Parní stroje, parní turbíny, parní kotle

Parní rozvod

Účinek páry ve válci

Účinek páry na parní píst za úplného dvojzvihu není stálý, nýbrž podléhá změnám, které se uplatňují v jednotlivých periodách. Abychom účinek jednotlivých period, které se vyskytují u všech systémů rozvodných,podrobně seznali, předpokládáme, že se píst nachází ve válci v mrtvé poloze a že vpouštěcí kanál byl již krátkou dobu před tím otevřen, kteréž předčasné otevření nazýváme předstihem a jelikož se děje při přívodu páry, předstihem vpouštěcím, jež tvoří zároveň první periodu. Šoupátko musí v tomto případě píst o jistou míru předbíhati, aby před dostihnutím pístu do mrtvé polohy byl vpouštěcí kanál již otevřen. Perioda tato trvá tak dlouho, pokud se píst nachází v mrtvé poloze. Píst nyní začíná se pohybovati účinkem stále více vnikající páry a nastává další perioda vstupu páry, která trvá tak dlouho, pokud šoupátko další přívod nezamezí. Avšak v tomto případě neuvolní píst svůj chod, nýbrž pohybuje se dále, avšak pouze účinkem rozpínavosti či expanse páry již dříve vniklé a ve válci nastala perioda expanse, která však nesmí trvati až do ukončení zdvihu, nýbrž musí se ukončiti dříve, než nastane předstih vypouštěcí. Má-li píst nyní nastoupiti zpáteční cestu, musí kanál vypouštěcí býti již otevřen, což se stává v další periodě předstihem vypouštěcím, kterýž nastává dříve, než se píst octne na konci zdvihu a nastoupí zpětný chod. Změna tato jest umožněna opět předbíháním šoupátka. Výstup páry či perioda výstupu nastává nyní při zpětném chodu pístu a trvá tak dlouho, než začne účinkovati předstih vpouštěcí na následující zdvih. Před ukončením zdvihu jest kanál vypouštěcí již uzavřen, pára nacházející se ještě ve válci za pístem se stlačuje dalším zpětným chodem pístu v periodě nazvané kompresní, jež se končí, když začne účinkovati opět předstih vpouštěcí. Jediným otočením kliky vyvozený dvojzdvih má tudíž následující periody: Při zdvihu ku předu 1. periodu vstupu páry, 2. periodu expanse a 3. periodu předstihu vypouštěcího; při zpětném pohybu pístu 4. periodu výstupu, 5. periodu komprese a 6. periodu předstihu vpouštěcího. Při předstihu vpouštěcím začíná působiti na píst úplný tlak páry, jaký se jeví v kotli, kterýž účinek trvá až do ukončení vstupu páry. Perioda vstupu má tím menší trvání, čím jest u téhož stroje napjetí páry větší. Účinek expanse řídí se dle zákona Mariottova, dle něhož součin z napjetí a objemu jest stálý. Pára při ukončení periody expanse má míti napjetí, jež se skoro rovná expansi páry výfukové. Kdyby nebylo škodlivého prostoru, který tvoří kanály vpouštěcí a zbývající část válce mezi víkem a pístem, povstalá nedoléháním pístu k víku, mohl by kanál výfukový až k nejbližší změně zdvihu zůstati otevřen, avšak při škodlivém prostoru, který v tomto případě byl by naplněn parou pouze o tlaku atmosférickém, tedy jedné atmosféry, nastala by ztráta páry rozdílem mezi napjetím páry v kotli a tlakem páry v škodlivém prostoru. Z této příčiny uzavírá se předčasně kanál vypouštěcí a zbylá ve válci pára se stlačuje v periodě kompresní, takže se pak tlak v kotli a ve škodlivém prostoru vyrovnávají a tím se účinek škodlivého prostoru téměř ruší, jelikož při změně zdvihu nenastává náhlá změna tlaku, neboť tlak páry v kotli setkává se zde s parou pístem stlačenou na téměř stejné napjetí, čímž se píst klidně uvede do nového chodu a stroj ušetří se nárazu. Na následujících obrazech jest znázorněn účinek páry na píst za spolupůsobení šoupátka, při čemž ok znamená kliku účinkující na píst, oe pak kliku pro pohyb šoupátka, které jest v každém z obrazů umístěno nahoře, kresba však představující funkci pístu a kliky dole, k čemuž budiž připomenuto, že řečené obrazy jsou kresleny pouze přehledně bez jakéhokoliv vzájemného měřítka.

Obraz 40. představuje píst v levé mrtvé poloze. Šoupátko, pohybující se ve směru šípu, uvolňuje levý vpouštěcí kanál o zevní lineární předstih v, a pravý vypouštěcí kanál o vnitřní lineární předstihVo. Průměr obou kanálů naznačen jest písmenem a, kanálu výfukového písmenem b. Směr pístu označen jest šípem. Klika oe tvoří se svislou osou dráhy klikové úhel předstihu S.

Obraz 41. představuje nám šoupátko v zevní pravé poloze, při čemž vstup a výstup páry jest zcela uvolněn a píst se pohybuje ku předu.

Obraz 42 představuje šoupátko při chodu zpětném, při čemž byl uzavřen levý vpouštěcí kanál a nastala perioda expanse. Pára před pístem uniká.

Obraz 43 naznačuje polohu pístu a šoupátka na začátku periody komprese. Pravý vypouštěcí kanál byl právě uzavřen. Poučení o účinku páry ve válci poskytují nám zvláštní měřící přístroje, zvané indikátory, jichž se užívá ku přímému znázornění změn tlaku ve válcích. Obraz indikátorem poskytnutý podává nám možnost, abychom se přesvědčili o vykonané strojem práci za jistou dobu. Jelikož se indikátorů užívá nejvíce ku stanovené práce u parních strojů, jest třeba, aby udávaly stav napjetí ve válci v jisté časové jedničce, za níž se obecně béře doba, potřebná k proběhnutí pístu dráhou válce, či doba jednoho zdvihu. Správně sestrojený a bezvadně účinkující indikátor ukazuje nám nejen účinky páry na výkonnost parního stroje, nýbrž poskytuje nám názorné poučení o výkonnosti oněch částí parního stroje, které obstarávají a regulují správný vstup a výstup páry. Ze záznamů indikátorem činěných můžeme sledovati nejen účinnost hybné síly, páry neb jiného plynu, na stroj, ale také můžeme z těchto pozorování a záznamů usuzovati o stavu stroje, v jakém se za doby pozorování nacházel, neboť záznam ním nejen zřetelně ukazuje, účinkuje-li na stroj pára o větším neb menším napjetí, nýbrž prozradí nám, nehustí-li píst nebo rozvod parní dokonale, nebo děje-li se rozvádění páry nepřiměřeně, jmenovitě děje-li se uzavírání a uvolňování přívodu páry v nepřiměřenou dobu. Indikátorem můžeme tudíž snadně a rychle zjistiti řadu nepravidelností, které se namnoze dějí v místech, všeobecně nesnadno přístupných a jež jsou příčinou někdy značných ztrát na parní síle, k jichž poznání bychom bez indikátoru buď nedospěli, nebo aspoň po dlouhé době a nákladném pátrání. Indikátor činí záznamy na proužek papíru navinutý na zvláštním válci a sice znamená zvláštní křivku uzavřenou, u níž směr a velikost jednotlivých linií nám ukazuje pochod v parním válci a velikost pak uzavřené křivkou plochy poskytuje nám pomůcku k vypočítávání množství práce strojem vykonané. Proužek papíru s křivkou indikátorem naznačenou nazýváme potom parním diagramem.

Za příčinou názoru připojujeme obraz 44. diagramu parního stroje výfukového s expansí. Každý diagram má za základ vodorovnou přímku at, kterou by indikátor zaznamenal, kdyby účinkovala na píst pouze atmosféra vzduchu. Přímka tato má na diagram velkou důležitost, jelikož od ní počínaje, měříme veškeré změny v tlaku. Píst indikátoru jest se spojení s tužkou a musí průběhem činnosti záznamové přesně sledovati proměnlivé periody tlakové, vznikající při pohybu pístu ku předu a zpět. Výše zmíněných šest period, jež nastávají při každém dvojzdvihu pístu, označeno jest následovně: fg znamená předstih vypouštěcí, gb vstup páry, bc expansi, cd předstih vypouštěcí, de výstup páry či výfuk, ef pak kompresi. Mezerou gk označena jest velikost škodlivého prostoru. Jakmile zvýší se tlak páry, zdvihá se píst indikátoru a s ním i znamenací tužka, která v tomto případě rýsuje stoupající čáru, v opačném případě, kdy tlak páry se uvolňuje a klesá, rýsuje tužka čáru klesající, neboť na pístu indikátoru uplatňuje se síla spirálového péra, která uvolněným tlakem uvádí se v činnost. Z narýsovaného diagramu může se snadno poznati nejvyšší tlak páry účinkující ve válci. oznámí toto jest velice důležité, neboť pomocí něho dá se zjistit nejen rozdíl napjetí panující mezi napjetím páry v kotli a ve válci, ale také se snadno najde příčina, která rozdíl onen přivodila. Z křivky diagramové pohodlně také seznáme, v jaké poloze pístu účinkoval nejvyšší tlak páry a jak se tlak při postupném pohybu pístu měnil. Dále zjišťuje diagram, v kterém bodu byl přívod páry uzavřen, zda-li zastavení stalo se náhle nebo povlovně a v které poloze pístu a jakým tlakem děl se výstup páry. Aby diagramy byly naprosto spolehlivé, musí se spirálové péro, které účinkuje na píst indikátoru, přizpůsobiti největšímu napjetí stroje, jehož diagram hotovíme a jest třeba u různých strojů užíti také různých per. O zařízení a činnosti indikátorů bude pojednáno později ve zvláštním odstavci, v němž i o jednotlivých diagramech bude podáno podrobné vysvětlení. Pokud se výše připojené přehledné ukázky diagramu týče, připojujeme některá vysvětlení. Předstih vpouštěcí fg má za účel, aby při změně zdvihu účinkoval na píst plný tlak páry v kotli. Vstup páry gb má býti tak upraven, aby se pára mohla expandovati až téměř k tlaku výfukovému, a čára gb bude u téhož stroje tím menší, čím větší napjetí má pára v kotli. Bod b označuje an diagramu místo, v němž bylo spojení válce s kotlem přerušeno a odkud pohybuje se píst pouze expansí páry. Předstihem vypouštěcím cd dociluje se výfuku páry dříve, než píst dospěje ku konci zdvihu. Za doby trvání předstihu vypouštěcího klesá napjetí páry na tlak výfukový, kteréž napjetí trvá po celou dobu výstupu páry, jíž znázorňuje čára de. Otevřením kanálu vypouštěcího nastává perioda vypouštěcí, která trvá od změny zdvihu, dle diagramu v dobu d počínajícím až po e, kdy kanál vypouštěcí se uzavře. Pak píst pohybuje se dále tlakem na opáčnou stranu pístu účinkujícím, při čemž zbytek výfukové páry se ve válci stlačuje. Děj tento koná se v periodě kompresní ef z příčin již výše vysvětlených. Na diagramu nacházíme ku každé poloze pístu ve válci příslušné tlaky, a sice jak před pístem, tak i za ním, při čemž musíme vždy bráti v úvahu ony části křivky, které vzájemně účinkují, tak pro vstup a expansi před pístem, výstup a kompresi za pístem. Za příčinou zjednání náležitého porozumění pro tento vzájemný účinek, pozorujeme stav páry před pístem i za ním současně. Při vstupu páry začíná za pístem perioda výstupu, tlak pístu rovná se téměř přetlaku páry, načež před pístem se vstup páry zastaví, pára expanduje, při čemž současně za pístem stále ještě trvá perioda výstupu páry. Tlak pístu klesá přiměřeně vzhledem k expansi. Nyní, ještě za trvání expanse před pístm, uzavře se vypouštěcí kanál za pístem, takže napjetí stoupá, při čemž píst se pohybuje v před a následkem toho napjetí před pístem se uvolňuje a za pístem roste, až nastane vyrovnání obou napjetí a píst se octne v jakési rovnováze. Dalším postupem pístu nastane opět za pístem větší tlak a před pístem se zmenší, takže účinkuje na píst tlak negativní.

Rozvod s jednoduchým šoupátkem

Rozvodu toho užívá se ještě dnes často, jmenovitě osvědčuje se velmi dobře při velikém plnění. Nechá se upraviti pro náplň 0.5 až 0.9, pro malé plnění jest třeba velikého šoupátka s velkým zdvihem. Nejlépe osvědčuje se toto šoupátko pro náplň 0.7 až 0.8.

Na obrázku 45. a 46. znázorněno jest šoupátko jednoduché S v poloze střední, jež kryje kanály a patkami, které přesahují kanál jednak vnějším krytím e, jednak vnitřním krytím i. Dutina šoupátka jest ve stálém spojení s kanálem vypouštěcím ao. Šoupátko spojeno jest s tyčí šoupátkovou T, jíž se dostává pohybu výstředníkem. Spojení s tyčí šoupátkovou provádí se pomocí cívky H a kotoučů B tak, aby se šoupátko po uvolnění obou matek mohlo na tyči pošinouti. Aby se šoupátko po utažení obou šroubů nepříčilo a dosedalo správně na sedlo, přečnívá cívka na obou koncích délku průvrtu. Správného dosedání dociluje se vedením, jež jest upraveno na postranních drážkách komory šoupátkové. Celá šíře šoupátka b1 přesahuje šířku kanálu vypouštěcího b0 o 20 až 30 mm. Šoupátek jednoduchých může se užíti jen pro stroje o průměru válce asi 250 mm. Šoupátka hotoví se z bronzu a z litiny. Při správné volbě suroviny musí býti sedlo ze hmoty tvrdší, šoupátko pak z měkčí, aby se opotřebování jevilo dříve na šoupátku než na ploše sedla. K tomu cíli užívá se na sedla ze železné litiny bronzových šoupátek, kteráž se dají snáze nahraditi, než s válcem pevně spojené sedlo. Opatření toto se osvědčilo výhodně u malých strojů a u lokomotiv. Sedlo šoupátkové neprovádí se úplně hladné pro nesnadné mazání dosti objemných ploch, nýbrž rýhuje se, avšak nikoli až ku kraji kanálů. Mezera, která rýhami nebývá dotčená, tvoří kraj kolem kanálů o šíři rovnající se aspoň síle kanálu vpouštěcího neb vypouštěcího. Rýhy mají hloubku 6 až 8 mm a vyhlubují se krouží; účinek jejich záleží v tom, že třecí plocha stává se menší a mazání se v nich hromadí. V prvých několika týdnech po uvedení stroje do chodu má se sedlu šoupátka dostávati mazání přímého, k čemuž se již ve strojírně upraví maznička. Kdyby na komoře šoupátkové nebyl přičiněn nálitek, dostačuje ubrání drážky, v níž se šoupátko pohybuje, čímž však přesnost vedení nesmí trpěti. Rostoucím napjetím páry a zvětšením stroje množí se i nebezpečí, že se sedlo následkem nedostatečného mazání poškodí rýhami, a že se excentry nesmírným namáháním zahřejí. Okolnost tato byla příčinou k sestrojení rozvodů pístových. Parní stroje opatřené jednoduchým šoupátkem nazývají se obyčejně plnotlaké, ač ne vždy právem, neboť možno i zde docíliti až dvojnásobné expanse páry. Nejvíce zde vadí zdlouhavé otevírání a zavírání kanálů. Nedostatku tomu odpomáhá se zavedením mřížového šoupátka, u něhož zdvih dosahuje značně menší výše.

Rozvod s dvojitým šoupátkem

Rozvod tento umožňuje změnu plnění i mezi chodem stroje, dle okamžité potřeby, buď samočinně pomocí regulátoru, nebo pouze rukou. Plnění může býti i velice malé, čehož se u šoupátka jednoduchého nikdy nedociluje. Dvojité šoupátko skládá se ze dvou šoupátek na sebe dosedajících, z nichž spodní, přímo na sedle se šinoucí, nazývá se rozváděcí, a vrchní rozpínací či expansivní. Rozváděcí šoupátko rozděluje pouze páru ve válci, expansivní pak má za úkol omezovati přívod páry. Rozváděcí šoupátko opatřeno jest vesměs průchozími kanály. Každé z obou šoupátek pohybuje se samostatně zvláštní tyčí a zvláštním excentrem, při čemž rozváděcí šoupátko má 20 a expansivní 60 až 90 stupňů předstihu. Čím více zevní hrany expansivního šoupátka jsou od sebe vzdáleny, tím jest plnění menší. Zásady v předchozích odstavcích uvedené doznaly u různých vynálezců rozmanitého provedení.

Rozvod Mayerův s dvojím šoupátkem

Rozvod Mayerův s dvojím šoupátkem poskytuje výhodného plnění, kteréž se však upravuje ručně (obr. 47.). Pohybu oběma šoupátkům základnímu i rozpínacímu, dostává se dvěma výstředníky naklínovanými na hřídeli klikovém.

Šoupátko základní jest opatřeno dvěma kanály průchodními k, jimiž prochází pára do kanálů vpouštěcích. Průchozí kanály uzavírají se expansivním šoupátkem, sestávajícím z dílců e e1, které se těsně na šoupátku základním pohybují. Oba dílce e e1 jsou našroubovány na tyči šoupátkové, opatřené závitem levým a pravým tak, že každý dílec usazen jest na jednom závitu. Otáčíme-li touto tyčí, vzdalují neb přibližují se oba dílce působením protivného závitu, čímž nastává změna v plnění a expansi. Aby otáčení tyče dělo se účelně a nepřesahovalo přípustné meze, opatřuje se tyč vodítkem r, na němž jest upevněno ozubené kolečko, které působí pomocí jiného ozubeného kolečka převodem na stupnici t, na níž jednotlivé stupně plnění jsou vyznačeny. Závity na tyči, levý a pravý, nemají stejný průměr a následkem toho i matky obou částic mˇají nestejné průvrty. Děje se tak z ohledu na montování částic do závitu, při čemž jedna z matek šroubových navléká se přes závit slabší. Šinutím obou částic šoupátka expansivního po šoupátku základním uzavírají neb uvolňují se kanály ve válci. Hřbet základního šoupátka opatřen jest příčnými rýhami, kterými se jednak zmírňuje tření, jelikož třecí plocha se zmenší, jednak také zmírní se plný tlak páry na šoupátko expansivní, které jest pak částečně odlehčeno. Tyč šoupátka základního zapouští se do prolomeného nálitku a, za nějž se přiměřeně upravená hlava tyče šoupátkové ukládá. Šoupátka toho užívá se s výhodou u strojů, u nichž jest třeba přemáhati stálé a déle působící odpory. Šoupátko Mayerovo montuje se uložením šoupátka základního, na nějž se našroubuje především částice o závitu větším a ustaví se uprostřed mezi oběma kanály, při čemž příslušná matka šroubová dojde až ku konci závitu. Druhá matka o závitu menším našroubuje se na příslušný závit do téže polohy, avšak na opačném konci. Takto umístěné matky můžeme libovolně otáčením šroubu na levo ustaviti. Otáčíme-li šroubem tak, že se obě částice šoupátka expansivního vzájemně vzdalují, docilujeme menší náplně, v opačném případě se náplň zvětšuje. U některých konstrukcí schází druhé převodné ozubené kolečko ukazovatele a ručička jeho umístěna jest na tyči.

Rozvod Riderův

Rozvod tento rozeznává se od předchozích tím, že jest šoupátko expansivní z jediného kusu. Základním tvarem jeho jest lichoběžník e (obr. 48.), umístěný na válci. Přívodné kanály jsou postaveny šikmo a hrany jich jsou rovnoběžné s hranami šoupátka expansivního. Aby bylo docíleno rychle se měnícího plněnínepohybuje se na válci umístěný lichoběžník pouze rovnoběžně s osou, nýbrž také se otáčí, čímž původně rovnoběžné hrany se zkříží a doba i velikost náplně se mění. Poloha základního šoupátka V jest upravená dle šoupátka expansivního válcovitě (obr. 49.). Ve válcovém lůžku V pohybuje se pomocí tyče T1 expansivní šoupátko E. Tyč T1 jest u F1, kde prochází šoupátkem, čtyřhranná a uložená rovněž v lůžku stejně udobeném, čímž se otáčivý pohyb tyče T1 přenáší i na šoupátko expansivní.

Čím více se šoupátko expansivní otáčí, tím zdlouhavěji se regulace provádí. Úhel otáčení může býti nejvýše 60 stupňů. Každé ze šoupátek pohybuje se, jako u rozvodu Mayerova, zvláštním výstředníkem. Riderův rozvod vyžaduje silného regulátoru. Spojení regulátoru se šoupátkem expansivním provádí se pomocí tyče a pák, při čemž musí se dbáti toho, aby expansivní šoupátko uzavíralo kanály, nachází-li se regulátor v nejvyšším postavení.

Rozvod Farcotův

U starších strojů vyskytuje se rozvod Farcotův se dvěma šoupátky, základním a (obr. 50.) a expansivním ze dvou desek e e1 sestaveným. Desky expansivního šoupátka nepohybují se zvláštním výstředníkem, nýbrž šoupátkem základním pomocí palců. Vnitřní vzdálenost obou desek e e1 opravuje se eliptickým kotoučem d, zevně působí na desky výstupky v. Eliptický kotouč d řídí se buď rukou, ve kterémž případě jest plnění závislé od obsluhovatele stroje, nebo se spojuje s regulátorem.

Pohyb šoupátka základního jest týž, jako u rozvodu Mayerova. Plnění se jím dociluje až asi do 0:5 zdvihu pístu.

Šoupátko pístové

Šoupátka pístového užívá se jmenovitě u větších strojů se značnějším tlakem a zdvihem přes 700 mm. Proměnou šoupátka v píst zmenšuje se tření. Pára vstupuje do válcové parní komory, v ní na tyči šoupátkové pohybují se dva písty, čímž se střídavě uvolňuje kanál přiváděcí a odváděcí. Otvor pro výfukovou páru nachází se mezi oběma písty.