Построение универсального двигателя
Какую же конкретную форму технической задачи принимали требования производства к новому, универсальному двигателю? Непрерывность отдачи работы была первым и основным требованием, которое предъявлялось к универсальному двигателю со стороны новых рабочих машин. Обладавший непрерывной отдачей работы гидравлический двигатель — водяное колесо не могло быть универсальным двигателем из-за его зависимости от локальных условий. С этих позиций универсальным двигателем мог стать только тепловой двигатель благодаря высокой удельной энергоемкости источника движущей его энергий—топлива. Но процесс преобразований теплоты* в механическую работу — процесс циклический, принципиально Периодический; рабочее тело теплового двигателя отдает работу периодически, прерывно. Периодичность действия разных тепловых двигателей не мешала приводу в движение периодически действующих паровых насосов, но была неприемлема для привода разнообразных станков машинного производства. В 1829 г. французский ученый Араго писал: «... атмосферная машина для выкачивания воды представляет собой снаряд безукоризненный, и прерывность ее действия не представляет никаких неудобств. Совсем другое в том случае, когда упомянутая машина употребляется в виде двигателя. Орудия и инструменты, приводимые ею в действие, движутся весьма быстро все время нисхождения поршня, но во время его восхождения они останавливаются или продолжают действовать только силой приобретенной скорости» В приведенном отрывке выражена мысль, которую можно сформулировать следующим образом: двигатель прерывного действия не может быть двигателем, универсальным по его техническому Применению- Конкретный, осуществленный двигатель всегда предназначен выполнять возлагаемые на него частные функции: вращать ротор электрогенератора, двигать поршень насоса или приводить в движение гусеничные ленты трактора. Универсальный двигатель должен обладать способностью принимать разнообразные частные конкретные формы в зависимости от потребностей производства. Но как бы ни отличались эти частные потребности производства, они прежде всего могут выполняться такими отдельными двигателями, которым присуще общее свойство: отдавать работу непрерывно. Двигатель, не имеющий свойства отдавать работу непрерывно, не может быть двигателем универсальным.
Перечисленные выше требования к универсальному Двигателю дают возможность сформулировать техническое содержание возникшей в свое время задачи об универсальном двигателе: сконструировать в системе двигателя передаточный механизм, прерывно воспринимающий механическую работу от рабочего тела двигателя и непрерывно отдающий ее потребителю.
Перейдем к рассмотрению этих форм. а) Роторный двигатель. В роторном (турбинном) двигателе принципиальная периодичность отдачи работы от рабочего тела не вызывает периодичности в работе двигателя. Это достигается тем, что рабочее тело, отдавая механическую работу деталям двигателя, само движется так, что его состояние в каждой точке двигателя остается неизменным. В поршневом двигателе цикл рабочего тела совпадает с циклом движения рабочих частей двигателя. В турбинном двигателе каждый килограмм рабочеготела меняет свое состояние, проходя через турбину, но в каждой точке турбины проходящий через нее пар имеет одно и то же состояние; поэтому термодинамический цикл рабочего тела не вызывает цикличности работы двигателя.
Однако турбинный двигатель был совершенно неприемлем в XVIII в.: паровая турбина — по своей природе двигатель весьма быстроходный. Освоение этой быстроходности было не под силу технике того времени, и, кроме того, не было создано материальных условий для решения задачи о паровой или газовой турбине. Одним из методов получения непрерывной работы и от поршневого теплового двигателя может служить механическое аккумулирование, осуществляемое в двух различных формах: потенциальной и кинетической.
б) Потенциальное механическое аккумулирование. Расширение рабочего тела в полости цилиндра при подводе к нему тепла позволяет получить механическую работу в виде подъема грузов А и Б на платформе В на некоторую высоту Я. По достижении высшей точки подъема груз А снимается, а груз Б, опускаясь, совершает работу, необходимую для того, чтобы термодинамический цикл замкнулся (преполагается, что платформы В и С взаимно уравновешены). Движение поршня двигателя будет непрерывным (вверх и вниз), но внешнему потребителю работа будет отдаваться прерывно (только за период подъема поршня). Часть .работы, совершаемой рабочим телом в процессе расширения, и в количестве, равном произведению веса груза Б на высоту подъема Я, аккумулируется для выполнения работы сжатия,' обеспечивающей возврат поршня в исходное положение. Описанный метод получения непрерывного циклического движения механизма двигателя с прерывной отдачей работы внешнему потребителю был применен в насосном двигателе Ньюкомена — Коули, где груз, подвешенный на конце балансира, выполнял ту же функцию, что и груз Б рассмотренной схемы.
Заменим груз Л двумя грузами Л/2. При подходе поршня к верхнему положению снимем один из грузов Л/2 с платформы В и перенесем его на платформу С, находящуюся в этот момент в крайнем нижнем положении. Так как грузы Л/2 равны и, следовательно, обе платформы уравновешены, груз Б, опускаясь, как и в первом случае, вернет поршень двигателя в исходное положение. За один цикл (подъем и опускание поршня) во втором случае, как и в первом, внешний потребитель получает одну и ту же работу: которая отдана ему непрерывно: половина за период подъема поршня (на платформе В) и половина за период опускания его (на платформе С). Задача решена исключительно просто путем увеличения количества аккумулированной энергии за период рабочего хода. В первом случае была аккумулирована энергия БН, достаточная только для возврата поршня в исходное положение, во втором случае — энергия (^Б 4--^^Н, достаточная не только Для возврата поршня в исходное положение, но и для отдачи работы внешнему потребителю во время «холостого» хода в таком же количестве, в каком она отдается ему во время «рабочего» хода. В период 30—70-х годов XVIЦ (в. предложения о двигателе с непрерывной отдачей Работы за счет механического потенциального аккумули рования выдвигались неоднократно. На рис. 2-46 показан схематический чертеж одного из таких двигателей, заимствованный из технической литературы XVIII в.
в) Кинетическое механическое аккумулирование. Этот вид механического аккумулирования части работы одного хода двигателя (для того, чтобь отдать ее потребителю во время второго хода) достигается в случае работы поршневого двигателя на вращающийся вал путем посадки на вал маховика с достаточно большой массой. Распределение усилий в звеньях кривошкпно-шатунного механизма таково, что даже при постоянном усилии на поршень валг получает вращающий момент, изменяющийся от нуля до некоторого максимума. Поэтому маховик как метод получения равномерного вращательного движения вала при неравномерности вращающего момента применяется и у двигателей с непрерывной отдачей работы от рабочего тела. Но у двигателя с прерывной отдачей маховик должен выровнять не только неравномерность .движения, но и прерывность движения, а поэтому при прочих равных условиях маховик для двигателя прерывного действия должен иметь более чем вдвое большую массу (отнесенную к тому же радиусу), чем для двигателя непрерывного действия.
Суммирование работы нескольких полостей поршневого двигателя для получения непрерывной работы может осуществляться в двух различных конструктивных формах: суммирование работы двух полостей одного цилиндра и суммирование работы двух (и более) полостей двух (и более) однополостных цилиндров. В исторически сложившейся технической терминологии в первом случае имеет место двигатель двойного действия, а во втором — многоцилиндровый двигатель.