윌란스 엔진

Willans engine
A large three-cylinder stationary steam engine, driving a dynamo generator. The engine is so tall that there are two gallery walkways around it at different heights, with ladders between them.
Willans & Robinson 엔진, 발전기 구동

윌런스 엔진 또는 중앙 밸브 엔진은 20세기 초에 주로 전기 발전에 사용된 고속 고정식 증기 엔진이었다.

윌런스의 엔진은 첨탑 복합 [1]엔진의 가장 잘 알려진 예 중 하나였다.이중 또는 삼중 팽창 복합 엔진으로,[i][3][4] 단동 실린더와 중앙 스핀들 밸브가 스핀들의 모든 실린더 간에 공유되는 특이한 특징을 가지고 있었습니다.실린더는 탠덤 컴파운드로 배열되어 있으며 고압 실린더와 저압 실린더가 동일한 수직 샤프트에 장착되어 있습니다.이러한 첨탑 컴파운드의 수직 배치는 그러한 출력의 엔진을 위한 컴팩트한 플로어 레이아웃을 제공합니다.

윌란스 엔진은 발전용 최초의 고속 엔진은 아니었지만, 곧 채택되어 [5]우세한 서비스 타입이 되었다.

적용들

발전

엔진은 템즈 디튼의 피터 W. 윌런스와 마크 로빈슨에 의해 개발되었으며, 주로 전기 발전 시장의 성장을 위해 개발되었습니다.1884년에 그들은 중앙 밸브 [5][6]원리에 대한 특허를 받았다.

1890년대까지, 윌런의 유형은 다른 [5][7]어떤 유형보다 더 많은 전기를 생산하기 위해 사용되었습니다.다른 고속 증기 엔진과 마찬가지로, 정확한 전압을 유지하기 위해 다이너모를 직접 구동할 수 있는 충분한 고속 증기 엔진이 필요했습니다.AC 시스템의 정확한 주파수를 유지하는 것이 훨씬 더 중요했지만, AC 시스템은 [8]DC에 사용되는 고속 엔진보다는 큰 플라이휠을 가진 저속 엔진을 선호하는 경향이 있었습니다.

기타 용도

밀스

윌란스 엔진은 섬유 공장에도 사용되었지만, 지금까지 많은 공장이 건설되었지만, 이 응용 분야에서는 더 오래 확립된 교차 복합 코리스 및 드롭 밸브 엔진이 더 잘 알려져 있습니다.윌런스 엔진은 낮은 관성 및 정확한 속도 제어로 인해 제분소 작업에 매우 적합합니다.다양한 부하에서도 일정한 샤프트 속도를 제공하므로 회전 품질이 향상되고 충격 [9][10]하중에 의해 파손되는 단부의 수를 줄일 수 있습니다.

해군

윌런 엔진은 해군 대토프도 [11]보트에 동력을 공급하는데 사용되었다.보도에 따르면 보트들은 [12]빠르고 엔진소음도 나지 않았다.

작동

수직 단면

단동 조작

Willans 엔진은 단동식이었으며, 증기 압력이 피스톤의 상부 표면에만 적용되었습니다.이것은 노킹과 마모를 줄여 더 높은 작동 [3]속도를 가능하게 하는 조치로서 당시 고속 엔진의 공통적인 특징이었다.단동 엔진에서는 커넥팅 로드와 베어링에 가해지는 힘이 항상 로드를 압축하기 위해 작용하고 회전할 때마다 방향을 두 번 반전시키는 것이 아니라 복동 [13]엔진과 같은 원리였습니다.시동 중에만 하중을 전달했던 하부 베어링 브레이스는 크랭크 핀 및 위의 주 작동 브레이스보다 작았습니다.단동 엔진은 동등한 복동 엔진의 절반만 출력하거나 두 배의 속도로 작동해야 하지만, 이 감소된 노킹은 두 배 이상의 속도를 낼 수 있습니다.

에어쿠션

기존 복동 엔진에서는 밸브가 닫히고 압축된 후 잔류 증기가 배기 실린더에 갇혔습니다.이 압축 증기는 완충 효과가 있으며 [ii]스트로크 종료 시 피스톤을 제동하는 역할을 합니다.단동 엔진에서는 파워 스트로크 종료 시 유사한 효과가 없습니다.이는 이전까지 단동 엔진의 작동 속도 제한이었다.

윌런스 엔진에서는 스트로크 끝의 완충재가 다른 엔진 아래에 있는 추가 공기 실린더에 의해 제공되었습니다.에어 피스톤은 트렁크 가이드 역할도 합니다.상승 행정 중에는 엔진의 관성이 상승 운동을 계속하며, 다음 행정이 시작되기 전에는 엔진 관성을 지연시킬 수 있는 다른 요소가 없습니다.밀폐 공기 실린더는 트렁크 가이드 [14]피스톤 위에서 압축 공기 대시팟 역할을 합니다.

중앙 스핀들 밸브

중앙 밸브 스핀들을 보여주는 분할된 실린더

이 엔진의 가장 독특한 특징은 중앙 스핀들 밸브입니다.이 밸브는 다단 피스톤 밸브로 작용하여 각 복합 실린더로 유입되는 증기를 제어합니다.이례적으로 밸브는 실린더 블록이나 밸브가 아닌 중공 피스톤 로드 또는 트렁크 안에서 작동합니다.이 중공 피스톤 로드는 모든 실린더를 연결했으며 [15]포트로 가공되었습니다.

밸브를 작동시키는 밸브 기어는 매우 간단했다.각 피스톤에는 두 개의 평행 커넥팅 로드가 있어 동일한 크랭크 웹 간에 분리된 크랭크 핀 저널에서 작동합니다.두 크랭크핀 사이의 편심기가 또 다른 짧은 커넥팅 로드를 통해 중앙에 장착된 밸브 스핀들을 구동했습니다.밸브 로드가 이들 사이를 통과할 수 있도록 해야 하기 때문에 피스톤에는 하나의 스루 [15]핀이 아닌 두 개의 돌출된 스터브 거전 핀이 있었습니다.

입구 증기는 독특한 돔형 캡을 통해 피스톤 로드 트렁크 상단으로 공급되었습니다.엔진이 고정된 차단용이라면 흡기 증기는 밸브와 트렁크에 의해서만 제어되었다.가변 컷오프를 사용하는 경우 트렁크 내의 포트와 겹쳐서 타이밍을 제어하는 [16]각진 포트가 있는 회전식 칼라에 의해 간단하게 실현됩니다.

윤활제

윌런스 엔진의 윤활은 밀폐된 크랭크케이스에서 나온 비산물에 의해 이루어졌다.이것은 기름과 [16]물의 혼합물로 채워져 있었다.응축수의 여분의 물은 축적되면서 크랭크케이스 밖으로 배출되었지만, 엔진에는 실린더와 크랭크케이스 사이에 분리된 글라인이 없고, 그 사이에 배수 공간이 있어 Carel, Belliss, Morcom 또는 Alley & MacLellan([17]나중에 Sentinel) 엔진에 사용되었습니다.

철수

윌런 엔진은 두 가지 이유로 1차 세계대전 이후 점차 사용이 중단되었다.

우선 벨리스와 모콤이 고속 엔진을 추가로 개발했다.1890년 오일 펌프와 강제 윤활 시스템의 발명으로 베어링이 후진 [18][19]하중을 받을 때 덜컹거리는 문제가 해결되었습니다.이를 통해 단동 엔진보다 더 콤팩트한 복동 엔진을 생산할 수 있었습니다.단일 실린더 엔진이 소형 트윈 실린더 엔진을 대체할 수 있는 경우, 이 또한 유용한 비용 절감 효과였습니다.일부 증기 발생 세트는 1980년대까지 [iii]잘 사용되었지만, 거의 모든 벨리스 및 Morcom 복동 타입이었다.

둘째, 전력 발전의 성장과 국가 그리드의 개발은 1세대의 소규모 지역 발전소보다 적은 수의 대형 발전소를 선호했다.이러한 대형 발전소는 대형 증기 터빈을 보다 효율적으로 사용할 수 있으며, 이와 함께 사용되는 복잡한 고온 수관 보일러를 구입할 수 있었다.

유사 엔진

인도 박물관의 알려지지 않은 소형 중앙 스핀들 엔진

카렐 엔진

Carel 엔진은 SA des Moteurs grand Grand Vitese에 의해 제작되었습니다.벨기에 스클레신 리에주에 있는 브레벳 카렐은 윌란과 [20]매우 비슷했다.그것은 2에서 8까지의 숫자로 짝을 이룬 실린더의 유사한 배치를 사용했다.그것은 또한 이중과 삼중 확장을 위해 지어졌다.Willans 엔진처럼 단동 실린더를 사용했으며 Willans 에어쿠션 트렁크 가이드도 사용했습니다.밸브는 회전식이어서 디자인이 달랐다.각 실린더 쌍에는 회전 밸브가 공유되어 있으며, 반속 베벨 기어로 구동됩니다.Paget 기관차와 마찬가지로 밸브는 주철로 되어 있으며 실린더 [21]내부의 인광성 청동 슬리브에 들어 있습니다.밸브와 실린더는 [iv]위상이 일치해야 하므로 포트가 중복됩니다.전체적인 이점은 선형 밸브 속도가 감소한다는 것입니다.이러한 회전 밸브는 이 시기에 종종 시도되었지만 성공한 경우는 거의 없었다.이때는 윤활이 어려웠고 밸브가 고착되지 [20][v]않으면 과열도 제한되었습니다.

팍스만의 피쉬 특허 엔진

'피쉬 특허' 엔진은 1895년에서 [22]1913년 사이에 260대를 만든 콜체스터의 데이비, 팍스만 & 컴퍼니에 의해 제작되었다.James Courthope Peach는 이전에 페리 웍스의 작업 매니저로서 Willans & Robinson에서 일했었다.1892년 1월 윌런스를 떠나 1893년 제임스 팍스만에게 직접 고속 단동 엔진을 설계했다.그는 후에 윌란스로 돌아와 1904년에 회사의 이사가 되었고, 지금은 럭비에 기반을 두고 있으며, 1908년에 상무 [22]이사가 되었다.

피치 엔진은 실린더의 디자인이 특이했지만 또 다른 단동 탠덤 화합물로 간주되었습니다.고압 실린더와 저압 실린더의 중간 부피는 [22]분리할 수 있는 일반적인 글랜드가 없는 공통이었다.고압 피스톤은 아래쪽으로 작용하고 저압은 위쪽으로 작용합니다.피스톤 사이의 공간('컨트롤 실린더')은 고압 실린더에서 탭된 증기로 부분적으로 채워집니다.피스톤이 위로 이동할 때 압축되므로 윌란의 [13]공기-쿠션과 유사한 방식으로 작동합니다.

실린더 뒤에 있는 피스톤 밸브는 커넥팅 [22]로드에 의해 구동되는 방사형 밸브 기어의 형태로 작동되었습니다.

증기 엔진으로서는 이례적이지만 단동 엔진으로서는 다소 유리하게, 피체는 데삭스 엔진이었습니다.크랭크축과 피스톤 축을 약간 상쇄함으로써 크로스헤드 힘은 작동 [22]사이클 내내 엔진 뒤쪽을 향해 유지되었습니다.단동 원리 자체와 마찬가지로, 이 일정한 힘의 방향은 진동과 [22]마모를 줄이는 데 도움이 되었습니다.

생존자

과학관에 보관된 엔진

윌런을 포함하여 이러한 대형 전기 발전 엔진의 예는 거의 남아 있지 않습니다.과학 박물관의 아주 작은 것을 포함하여, 몇몇 예들이 여전히 남아 있다.이 엔진은 450rpm의 10kW 엔진으로 원래 바이폴라 발전기와 함께 표시됩니다.더 큰 엔진의 단일 실린더도 구분되어 표시됩니다(예:).

1901년 140 bhp 3기통 발전 세트는 1957년 런던의 메이플 가구점에서 폐기되어 럭비의 윌란스 오리지널 공장에 전시되었습니다.2011년에는 Engineering Heritage [23][24]Award를 수상했습니다.2017년에는 웨스트웨일스에 [25]있는 내부 화재 전력 박물관으로 이전되었다.

3기통, 2단 엔진은 카탈로니아 과학 및 테크닉 박물관(mNACTEC)[26]에 보존되어 있습니다.

메모들

  1. ^ 즉, 밸브 하나가 수직 기둥에 있는 모든 피스톤을 공급했습니다.이와는 대조적으로, Bellis(및 기타)는 단일 피스톤 밸브가 인접한 실린더 [2]간에 수평으로 공유되는 잘 알려진 설계를 제작했습니다.
  2. ^ 이러한 재압축은 단일 엔진 효율의 중요한 요소였습니다.
  3. ^ 대부분의 병원에서는 이미 난방용 증기 플랜트와 신뢰할 수 있는 예비 발전기가 필요했습니다.
  4. ^ 이는 캠축에 반감속 기어를 적용하는 4행정 엔진이라기보다 내연 2행정 엔진과 유사합니다.
  5. ^ 파제트 기관차에 일어난 일처럼요

레퍼런스

  1. ^ Hills, Richard L. (1989). Power from Steam. Cambridge University Press. pp. 215–219. ISBN 0-521-45834-X.
  2. ^ 힐즈 1989, 페이지 218
  3. ^ a b Kennedy, Rankin (1912) [1905]. "I. Steam Engine Parts and Accessories". Valve Gearing and Governors. The Book of Modern Engines and Power Generators. Vol. IV. London: Caxton. pp. 17–19.
  4. ^ 케네디 1903, 페이지 69-73
  5. ^ a b c "New steam engine designs". Science Museum. Retrieved 19 February 2022.
  6. ^ GB 13769, Peter W. Willans, 1874년 10월 17일 발행
  7. ^ Kennedy, Rankin (1903). Electrical Installations. Electrical Installations. Vol. III (5 volume ed.). London: Caxton. pp. 32–33.
  8. ^ 케네디 1903, 페이지 69
  9. ^ 힐즈 1989, 페이지 217
  10. ^ The Willans Engine for Rope & Belt Driving Purposes. Rugby: Willans & Robinson. p. 8.
  11. ^ "Forrestt and Son". Grace's Guide to British Industrial History. Retrieved 14 July 2019.
  12. ^ "Naval and Military Intelligence". The Times. 6 May 1878. p. 6.
  13. ^ a b Ripper, William C. H. (1920). "Quick-Revolution Engines". Steam Engine Theory And Practice (Seventh ed.). London: Longmans, Green & Co. pp. 350–352.
  14. ^ GB 4901, Peter W. Willans, 1882년 10월 14일 발행
  15. ^ a b 케네디 1903, 페이지 71-72
  16. ^ a b 케네디 1903, 페이지 72
  17. ^ 케네디 1912, 페이지 208-215
  18. ^ Self, Douglas (20 December 2005). "High-Speed Steam Engines".
  19. ^ 힐즈 1989, 페이지 219
  20. ^ a b "High-Speed Steam Engines". Douglas Self. 20 December 2005.
  21. ^ 케네디 1912, 페이지 213–215
  22. ^ a b c d e f Richard Carr. "Paxman "Peache Patent" Steam Engines". Paxman History.
  23. ^ "Engineering Heritage Awards" (PDF) (5th ed.). Institution of Mechanical Engineers (IMechE). p. 47.
  24. ^ "Central Valve Steam Engine". Institution of Mechanical Engineers (IMechE).
  25. ^ "Victorian engine built in Rugby leaves for restoration in Wales". Rugby Advertiser. 20 June 2017.
  26. ^ http://www.mnactec.cat/docs/1182326741_vapor_carbon.pdf[베어 URL PDF]