מנוע הקיטור- פלא של הנדסה

מנוע הקיטור של וואט

מנוע הקיטור וואט הוא אחת המכונות החשובות ביותר בהיסטוריה של הציוויליזציה. השיפורים של וואט בהשוואה לתכנונים קודמים אפשרו להשתמש בשסתום בודד גם כדי לפלוט וגם להחדיר קיטור לצילינדר, שיפור משמעותי לעומת מנועים קודמים ופשטו חלקים אחרים כך שניתן היה לייצר אותם בקנה מידה גדול עם מידות וחומרים סטנדרטיים. זה עשה את זה מעשי להפעיל מנוע 24 שעות ביממה, 7 ימים בשבוע, מה שאפשר למפעלים להפעיל יותר מוצרים במהירויות גבוהות יותר ובאיכות עקבית יותר. מחזור הייצור המתמשך של מנוע הקיטור של חום → התרחבות אוויר → עבודה → קירור היה כל כך יעיל שהוא הניע את המהפכה התעשייתית. המנוע של וואט שיפר את עיצוב בוכנת הוואקום על ידי שימוש בקיטור בלחץ גבוה יותר, בסביבות 100 psi (690 kPa), ובנפח נמוך יותר, בסביבות 1-2 ליטר (3-8 ליטר) לדקה. הלחץ הגבוה והנפח הקטן יותר אפשרו לו לשים שסתום נפרד על כניסת הקיטור, אשר סגר את אספקת הקיטור לחלוטין ואיפשר לצילינדר להתרוקן לחלוטין מאדים. שליטה זו בלחץ ובנפח הקיטור אפשרה את השימוש במנוע למגוון משימות שונות, כגון הפעלת מנופים, משאבות ונולי טקסטיל.

שסתום הקיטור

כדי לסגור לחלוטין את אספקת הקיטור, המציא וואט שסתום קיטור שהחליף את מערכת הכדור והבור של ניוקומן. שסתום הקיטור של ניוקומן היה בעצם שער שנפתח ונסגר על ידי מוט הזזה המחובר למנוף. כדי לשלוט על השסתום, עובד היה צריך לעצור את המנוע, להרים את המוט ולסובב את השסתום באופן ידני. וואט החליף את המערכת הזו בפקק מסתובב בתוך צילינדר (מושב שסתום) שסובב על ידי מוט נייח המחובר לידית. זה אפשר לסובב את השסתום בקלות ובדייקנות על ידי הידית, בדיוק בכמות הכוח הנכונה לסגירה מלאה של השסתום. לשסתום של וואט היו שתי יציאות נפרדות בחלק הקדמי והאחורי של התקע ושני חורים מתאימים במושב השסתום. קיטור מהדוד נכנס ליציאה הקדמית וגם נדחף לחלק האחורי של התקע, שנפתח בקפיץ. כאשר נמשכה הידית, התקע הסתובב ופתח בגב התקע נסגר על ידי מושב השסתום. זה סגר לחלוטין את אספקת הקיטור ואפשר לעצור את המנוע ולהתניע מחדש לפי הצורך. מושב השסתום הסתובב עם התקע ותמיד יצר אטימה כנגד התקע המסתובב.

מושל Flyball

מושל כדור ה-flyball היה בקר צנטריפוגלי שמווסת את מהירות המנוע. ככל שהכניסו יותר קיטור למנוע, כך הוא הסתובב מהר יותר, ולהיפך. כדור ה-flyball פעל בכך שאפשר לקיטור להיכנס לצד אחד של המנוע ולכדור להיכנס לצד השני. גלגל תנופה משוקלל הוצמד לכדור והסתובב בקצב קבוע. כשהמנוע פעל מהר מדי, גלגל התנופה משך את הכדור לעבר הצד השני ופתח שסתום שאפשר יותר קיטור לתוך המנוע. כשהמנוע פעל לאט מדי, גלגל התנופה משך את הכדור אחורה וסגר את השסתום כדי להפחית את כמות הקיטור. מכיוון שגלגל התנופה הסתובב בקצב קבוע, היה צורך להוסיף או להסיר כדור כדי לשנות את המהירות הכוללת של המנוע. מספר משקולות הכדורים הדרושים להפעלת המנוע במהירות מסוימת חושב על ידי מדידה קפדנית ונרשם על טבלה. זה איפשר למושל ה-flyball להפעיל את המנוע במהירות עקבית והיה דרך פשוטה אך יעילה לשמור על תפוקת כוח ומהירות עקביות.

הקבל של וואט: חימום מחדש של הקיטור

מנוע הקיטור הוא תהליך יעיל אך בזבזני המשתמש בדלק לחימום מים כדי ליצור מחזור חשמל. תהליך זה הוא כמו לחמם אמבטיה מלאה במים עם אש ואז לזרוק מיד את המים לביוב. מושל כדור ה-flyball שולט רק במהירות המנוע, לא ביעילותו. כדי להפחית את כמות האנרגיה והדלק המבוזבזים, וואט הוסיף מעבה למנוע שלו. המעבה היה מיכל נפרד שהכיל קבוצה של צינורות מחוברים עם שסתום בחלק העליון והתחתון. קיטור מהמנוע הופנה לחלק העליון של המעבה, שם הוא התקרר והתעבה חזרה למים. המים נאספו בתחתית המיכל ואז הועברו בצנרת חזרה למנוע כדי להתחמם ולהמיר שוב לקיטור.

שסתום סיבובי של וואט

השסתום הסיבובי של וואט היה פקק סיבובי בשסתום הקיטור שאיפשר למלא את הצילינדר בקיטור ולאחר מכן לכבות במהירות ובאופן אוטומטי כאשר הקיטור נגמר. השסתום הסיבובי היה בצורת סליל והסתובב בחופשיות בתוך גליל שהיה סגור משני קצותיו. שתי יציאות קיטור בסליל חוברו לדוד ולצילינדר. כאשר המנוע הפיק כוח, אדים זרמו לתוך הצילינדר ודחפו אל הסליל. הסליל הסתובב ונלחץ אל פתחי הקיטור, וסגר אותם. לאחר מכן נפתח השסתום כך שקיטור יוכל לזרום מה- דוד ולמלא את הגליל. כשהאדים מותשים והסליל נדחק לאחור לכיוון היציאות, הסליל הסתובב וסגר את האדים מהדוד.

מנגנון הארכובה ומוט החיבור של וואט

כאשר השסתום הסיבובי נפתח, לחץ הקיטור והנפח בתוך הצילינדר נשלטו על ידי עצירת המנוע וסגירת השסתומים. כאשר המנוע הופעל מחדש, היה צורך לפתוח שוב את השסתומים ולהתניע את המנוע ביד. הפתרון של וואט לבעיה זו היה לחבר גלגל תנופה לבוכנה ולהשתמש במנגנון ארכובה ומוט חיבור כדי להמיר את תנועת הסיבוב של הבוכנה לתנועה קדימה ואחורה. זה אפשר לסובב את הבוכנה עם ארכובה שסובב על ידי גלגל תנופה המחובר לציר מסתובב. כאשר המנוע הופסק, המוט המחבר הוארך כך שהבוכנה נדחפה בלחץ הקיטור כנגד גלגל התנופה וסובב את הארכובה. כאשר הבוכנה נדחפה לאחור, מוט החיבור הסתובב ונמשך לכיוון גלגל התנופה על ידי הבוכנה. זה אפשר לארכובה להניע את הבוכנה קדימה ואחורה ולהניע את המנוע.

סיכום

העיצוב של וואט היה הכלאה יעילה של מנועי הניוקום ומנועי בוכנת הוואקום שהשתמשו רק ב-25% מכמות דלק כמו מנוע ניוקומן, ובמקביל הוציאו 25% פחות קיטור. שיפורי היעילות של וואט התאפשרו על ידי שימוש בקיטור בלחץ גבוה יותר ובנפח נמוך יותר, מה שאיפשר שסתום נפרד על כניסת הקיטור, מה שאפשר לסגור אותו לחלוטין. שליטה זו בלחץ ובנפח הקיטור אפשרה את השימוש במנוע למגוון משימות שונות, כגון הפעלת מנופים, משאבות ונולי טקסטיל. שיפורי היעילות של וואט התאפשרו גם על ידי שימוש בקיטור בלחץ גבוה יותר ובנפח נמוך יותר, מה שאפשר להשתמש בשסתום סיבובי למילוי והוצאת הצילינדר. שיפורי היעילות של וואט התאפשרו גם על ידי שימוש בקיטור בלחץ גבוה יותר ובנפח נמוך יותר, מה שאפשר להשתמש במנגנון ארכובה ומוט חיבור להמרת תנועת הסיבוב של הבוכנה לתנועה הלוך ושוב.