วาล์วลูกสูบ (เครื่องจักรไอน้ำ)
วาล์วลูกสูบ เป็น วาล์วชนิดหนึ่งที่ใช้ควบคุมการไหลของไอน้ำภายในเครื่องยนต์ไอน้ำหรือหัวรถจักรทำหน้าที่ควบคุมการไหลของไอน้ำเข้าสู่กระบอกสูบและการระบายออก ทำให้หัวรถจักรสามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยตัวเอง วาล์วประกอบด้วยหัวลูกสูบสองหัวบนแกนหมุนเดียวกันที่เคลื่อนที่อยู่ภายในห้องไอน้ำ ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นกระบอกสูบขนาดเล็กที่ตั้งอยู่เหนือหรือใต้กระบอกสูบหลักของหัวรถจักร
ภาพรวม
ในศตวรรษที่ 19 รถจักรไอน้ำใช้ลิ้นเลื่อนเพื่อควบคุมการไหลของไอน้ำเข้าและออกจากกระบอกสูบในศตวรรษที่ 20 ลิ้นเลื่อนค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยลิ้นลูกสูบ โดยเฉพาะในเครื่องยนต์ที่ใช้ ไอน้ำ ร้อนยวดยิ่งมีสองเหตุผลสำหรับเรื่องนี้:
- การหล่อลื่นวาล์วเลื่อนให้เพียงพอในสภาวะที่มีไอน้ำร้อนยวดยิ่งนั้นทำได้ยาก
- ด้วยวาล์วลูกสูบ ทางเดินไอน้ำสามารถสั้นลงได้ ซึ่งโดยเฉพาะอย่างยิ่งตามงานวิจัยของAndré Chapelonจะช่วยลดแรงต้านต่อการไหลของไอน้ำและเพิ่มประสิทธิภาพ
ระบบวาล์วของหัวรถจักรทั่วไป เช่นระบบวาล์ว ของ Stephenson , Walschaertsและ Baker สามารถใช้ได้ทั้งกับวาล์วแบบเลื่อนหรือวาล์วแบบลูกสูบ ในกรณีที่ใช้วาล์วแบบป๊อปเป็ต อาจใช้ระบบวาล์วที่แตกต่างออกไป เช่น ระบบวาล์วของ Caprottiอย่างไรก็ตาม ระบบวาล์วมาตรฐานดังที่กล่าวมาข้างต้นก็ถูกนำมาใช้โดย Chapelon และผู้ผลิตรายอื่น ๆ ด้วยเช่นกัน
วาล์วลูกสูบส่วนใหญ่เป็นแบบ "รับไอน้ำจากภายใน" โดยไอน้ำใหม่จะถูกส่งเข้ามาจากหม้อไอน้ำผ่านช่องว่างระหว่างหัวลูกสูบทั้งสองของวาล์ว และไอน้ำเสียจะออกจากหม้อไอน้ำผ่านช่องว่างระหว่างหัวลูกสูบกับปลายห้องไอน้ำ ข้อดีของการจัดเรียงแบบนี้คือ การรั่วไหลผ่านซีลที่ปิดผนึกห้องไอน้ำจากก้านควบคุมของกลไกวาล์ว จะเกิดขึ้นน้อยกว่ามากเมื่อซีลอยู่ภายใต้แรงดันไอน้ำต่ำมากกว่าแรงดันหม้อไอน้ำเต็มที่ อย่างไรก็ตาม หัวรถจักรบางรุ่น เช่นรุ่น SR Merchant Navy ของ Bulleid ใช้แบบ "รับไอน้ำจากภายนอก" ซึ่งในทางกลับกัน ในกรณีของ Bulleid เนื่องจากระบบกลไกวาล์วแบบขับเคลื่อนด้วยโซ่ที่ไม่เหมือนใคร
ตัวอย่าง
เครื่องจักรทางลาด Swannington บนทางรถไฟ Leicester และ Swanningtonซึ่งผลิตโดยบริษัท Horsely Coal & Iron ในปี ค.ศ. 1833 แสดงให้เห็นถึงการใช้งานวาล์วลูกสูบในยุคแรกๆ[ 1 ] วาล์วลูกสูบถูกนำมาใช้ในเครื่องจักรแนวนอนที่ผลิตโดย Taylor & Martineau แห่งลอนดอน เมื่อหนึ่งหรือสองปีก่อนหน้านั้นแต่ยังไม่เป็นที่นิยมใช้ในเครื่องจักรแบบอยู่กับที่หรือเครื่องจักรหัวรถจักรจนกระทั่งปลายศตวรรษที่ 19 [ 2 ]
หลักการออกแบบ
เมื่อเคลื่อนที่ รถจักรไอน้ำต้องการไอน้ำเข้าสู่กระบอกสูบในเวลาที่แม่นยำสัมพันธ์กับตำแหน่งของลูกสูบ[ 3 ]ซึ่งเกี่ยวข้องกับการควบคุมการรับและปล่อยไอน้ำเข้าและออกจากกระบอกสูบด้วยวาล์วที่เชื่อมโยงกับการเคลื่อนที่ของลูกสูบ[ 3 ]
สำหรับการกำหนดเวลาและขนาดของวาล์วแบบเลื่อนหรือแบบลูกสูบ ซึ่งวาล์วจะเปิดและปิดช่องไอน้ำและช่องไอเสีย จำเป็นต้องพิจารณา "ระยะซ้อนทับ" และ "ระยะนำ" ด้วย
รอบ
ระยะแลปคือระยะที่วาล์วทับซ้อนกับพอร์ตแต่ละพอร์ตที่ตำแหน่งตรงกลางของวาล์วแต่ละตัว[ 3 ] ระยะแลปมีสองประเภทที่แตกต่างกัน
ประเภทแรกคือระยะทับซ้อนของไอน้ำ ซึ่งเป็นปริมาณที่วาล์วทับซ้อนกับพอร์ตไอน้ำ ด้าน ที่มีไอน้ำของลูกสูบหรือวาล์วเลื่อน (กล่าวคือ ระยะทางที่วาล์วต้องเคลื่อนที่เพื่อเริ่มเปิดพอร์ต) [ 3 ]
ประการที่สองคือระยะซ้อนทับของวาล์วไอเสีย ซึ่งเป็นปริมาณที่วาล์วซ้อนทับกับพอร์ตไอเสียที่ ด้าน ไอเสียของลูกสูบหรือวาล์วเลื่อน โดยทั่วไปแล้วระยะซ้อนทับของวาล์วไอเสียจะให้กับหัวรถจักรที่วิ่งช้า[ 3 ] เนื่องจากช่วยให้ไอน้ำคงอยู่ในกระบอกสูบได้นานที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ก่อนที่จะถูกระบายออกเป็นไอเสีย จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ[ 3 ] หัวรถ จักรสับเปลี่ยนมักจะติดตั้งส่วนเพิ่มเติมนี้
ระยะการระบายไอเสียเชิงลบ หรือที่รู้จักกันทั่วไปว่าระยะห่างการระบายไอเสีย คือปริมาณที่พอร์ตเปิดเพื่อระบายไอเสียเมื่อวาล์วอยู่ในตำแหน่งตรงกลาง และใช้ในหัวรถจักรที่วิ่งเร็วหลายคันเพื่อให้ไอเสียไหลได้อย่างอิสระ[ 3 ]กระบอกสูบทั้งสองด้านของลูกสูบจะเปิดเพื่อระบายไอเสียพร้อมกันเมื่อวาล์วผ่านตำแหน่งตรงกลาง ซึ่งเป็นเพียงชั่วขณะขณะทำงาน[ 3 ]
ตะกั่ว
ระยะนำ (Lead) คือปริมาณที่พอร์ตเปิดอยู่เมื่อลูกสูบอยู่ที่ "จุดศูนย์ตาย" ด้านหน้าหรือด้านหลัง[ 3 ]ในกรณีของพอร์ตไอน้ำ ระยะนำนี้ช่วยให้ไอน้ำไหลเข้าไปเติมเต็มช่องว่างระหว่างกระบอกสูบและลูกสูบ และช่วยให้มั่นใจได้ว่าแรงดันในกระบอกสูบสูงสุดก่อนเริ่มจังหวะการเคลื่อนที่[ 3 ]ซึ่งทั้งช่วยลดแรงกระแทกและช่วยให้มวลของลูกสูบชะลอตัวและเปลี่ยนทิศทาง ที่ความเร็วต่ำ การไม่มีระยะนำถือว่าไม่เหมาะสม สำหรับเครื่องยนต์ที่มีลูกสูบขนาด 24 นิ้วขึ้นไป มวลมากกว่า 5 กิโลกรัม และแรงดันต่ำกว่า 500 psi การลดแรงกระแทกจะเป็นประโยชน์ ระยะนำมีความจำเป็นสำหรับหัวรถจักรที่ออกแบบมาสำหรับความเร็วสูง[ 3 ]
การคำนวณเหตุการณ์วาล์ว
เมื่อทราบระยะการประกบ ระยะนำ และระยะการเคลื่อนที่ของวาล์วแล้ว วาล์วจะเปิดและปิดเพื่อปล่อยไอน้ำและไอเสีย ณ จุดใดในจังหวะการเคลื่อนที่ของลูกสูบ?
การคำนวณหาคำตอบที่แน่นอนสำหรับคำถามนั้นก่อนยุคคอมพิวเตอร์เป็นงานที่ยุ่งยากเกินไป วิธีประมาณค่าอย่างง่าย (ที่ใช้ใน แผนภาพของ ZeunerและRealeaux ) คือการสมมติว่าทั้งวาล์วและลูกสูบมีการเคลื่อนที่แบบคลื่นไซน์ (เช่นเดียวกับกรณีที่ก้านหลักมีความยาวอนันต์) จากนั้น ตัวอย่างเช่น คำนวณเปอร์เซ็นต์ของช่วงชักของลูกสูบที่การจ่ายไอน้ำถูกตัดออก:
- คำนวณหาค่ามุมที่ค่าโคไซน์เท่ากับสองเท่าของระยะรอบหารด้วยระยะการเคลื่อนที่ของวาล์ว
- คำนวณหาค่ามุมที่ค่าโคไซน์เป็นสองเท่าของ (ระยะรอบบวกระยะนำ) หารด้วยระยะการเคลื่อนที่ของวาล์ว
นำมุมทั้งสองมาบวกกัน แล้วหาค่าโคไซน์ของผลรวมนั้น ลบค่าโคไซน์นั้นด้วย 1 แล้วคูณผลลัพธ์ด้วย -50
รถจักรไอน้ำรุ่น I1s 2-10-0 ของเพนซิลเวเนียที่ผลิตออกมามีระยะรอบ 2 นิ้ว ระยะนำ 1/4 นิ้ว และระยะการเคลื่อนที่ของวาล์ว 6 นิ้ว เมื่อเข้าเกียร์เต็มที่ เมื่อเข้าเกียร์เต็มที่ มุมทั้งสองคือ 48.19 องศาและ 41.41 องศา และระยะตัดสูงสุดจะอยู่ที่ 49.65% ของระยะชักลูกสูบ