В сфере вращался и колебался диск, на каждой из сторон которого «перекидывались» туда-сюда четвертинки шара. Как видите, на словах это объяснить невозможно, поэтому гифка:
чуть помедленнее, гифка
Красные стрелки — подача свежего пара, синие — выпуск отработанного.
Валы размещались под углом 135 градусов друг к другу. Пар через отверстие в четвертинке поступал под прижатую к диску плоскость, расширялся (производя полезную работу) и после поворота четвертинки выходил через то же отверстие. Четверти, таким образом, выполняли функции клапанов подачи/удаления пара. Болтающийся диск делал то, что в обычной паровой машине делает поршень. А кривошипно-шатунного механизма не было вовсе, потому не надо было преобразовывать возвратно-поступательное движение во вращательное.
Главный узел:
Пока по одну сторону четвертинки происходил рабочий ход (расширение пара), по другую ее сторону производился холостой ход (выпуск отработанного пара). По ту сторону диска происходило то же самое со сдвигом по фазе на 90 градусов. Из-за взаимного положения четвертинок диску придавалось вращение и колебания.
По сути, это была карданная передача с внутренним источником энергии. Зеленый диск-крестовина карданной передачи совершает такие же вращательно-колебательные движения:
Вращение передавалось на два вала, выходящие из мотора. Снимать энергию можно было с обоих, но на практике, судя по рисункам, для привода использовали один.
Как отмечал французский журнал «La Nature» 1884-го года, сферический двигатель допускал повышенные по сравнению с поршневыми собратьями скорости вращения и, следовательно, хорошо подходил в качестве привода электрогенератора.
Двигатель обладал низкими уровнями шума и вибрации и был очень компактен. Мотор с внутренним диаметром шара 10 см и частотой вращения 500 об/мин при давлении пара 3 атм выдавал 1 лошадиную силу, при 8,5 атм — 2,5 л.с. Самая же большая модель диаметром 63 см обладала мощностью в 624 «лошадки».
Но. Сферический мотор был сложен в изготовлении, требовал больших расходов пара. Он выпускался и некоторое время реально эксплуатировался в качестве привода генераторов в британском флоте и на железных дорогах Great Eastern Railway (устанавливался на паровой котел и служил для электроосвещения вагонов). Однако из-за указанных недостатков не прижился.
P.S. Необходимо заметить, что изобретатель сферического
Судя по всему, он был первым, кто наблюдал «масляный клин» в подшипниках скольжения и измерял давления в нем. Т.е. современное машиностроение пользуется исследованиями мистера Тауэра до сих пор.
Почерпнуто здесь и там.
Комментарии (57)
stDistarik
30.08.2016 10:16+1Если автор позволит. то добавлю эту публикацию в цикл своих статей про паровые машины?
22sobaki
30.08.2016 10:30+1Конечно.
Что за цикл?stDistarik
30.08.2016 10:56+7Правильнее назвать это историческим очерком про всё паровое — машины, самолёты, подводные лодки… http://istarik.ru/blog/texnica/3.html
UA3MQJ
31.08.2016 00:12Как большой любитель паровой техники, благодарю вас за целую серию статей.
stDistarik
31.08.2016 01:27Премного благодарен за Ваш отзыв (ибо их не так много), писал это три месяца и узнал очень много нового.
Andriuha077
31.08.2016 07:44ВОДОТРУБНЫЙВОДОТРУБНЫЙ КОТЕЛ, паровой генератор, у к-раго вода, потребная для парообразования, находится, в отличие от огнетрубных котлов, не снаружи, а внутри системы металлических трубок; последние с наружной стороны омываются горячими продуктами горения топлива, сжигаемого в том же пространстве. https://ru.m.wikisource.org/wiki/%D0%92%D0%AD/%D0%92%D0%A2/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%82%D1%80%D1%83%D0%B1%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BB — https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D1%83%D1%85%D0%BE%D0%B2,_%D0%92%D0%BB%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%80_%D0%93%D1%80%D0%B8%D0%B3%D0%BE%D1%80%D1%8C%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D1%87 Шухов В.Г.UA3MQJ
31.08.2016 08:49У меня собралось несколько книг на паровую тематику. Очень понравилась книга «П. Дузь. Паровой двигатель в авиации. 1939г». Рассказывается столетняя история становления и совершенствования паровой техники и анализ того, почему первый самолет полетел не на паровом двигателе (и мог ли полететь). На момент написания, ВОВ еще не началась — это тоже определенным образом повлияло на книгу.
stDistarik
31.08.2016 10:28Самолёт братьев Бесслеров с паровым двигателем был и успешно летал.
UA3MQJ
31.08.2016 17:52Бестлеров как раз все знают. А там и другие попытки описаны. Да и в целом, история развития паровой техники. Чем это книга и интересна.
bobermai
30.08.2016 10:47+1На втором валу, я так понимаю, маховик стоит?
22sobaki
30.08.2016 11:40Да, наверное. Хотя, поскольку отмечали пониженные шум и вибрацию, равномерность вращения и так была лучше конкурентов.
thelongrunsmoke
30.08.2016 11:45У этого двигателя нет «мёртвой точки», если маховик и есть, то только для компенсации изменений давления пара.
tbl
30.08.2016 13:44Маховик не нужен, наоборот надо как можно сильнее уменьшить момент инерции второго вала, т.к. главный недостаток карданной передачи — несинхронность вращения валов (и если маховик будет сглаживать вращение ненагруженного вала, то вал, с которого будет сниматься мощность, будет дергаться)
relia
31.08.2016 16:42Добавление второго карданного шарнира, повернутого на 90 град относительно первого, полностью убирает колебания угловой скорости выходного вала относительнл входного ;)
tbl
31.08.2016 19:10ок, ставим 2 двигателя вместо одного для того чтобы прицепить маховик?
relia
31.08.2016 22:51Не так: входной вал через карданый шарнир крутит промежуточный вал, который имеет колебания угловой скорости. На другом конце промежуточного вала стоит карданый шарнир, повернутый относительно первого на 90 градусов и крутящий выходной вал, колебания угловой скорости которого находятся в противофазе к первому — когда промежуточный вал замедляется, то выходной ускоряется, и наоборот. Это именно та причина, по которой карданые валы в автомобилях всегда имеют два карданых шарнира или, как минимум, шарнир с одной стороны и упругую муфту с другой (привод задних колес на «Ниве» и у многих паркетников).
alexhott
30.08.2016 10:57С современными технологиями производства вполне конкурировал бы с поршневыми в некоторых отраслях но кпд все равно ниже
SvSh123
30.08.2016 12:07+1Из этой штуки мог бы получиться хороший пневмодвигатель.
Zenitchik
30.08.2016 13:28+1Для торпеды.
22sobaki
30.08.2016 13:34Или для квадроцикла. Два вала крутят два колеса.
s366315
30.08.2016 14:30квадроциклу не нужен дифференциал?
TxN
30.08.2016 14:59+1Да, многие модели прекрасно без него обходятся, прямой привод на заднюю ось и все.
Да даже на автомобилях некоторые личности заваривают намертво дифференциал, чтобы дрифтовать проще было. Те, кто поразумней, ставят блокировку.
В общем, штука важная, но не обязательная.
Wizard_of_light
30.08.2016 11:58Спасибо, любопытная конструкция. Можно в каких-нибудь моделях применять в пневматическом варианте.
Archy_Kld
30.08.2016 14:30Пневмопривод, годный к распечатке на бытовом 3D принтере.
Причем, двунаправленный — и как перевод давления во вращательный момент, и, как нагнетатель давления от вала отбора мощности.
Для микро-роботов пневматические приводы интересны — пневмоманипуляторы обеспечивают и гибкость, и регулируемую силу захвата, но требуют наличия пневмосистемы.
Просто на шасси компрессор не воткнешь. И электропневмоклапана — это и громоздко, и тяжело, и амперы кушает только в путь
А в этом варианте давление в пневмосистеме легко регулируется — банальный ШИМ на моторчике. На алибабе полно дешевых и маленьких датчиков давления.
И вместо отдельных клапанов — можно легко делать отдельные пневмосистемы, каждая со своим регулируемым по проводам «компрессором».
И сами клапана — или даже газовые редукторы с управляемым оборотами давлением — на том же принципе — так же возможны.
Gozdi
30.08.2016 16:50Интересно почитать, какими инструментами и станками пользовались, для создания таких машин. Инструментальных сталей еще не изобрели, а фрезер и токарный по металлу уже был.
romxx
30.08.2016 18:33+3Мне кажется, вы недооцениваете развитие инженерного умения и техники конца XIX века. Посмотрите хотя бы на боевые корабли, броненосцы и линкоры того же времени.
Gozdi
30.08.2016 20:48… в 1880-х годах, при уже появившихся станках для металлообработки, не существовало легированных сталей для собственно резцов и фрез. Максимум, что могли использовать — науглероженые по кромке сменные инструменты из тигельной стали с соответствующей стойкостью и сроком службы. Ручные умения с напильником оставим за кадром, интересует, как преодолевали недостатки существующих инструментов на время бытования оных. Как был изготовлен серийно сабжевый двигатель.
k155la3
31.08.2016 14:38+2«После сборки обработать напильником»(с)
Посмотрите на Александрийскую колонну. 800 тонн. Идеально круглая. Из гранита, который приволокли аж Финляндии. Ручками, всё ручками.Zenitchik
31.08.2016 19:20Говорят, не особо круглая.
k155la3
31.08.2016 19:48+1Для 3.5м диаметром 700-тонного цельного куска гранита точность впечатляющая.
Земля тоже не шар.
Моя мысль была в том, что нельзя недооценивать достаточно упёртого на результате хорошо обученного человека.
Это CNC-станок с 175 степенями свободы, обратной связью по каждой, техническим стереозрением и датчиками звука, вибрации и химического состава, со встроенным CAD/CAM и мощным самообучением, огромным выбором инструментов и технологий обработки, офигительной универсальности и весьма впечатляющих возможностей.
Проблема только в производительности и цене обработки.
Не нравится колонна — возьмите хронографы Возрождения или античные астрономические приборы.
В единичных экземплярах великие мастера создавали такие вещи, что сейчас бегают толпы народа поминая пришельцев всуе… а ведь всё проще: система отбора талантов, много терпения, много труда — и вот он, ларчик в шляпе. Просто сейчас у многих срабатывает стоп-кран в голове при мысли о том, СКОЛЬКО труда стОили некоторые вещи.Zenitchik
31.08.2016 21:38+1По существу — согласен. Не говоря уж о том, что не так давно школьники линзы из стекла точили в домашних условиях. Просто точили до победного конца, пока форма не совпадёт с требуемой.
MTyrz
01.09.2016 01:42Накладываем теперь сверху наше будущее зеркало, крепко захватываем обеими руками ручку и начинаем (...) двигать зеркало взад и вперед, достаточно сильно нажимая на него. При этом раздается сильный хруст от растирания крупных зерен наждака или карборунда, и от начавшегося выкрашивания стекла. Это совершается процесс, называемый грубой шлифовкой, или обдиркой.
М.С. Навашин. Телескоп астронома-любителя, 1979
Nikolo-73
31.08.2016 16:38Если не ошибаюсь, карданные передачи не используют при больших углах, кажется более 12°. Более того, ранее (а может и сейчас?) карданные передачи в точной механике использовались только парами на параллельных валах с юстированными углами. Причина та же, что и на переднеприводных автомобилях — при равномерном вращении одной части передачи другая, при несоосном положении, крутится с неравномерной скоростью. Может быть при скорости вращения 500 об/мин вибрации и не было. Но если бы дать 3000, думаю, была бы совсем другая картина.
hdfan2
Какое же потрясающее пространственное воображение нужно иметь, чтобы такое создать! Интересно, а можно ли сделать ДВС на том же принципе? Или у него те же проблемы будут?
bobcatt
Вероятно можно, но проблемы будут аналогичны роторно-поршневому двигателю. Сферические уплотнения камеры сгорания будет сделать еще сложнее. Плюс сложный тепловой режим внутреннего механизма.
Expelliamus
Роторный ДВС же
jaddd
Роторный двигатель Ванкеля из самых известных. Принцип достаточно схож.
ssneg
И проблемы те же: сложность в изготовлении (требования к допускам), высокое трение (нагрев, перерасход масла) и проч.
relia
Помимо упомянутых bobcatt проблем, так же необходимо учесть, что такая система может быть только низкооборотной в виду полной несбалансированности движущихся по сложным траекториям масс. Ее возможно применять для парового и любого другого двигателя с внешним сгоранием, которые низкооборотистые (50...300 об/мин), но ДВС, требующий намного более высокой минимальной скорости протекания сегментов рабочего цикла, просто разнесет от вибраций.
mahovik77
Не такие уж и сложные траектории… Такой движок гораздо легче сбалансировать чем одноцилиндровый с коленвалом. А вот проблема уплотнения рабочих поверхностей… Это задачка будет потруднее чем балансировка.
relia
Да? :) В 1-цилиндровом двигателе силы инерции первого порядка гасятся противовесом на коленчатом валу, а второго порядка — балансирным валом в случае необходимости. И там все виды возвратно-поступательного движения лежат в одной плоскости. А здесь только построения диаграмм точе инерции всех частей потянет на хороший такой талмуд. Про уроавновешивание этих точек материальными противовесами вообще молчу :)
mahovik77
Тут достаточно посадить второй такой-же мотор вал, но со сдвигом фаз на 180 градусов и он будет играть роль противовеса. А вообще-то бОльшую часть колебаний гасит то что движок этот с двухсторонними рабочими поверхностями. Ну то есть давление на «поршень» пар совершает попеременно то с одной то с другой стороны. И происходит своего рода амортизация.
relia
«Тут» — это где? И ведь будем тогда уже сравнивать с 2-цилиндровым поршневым ДВС? ;)
О каких колебаниях речь? Рабочие газы не принимают прямого участия в создании каких-либо колебаний, за исключением акустических, в виду крайне малой своей массы. Сюда же и вопрос что заключает в себя «амортизация».
А в целом кинематических схем ДВС существует куча, но реально прижились только две — поршневой и роторный. Надо искать замену ДВС, а не его кинематическим схемам ;)
mahovik77
«Тут» — это в случае с паровым двигателем. Речь идет о колебаниях «поршня», на него с двух сторон попеременно давит пар и благодаря этому и возникает «амортизация», за счет чего и гасится большая часть колебаний.
Замену найти хорошо бы, но пока, что ни один из двигателей не может сравняться с ДВС.
relia
Рабочее тело (в случае паровой машины — пар) ничего не амортизирует. Силы инерции, возникающие при возвратно-поступательном движении поршня парового двигателя, уравновешиваются противовесом на выходном валу.
mahovik77
Ну да… ну да… и на поршень не давит… он(поршень) сам по себе туда-сюда бегает… от нечего делать…
relia
Угу. А ветер от того, что деревья ветками машут :D
singeorange
22sobaki
И
https://commons.m.wikimedia.org/wiki/Wolfhart_Engine