§ 13. ТИПЫ ПАРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Распределение поступающего в цилиндр пара осуществляется посред­ством парораспределительного механизма, выполняющего функцию периодического впуска рабочего пара, в паровой цилиндр и выпуска отработавшего пара из цилиндра в пароотводящую трубу.

Парораспределительный механизм должен обеспечить работу пара в цилиндре в соответствии с предполагаемой индикаторной диаграммой и с наименьшими потерями энергии.

Парораспределительный механизм состоит из внутренних и внешних органов парораспределения. Внутренними органами парорас­пределения называются помещенные внутри особых приливов (камер) на паровом цилиндре части механизма (золотники, клапаны), участвую­щие в непосредственном распределении пара, и перемещающие их стержни (золотниковые тяги, стержни клапана). Внешние органы парораспределения — система рычажных и кулачковых механиз­мов, передающих движение от коренного или распределительного вала к золотниковым тягам, к крану или к стержню клапана.

В зависимости от вида внутренних органов различают следующие типы парораспределения: 1) золотниковое, 2) клапанное и 3) крановое.

§ 14. ЗОЛОТНИКОВОЕ ПАРОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ

Самым простым и наиболее распространенным типом парораспреде­ления является золотниковое, обладающее целым рядом положительных качеств: надежностью в работе, компактностью, простотой ремонта и обслуживания и возможностью применения для быстроходных машин.

Механизм золотникового парораспределения состоит из золотника и приводящей его в движение системы тяг, рычагов и эксцентриков.

Золотник — основная деталь механизма — совершает принудительное возвратно-поступательное движение по золотниковому зеркалу и при этом периодически открывает и закрывает отверстия каналов с целью впуска пара в цилиндр и выпуска пара в пароотводящую трубу.

Золотник и его шток относятся к внутренним органам, а система тяг, рычагов и эксцентрики — к внешним органам золотникового паро- распределительного механизма.

Простой коробчатый золотник без перекрыт. На фиг. 149 по­казана схема паровой машины с распределением пара при помощи про­стого коробчатого золотника без перекрыт.

Паровой цилиндр выполнен с золотниковой коробкой 1. Рабочая поверхность золотниковой коробки, по которой перемещается золотник (золотниковое зеркало 2), снабжена тремя прямоугольными окнами 8 и 9 по краям и 10 в середине. Окна 8 и 9 представляют собой входные отверстия паровых каналов 5 и 6, ведущих в цилиндр, а окно 10 — выпускного канала 7. Рабочий пар поступает в золотни­ковую коробку по пароподводящей трубе 3.

Золотник 4 имеет форму опрокинутой коробки, движущейся по зеркалу. Толщина правой и левой стенок золотника в точности равна ширине парового окна.

Фиг. 149. Схема паровой машины с коробчатым плоским золотником без перекрыт.

Эксцентрик для привода золотника (золотниковый кривошип) закли­нен на коренном валу под углом 90° по отношению к поршневому кривошипу.

В паровой машине с описанным парораспределительным механизмом оба паровых канала одновременно закрываются на одно мгновение, так как толщины стенок золотника в точности равны ширине паровых окон. Поэтому процессы расширения и сжатия пара отсутствуют и происхо­дит только впуск и выпуск пара.

Так как эксцентрик заклинен на валу под углом 90° к кривошипу и отношение величины эксцентриситета к длине эксцентриковой тяги обычно очень невелико, то закрывание окон происходит при мертвых положениях поршня и соответствует среднему положению золотника. Указанная установка эксцентрика вызывает начало впуска и выпуска пара точно в мертвых положениях, а продолжение их — на протяжении всего хода поршня. Предварения впуска и выпуска пара в такой машине от­сутствуют.

Если, как в данном случае, пар поступает в паровой канал (и далее в цилиндр) с омыванием внешних кромок золотника, то это будет, так называемый, внешний впуск пара. При внешнем впуске пар, выходя из канала в пароотводящую трубу, омывает внутренние кромки золотника.

Коробчатый золотник с перекрышами. Коробчатый золотник с пе- рекрышами, изображенный на фиг. 150 в среднем положении, отличается от простого коробчатого золотника (фиг. 149) тем, что стенки его (по

направлению движения) снабжены выступами (закраинами), ширина ко­торых больше ширины паровых окон.

При золотнике с широкими закраинами паровые окна закрываются не на одно мгновение, а на известный промежуток времени, в течение которого количество пара в цилиндре не изменяется и поэтому в зави­симости от направления движения поршня происходит расширение или сжатие пара.

Коробчатый золотник с перекрышами 1 (фиг. 150), как и золотник без перекрыт, приводится в движение золотниковым штоком 2 и сколь­зит по зеркалу 3, в котором расположены паровые окна 5 шириной а и окно выпускного канала 4, ведущего к пароотводящей трубе.

Фиг. 150. Коробчатый плоский золотник с перекрышами.

Перемещение золотника обычно измеряют от его среднего положения.

Когда золотник занимает среднее положение, закраины его перекры­вают паровые окна. Расстояние е между кромкой золотника, омываемой паром при впуске, и паровым окном называется перекрышей впуска, а расстояние г между кромкой золотника, омываемой паром при выпуске и паровым окном, — перекрышей выпуска.

Перекрыта впуска всегда положительна, но перекрыта выпуска может быть и отрицательной. Отрицательная перекрыта выпуска озна­чает, что в среднем положении золотника паровое окно открыто на ве­личину і для выпуска пара.

Наличие перекрыши впуска у золотника требует изменения величины угла заклинивания эксцентрика на коренном валу. В момент начала впуска пара в цилиндр золотник должен быть сдвинут из среднего по­ложения на величину перекрыши впуска, чтобы его кромка, определяю­щая впуск пара, совпадала с краем парового окна. Но, как было уже отмечено в § 4 настоящего раздела, для обеспечения впуска пара с наи­меньшими потерями необходимо начинать впуск до прихода поршня в мертвое положение, так что при мертвом его положении паровое окно должно быть открыто на величину 5, называемую линейным опе­режением впуска. Таким образом, полная величина перемещения золотника при мертвом положении поршня равна сумме значений пере­крыши впуска и линейного опережения впуска.

На чертеже (фиг. 151, а) относительно точки О, изображающей ось вращения кривошипа в масштабе м/мм, проведены две окружности:

1) радиусом ОА, изображающим длину R кривошипа, и 2) радиусом OF.

представляющим величину г эксцентриситета (золотникового кривошипа).

Считая для упрощения шатун и эксцентриковую тягу бесконечно длинными, можно будет определять положения поршня и золотника как проекции точек А и F на горизонтальный диаметр, представляющий как бы траектории поршня и золотника. Цилиндр с поршнем и золот­ником считается расположенным с левой стороны чертежа. Стрелка ука­зывает направление вращения вала

В мертвом положении поршня со стороны крышки главный криво­шип занимает положение ОАтк, а зологник, чтобы открыть паровой

Фиг. 151. Заклинивание эксцентрика на валу машины при золотнике с перекрышами:

а — золотник с внешним впуском; б — золотник с внутренним впуском.

канал, должен переместиться от среднего положения на величину ек + --%к вправо (внешний впуск пара). На чертеже на расстоянии ек и ек-- - j - к от вертикальной оси проведены параллельные ей прямые, и отре­зок Огпк изображает золотниковый кривошип при мертвом положении поршня.

Острый угол между отрезком OFmK, представляющим золотниковый кривошип При мертвом положении поршня, и перпендикуляром к траек­тории золотника называется углом опережения 8. Если траектории поршня и золотника параллельны, то золотниковый кривошип двигается впереди поршневого, составляя с ним угол, равный 90° 8.

В момент начала и конца впуска пара в полость крышки золотник должен быть смещен из среднего своего положения на величину пере­криши впуска ек. Поэтому ОАл и OF4(£ представляют собой положения поршневого и золотникового кривошипов в момент начала предварения впуска (точка 4 действительной индикаторной диаграммы), а ОАк й OFk— в момент отсечки, т. е. конца впуска (точка 1 диаграммы).

Положение поршневого кривошипа ОАпКу когда золотниковый кри­вошип OFnK располагается вдоль траектории золотника, соответствует наибольшему отклонению золотника от среднего положения и макси­мальному открытию парового окна (на величину г — ек). Кривошип ОА
при этом поворачивается относительно линии мертвых точек на угол 90° — 8.

Плоские золотники всех типов обладают рядом крупных недостатков, из которых основные:

1) неуравновешенность, получающаяся из-за большой разницы давле­ний пара на внешнюю (свежий пар) и на внутреннюю (отработавший пар) стороны золотника, вызывающая сильное прижимание к зер­калу и требующая больших усилий для его перемещения;

2) сильный и неравномерный износ трущихся поверхностей зеркала и золотника, который, особенно при наличии задиров на поверхностях, вызывает сильный пропуск пара в пароотводящую трубу и большие расходы на ремонт;

3) коробление золотника от неравномерного нагрева его при омы - вании свежим паром снаружи и отработавшим изнутри, становящееся особенно заметным при повы­шении температуры свежего пара и исключающее примене­ние перегретого пара;

4) затруднение в примене­нии внутреннего впуска, когда поступающий в паровые окна пар омывает внутренние кромки золотника; при внутреннем впуске сальники золотникового штока подвергаются давлению только отработавшего пара, что облег­чает их работу и позволяет упростить их конструкцию.

Цилиндрический золотник. Цилиндрический золотник 1, схема ко­торого изображена па фиг. 152, представляет собой тот же коробчатый золотник с перекрышами, но как бы выполненный в виде тела вращения.

Плоское золотниковое зеркало заменяется цилиндрическим, внутри которого двигается цилиндрический золотник.

Паровые окна 2 становятся кольцевыми, располагаясь по внутренней поверхности цилиндра.

В отношении качества распределения пара нет никакой разницы между плоским и цилиндрическим золотниками.

При цилиндрических золотниках возможно осуществление как внеш­него, так и внутреннего впуска. Последнему по указанным выше при­чинам нужно отдать предпочтение. На фиг. 152 показан цилиндрический золотник с внутренним впуском пара.

Цилиндрический золотник обладает целым рядом положительных качеств, благодаря которым он почти совсем вытеснил плоский золот­ник. Основные преимущества цилиндрического золотника следующие: 1) он более прост и дешев в изготовлении; 2) он почти полностью уравновешен, так что дія своего перемещения требует незначительных усилий; 3) как тело вращения он не коробится при нагревании и поэтому вполне применим для машин, работающих перегретым паром.

Так как внутренний впуск требует обратного движения золотника ПО сравнению с внешним, то расположен, е золотникового кривошипа

для золотника с внутренним впуском должно быть противоположным.

Золотниковый кривошип OF золотника с внутренним впуском (фиг. 151, б) следует за поршневым кривошипом ОА, составляя с ним угол 90° — 6. Угол опережения 8, как и прежде, измеряется между зо­лотниковым кривошипом и перпендикуляром к траектории золотника.

Для более ясного представления о работе золотникового парораспре­деления рассмотрим ряд последовательных положений кривошипно-ша­тунного и парораспределительного механизмов паровой машины, где распределение пара осуществляется цилиндрическим золотником с вну­тренним впуском (фиг. 153).

Фиг. 153. Движение золотника в зависимости от перемещений поршня.

Положение /. Поршень находится в мертвом положении со сто­роны крышки, а золотниковый кривошип, двигаясь позади поршневого, составляет с траекторией золотника угол 90° — 8. Золотник внутренней кромкой открыл паровое окно со стороны крышки на величину линей­ного опережения впуска, и пар поступает в цилиндр, заполняя вредное пространство со стороны крышки. Паровое окно со стороны вала также открыю на величину линейного опережения выпуска наружной кромкой золотника, и происходит выпуск отработавшего пара из цилиндра в пароотводящую трубу.

Положение //. Поршневой кривошип повернулся относительно мертвого положения на угол 90° — 8. Золотник при этом дошел до своего крайнего положения, что соответствует максимальному огкрытию окна со стороны крышки для впуска пара и окна со стороны вала для выпуска.

Положение III. Поршень, двигаясь к стороне вала, прошел путь SiK, соответствующий впуску пара в полость крышки. Золотник, пере­мещаясь в том же направлении, закрыл паровое окно со стороны крышки для впуска пара. Произошла так называемая отсечка пара, за которой последует его расширение. Из полости со стороны вала про­должается выпуск пара.

Положение IV. Поршень, двигаясь в прежнем направлении, не дошел до крайнего положения на величину 5гк, соответствующую пред­варению выпуска со стороны крышки. Следовательно, внешняя кромка золотника со стороны крышки совпадает с краем парового окна, и в цилиндре со стороны крышки начнется предварение выпуска. Паро­вое окно со стороны вала полностью закрыто, и в этой полости цилин­дра происходит сжатие пара.

Положение V. Поршень дошел до своего крайнего (мертвого) положения со стороны вала. Золотник при этом внутренней кромкой открывает паровое окно со стороны вала на величину линейного опе­режения впуска (заполнение вредного пространства со стороны вала) а внешней кромкой—паровое окно со стороны крышки на величину линейного опережения выпуска (выпуск пара из полости со стороны крышки).

Положение VI. Поршень стал двигаться в обратном направле­нии, т. е. к стороне крышки, и кривошип его повернул от мертвого положения на угол 90° — 8, золотник же оказался в своем крайнем по­ложении, которое соответствует максимальному открытию внутренней кромкой парового окна стороны вала для впуска пара, а внешней кром­кой — окна стороны крышки для выпуска.

Положение VII. Поршень, перемещаясь дальше, не дошел до мертвого положения на величину 5зк + S4K, что соответствует началу сжатия в полости со стороны крышки. Паровое окно со стороны вала уже перекрыто, и в этой полости цилиндра происходит расширение пара.

Положение VIII. Поршень не дошел до мертвого положения со стороны крышки на величину соответствующую началу предварения впуска, так как внутренняя кромка золотника со стороны крышки совпала в этом случае с краем парового окна со стороны крышки. С противоположной стороны цилиндра внешняя кромка золотника уже открыла канал и происходит предварение выпуска пара из полости со стороны вала.

С приходом поршня в мертвое положение цикл работы парораспре­делительного механизма завершается.