lokomotivy se používalo více různých uspořádání sdruženého parního stroje. Byly to například:
- dvouválcový stroj s vnějšími válci - Lokomotiva měla na jedné straně vysokotlaký a na druhé straně nízkotlaký válec. Pro případ mrtvé polohy vysokotlakého válce musela být vybavena rozjížděcím zařízením. Toto uspořádání bylo typické pro konstrukce Karla Gölsdorfa, u nás byly typickými představiteli lokomotivy řad 422.0, 434.0 a 523.0.
- Tříválcový sdružený stroj - konstrukce obvykle obsahovala vysokotlaký válec v rámu a nízkotlaké válce po stranách lokomotivy. Válce pak mohly (ale nemusely) mít stejné rozměry. Toto uspořádání nebylo příliš typické, problém představovala rovnoměrnost chodu a s ní spojené rozfázování válců. Existovaly lokomotivy se třemi válci po 120° i 90°+2×135°. U nás byla tato konstrukce použita u lokomotiv řady 476.0.
- Čtyřválcové uspořádání - tyto konstrukce stavěl například André Chapelon. Stroje byly ovládány samostatně a některé poháněly i různé nápravy (spřažené dohromady). Lokomotivy mívaly menší, vysokotlaké válce uvnitř rámu a větší, nízkotlaké vně - příkladem tohoto uspořádání je bavorská S 3/6 nebo rakouské 108, u nás 275.0 ČSD a u nás patrně nejznámější řada 375.0, anebo byly použity válce tandemového uspořádání (viz níže).
- Malettova konstrukce - Vysokotlaké válce na stranách zadního (pevného) pojezdu, nízkotlaké na předním (pohyblivém) samostatném podvozku.
Vauclainova konstrukce
Samuel M. Vauclain, zaměstnanec a pozdější prezident lokomotivky Baldwin, navrhl lokomotivní parní stroj se dvěma páry vnějších válců - vždy vysokotlaký a nízkotlaký byly spojeny se společným křižákem, takže pracovaly paralelně. Tuto konstrukci si nechal v roce 1889 patentovat a na přelomu století již byly tyto lokomotivy poměrně rozšířené, zejména ve Spojených státech. Proti jiným sdruženým lokomotivám byla konstrukce a tedy i údržba zjednodušená, na druhou stranu větší hmotnost dvou paralelně pracujících pístů měla nepříznivý účinek na jakost chodu.
Sdružený parní stroj v tandemovém uspořádání
.jpg)
Tento typ parního stroje se využíval především u stabilních parních strojů, kde bylo možno montovat velký setrvačník, který vyrovnal nepravidelnosti jeho chodu. Proti sdruženému parnímu stroji uvedenému výše byl tento stroj konstrukčně jednodušší, a proto i levnější. Vzhledem k délce se téměř nepoužíval u parních lokomotiv, funkce stejného pohybu vysokotlakého i nízkotlakého pístu je však obdobná jako výše uvedeného stroje.
Popis obrázku tandemové konstrukce:
- Vysokotlaká pára [1] je přiváděna do vysokotlaké šoupátkové komory. Šoupátková tyč [3] a vysokotlaké šoupě [4] rozvádí páru na pravou nebo levou stranu vysokotlakého pístu [6] ve vysokotlakém válci [7]. Po expanzi, je pára (o nižším tlaku) odváděna kanálem [2] do přestupníku a dále do prostoru nízkotlakého šoupěte [8]. Nízkotlaké šoupě [11], ovládané šoupátkovou tyčí [10], rozvádí nízkotlakou páru před nebo za nízkotlaký píst [13] v nízkotlakém válci [14]. Expandovaná pára z nízkotlakého válce je odváděna kanálem [9].
- Jediná pístní tyč [12] přenášení sílu páry na křižák (není zakreslen).
Využití
.jpg)
Sdružené parní stroje se využívaly od konce 19. století do druhé poloviny 20. století ve všech oblastech dopravy i průmyslu. Jen namátkou: Byly jimi vybaveny parníky (například Titanic), průmyslové podniky (pražská čistička odpadních vod) i lokomotivy.
Reference
- ↑ Malá československá encyklopedie sv. 3 I–L. Praha: Academia, 1986. 912 s. Kapitola kompaudní, s. 461.
- ↑ Encyclopaedia of the History of Technology : "The first compound locomotive was designed by the Frenchman Anatole Mallet and built in 1876", p. 582
- ↑ Ransome-Wallis Encyclopedia, pages=500-501