Nguyên lý hoạt động của động cơ dầm

 (glinscott.github.io)
2 điểm bởi GN⁺ 3 giờ trước | 1 bình luận | Chia sẻ qua WhatsApp
  • Các động cơ dầm ban đầu tạo ra liên tục khoảng 15 mã lực nhờ dùng sự giãn nở/ngưng tụ của hơi nước và áp suất khí quyển, đồng thời biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay để vận hành máy móc trong mỏ và nhà máy thời Cách mạng Công nghiệp
  • Động cơ Newcomen tạo chân không bằng cách ngưng tụ hơi nước rồi dùng áp suất khí quyển để di chuyển piston, nhưng đã lãng phí khoảng 3/4 lượng hơi nước vì phải làm nguội rồi hâm nóng lại xi lanh ở mỗi hành trình
  • Bộ ngưng tụ tách rời của James Watt giữ xi lanh nóng và bộ ngưng tụ lạnh, giúp giảm tiêu thụ than khoảng hai phần ba, đồng thời tạo công suất hiệu quả từ cả hai chiều nhờ xi lanh tác động kép, cắt hơi và gia công chính xác
  • Van trượt và bánh lệch tâm, dầm và cơ cấu chuyển động song song, trục khuỷu và bánh đà, bơm cấp nước, bộ điều tốc đã liên kết dòng hơi nước, chuyển động thẳng, chuyển động quay, cấp nước nồi hơi và điều khiển tốc độ thành một hệ thống vận hành tự động
  • Hiệu suất nhiệt đã tăng từ khoảng 0,5% của Newcomen lên khoảng 3% của Watt, hơn 10% ở động cơ tàu thủy cỡ lớn thập niên 1890, và hơn 40% ở nhà máy điện tua-bin hơi nước hiện đại; khi động cơ điện trở nên phổ biến, hệ thống động cơ dầm trung tâm cùng trục và dây đai dần bị thay thế

Sự giãn nở và áp suất của hơi nước

  • Nước khi sôi thành hơi sẽ giãn nở lên khoảng 1.700 lần thể tích ban đầu
    • Một cốc nước sẽ thành khoảng 400 lít hơi nước, đủ để lấp đầy cỡ hai bồn tắm
    • Nếu không đủ không gian để giãn nở, nó sẽ đẩy lên toàn bộ thành bình chứa; giá trị lực này chia cho diện tích chính là áp suất
  • Áp suất hơi tác dụng lên bề mặt nước sẽ được truyền đều tới mọi nơi mà nước tiếp xúc
  • Khi chênh lệch áp suất là 1 atm, có thể thu được khoảng 1kg lực trên mỗi 1cm² diện tích piston
    • Nếu tăng gấp đôi đường kính piston, diện tích và lực sẽ tăng gấp bốn
    • Các nhà chế tạo ban đầu chưa thể xử lý an toàn hơi nước áp suất cao nên dùng các xi lanh áp suất thấp lớn đến mức một người có thể chui vào

Áp suất khí quyển và chân không hơi nước

  • Trên mặt đất, cột không khí có tiết diện 1cm² kéo dài tới rìa khí quyển nặng khoảng 1kg, và khí quyển tác dụng khoảng 1kg lực lên mỗi 1cm²
  • Không khí và dịch cơ thể bên trong chúng ta cũng đẩy ra với cùng áp suất nên bình thường ta không cảm nhận được áp suất khí quyển
    • Khi uống bằng ống hút, áp suất bên trong ống hút giảm xuống và áp suất khí quyển trên bề mặt cốc sẽ đẩy chất lỏng đi lên
  • Otto von Guericke năm 1654 đã hút hết không khí khỏi hai bán cầu đồng có đường kính khoảng 0,5m
    • Áp suất khí quyển giữ hai bán cầu dính chặt với lực khoảng 2 tấn đến mức nhiều con ngựa cũng không kéo tách ra được
    • Khi mở van cho không khí vào, có thể tách chúng ra bằng tay
  • Sau khi làm đầy một bình bằng hơi nước rồi phun nước để làm nguội, hơi nước sẽ ngưng tụ thành nước với thể tích chỉ khoảng 1/1.700, nhờ đó có thể nhanh chóng tạo chân không
    • Nếu ngưng tụ hơi nước bên dưới piston, áp suất khí quyển phía trên sẽ ép piston đi xuống theo hướng chân không
    • Một piston đường kính 0,5m có thể gom được lực khoảng 2 tấn trong điều kiện chân không hoàn toàn

Động cơ bơm thoát nước mỏ của Newcomen

  • Đầu những năm 1700, các mỏ đào sâu xuống dưới mực nước ngầm nên nước liên tục thấm vào, và ngay cả khi các ca ngựa thay phiên quay bơm suốt ngày đêm thì vào mùa mưa vẫn phải bỏ mỏ than
  • Thomas Newcomen đã nối piston chân không với một dầm lắc khổng lồ để tạo ra cỗ máy có thể hoạt động cả ngày
    • Khi áp suất khí quyển kéo piston đi xuống, thanh bơm nặng ở phía đối diện sẽ đi lên
    • Trong lúc trọng lượng của thanh bơm kéo piston đi lên trở lại, xi lanh được nạp đầy hơi nước
  • Cỗ máy thành công đầu tiên được lắp đặt tại một mỏ than gần Dudley vào năm 1712
    • Hoạt động khoảng 12 hành trình mỗi phút
    • Mỗi hành trình nâng khoảng 45 lít nước lên cao 50m
    • Có thể vận hành 24 giờ mà không cần ăn hay nghỉ, nên lan rộng từ Cornwall tới Newcastle
  • Một piston đường kính 50cm có thể tạo ra khoảng 2 tấn lực trong chân không hoàn toàn, và khi tính đến rò rỉ cùng trọng lượng thanh bơm, nó có thể thực hiện khoảng 4kW công hữu ích
    • Để thay thế lượng công này trong một ngày cần khoảng 15~20 con ngựa thay ca
    • Về sau Watt bán máy dựa trên số ngựa mà động cơ thay thế, và định nghĩa 1 mã lực là 33.000 foot-pound mỗi phút

  • Giới hạn gia công của xi lanh thời kỳ đầu

    • Khó hơn cả việc đúc một xi lanh sắt lớn là làm cho mặt trong của nó thẳng và tròn
    • Xi lanh của Newcomen được mài bằng tay, và dùng một vạt da phủ nước để làm kín thành trong không đều
    • Denis Papin năm 1690 đã trình diễn nguyên lý đun sôi nước dưới piston rồi ngưng tụ để cho áp suất khí quyển kéo nó xuống, nhưng không phát triển nó thành động cơ chạy liên tục

Sự lãng phí nhiên liệu của động cơ Newcomen

  • Việc phun trực tiếp nước lạnh vào trong xi lanh đã làm nguội không chỉ hơi nước mà cả xi lanh sắt khổng lồ
  • Ở hành trình tiếp theo, khoảng 3/4 lượng hơi nước bị lãng phí để hâm nóng lại xi lanh
  • Các mỏ than có thể dùng slack, tức các mảnh than nhỏ không có giá trị thương mại, làm nhiên liệu nên chấp nhận được sự kém hiệu quả này, nhưng ở vùng khác thì chi phí nhiên liệu quá cao
  • Vì mức tiêu thụ quá lớn, động cơ hơi nước sau đó bị giới hạn khoảng 50 năm chủ yếu trong các mỏ than

Nồi hơi áp suất thấp và lợi thế của áp suất khí quyển

  • haystack boiler của Newcomen chỉ tạo ra hơi nước cao hơn áp suất khí quyển khoảng 1/20 atm
    • Nó được làm từ tấm đồng hoặc sắt mỏng cùng đinh tán, và các mặt rộng với mối ghép yếu không chịu nổi áp suất cao
    • Nếu hơi nước đẩy trực tiếp thì chỉ được khoảng 50g lực trên mỗi 1cm², nhưng nếu ngưng tụ để tận dụng áp suất khí quyển thì đạt khoảng 1kg, tức lực lớn hơn khoảng 20 lần
  • Thomas Savery vào thập niên 1690 đã cố dùng hơi nước áp suất cao với nồi hơi đồng hàn thiếc
    • Lửa làm mềm mối hàn thiếc và các mối nối bị rò rỉ nên phải sửa chữa thường xuyên
    • Newcomen chọn cấu trúc bằng chì mỏng, sắt rèn và đinh tán nhờ dùng hơi nước gần áp suất khí quyển
  • waggon boiler của Watt dẫn khí nóng đi bên dưới buồng nước rộng và gom hơi nước dưới mái vòm tròn
    • Đáy rộng nhận nhiệt tốt, nhưng các mặt bên phẳng và đáy cong vào trong lại dễ bị tổn thương trước áp suất
  • Các nhà chế tạo về sau làm toàn bộ thành một hình trụ dài cong ra ngoài để loại bỏ các mặt phẳng và bề mặt cong vào trong
    • Bán kính hình trụ càng lớn thì lực bung ra dưới cùng một áp suất càng lớn, nên nồi hơi được làm hẹp
    • Với hình trụ áp suất 2 atm, bán kính 0,5m, tải trọng theo chu vi tác dụng lên mỗi mét tấm vật liệu vào khoảng 10 tấn, còn ứng suất theo chiều dọc bằng một nửa mức đó
    • Hình cầu phân bố tải đều hơn nhưng khó chế tạo bằng tấm cán và đinh tán
  • Khi kỹ thuật sắt và đinh tán được cải thiện, áp suất cao hơn trở nên khả thi, và Richard Trevithick đã vận hành động cơ nhiều atm vào khoảng năm 1800

Bộ ngưng tụ tách rời của Watt

  • James Watt năm 1765, trong lúc sửa mô hình động cơ Newcomen tại University of Glasgow, đã phân tích mức tiêu thụ hơi nước quá mức
  • Theo nghiên cứu về nhiệt ẩn (latent heat) của Joseph Black, để đun sôi 1kg nước thành hơi cần năng lượng nhiều hơn gấp hơn 5 lần so với việc đun nó từ điểm đóng băng lên điểm sôi
  • Nếu chỉ cho vào lượng nước về mặt lý thuyết đủ để ngưng tụ hơi nước trong xi lanh, nhiệt ẩn sẽ làm nước nóng lên và quá trình ngưng tụ dừng lại, nên không tạo được chân không đủ mạnh
    • Nếu cho thêm nước lạnh thì sẽ tạo được chân không, nhưng lại làm nguội cả xi lanh nên ở hành trình sau phải hâm nóng lại
  • Watt đưa vào cấu trúc giữ xi lanh nóng nhưng giữ bộ ngưng tụ riêng biệt ở trạng thái lạnh
    • Khi van mở ở cuối hành trình, hơi nước sẽ chuyển sang bộ ngưng tụ lạnh
    • Khi hơi nước biến thành nước, áp suất trong xi lanh nối với bộ ngưng tụ cũng giảm theo
    • Một bơm không khí nhỏ do chính động cơ dẫn động sẽ loại bỏ nước ngưng và không khí lọt vào sau mỗi hành trình
  • Bộ ngưng tụ tách rời giúp giảm tiêu thụ than khoảng hai phần ba
    • Watt và Matthew Boulton thu phí bằng một phần ba chi phí than mà khách hàng tiết kiệm được

  • Chế tạo xi lanh chính xác

    • Động cơ Watt cần xi lanh chính xác hơn nhiều so với piston kín nước lỏng lẻo của Newcomen
    • John Wilkinson) vào khoảng năm 1775 đã tạo ra máy doa dùng thanh cắt cứng được đỡ ở cả hai đầu, áp dụng từ kỹ thuật gia công nòng pháo
    • Xi lanh 50 inch lắp đặt tại Tipton năm 1776 có sai lệch kích thước nhỏ hơn độ dày của đồng xu 1 shilling đời cũ, nhờ đó ngăn rò rỉ hơi nước và biến động cơ Watt thành thiết bị thực dụng

Động cơ tác động kép và tiết kiệm hơi nước

  • Dựa trên xi lanh chính xác, Watt đã tạo ra động cơ tác động kép (double-acting) với phần trên được đóng kín và hơi nước được cấp luân phiên vào hai phía của pít-tông
    • Ở hành trình đi xuống, hơi nước phía trên đẩy pít-tông còn bình ngưng phía dưới làm giảm áp suất
    • Ở hành trình hồi về, các kết nối được đảo ngược để quá trình tương tự diễn ra theo chiều ngược lại
  • Một xi lanh tạo công suất ở cả hai hành trình nên cung cấp lực đẩy-kéo đều hơn để vận hành máy nghiền
  • Một đầu được nối với nồi hơi, đầu còn lại nối với đường xả, và phải chuyển đổi hai kết nối này trước khi pít-tông quay lại nên cấu hình van trở nên phức tạp

  • Van trượt và bánh lệch tâm

    • Một van trượt duy nhất chỉ di chuyển vài cm, nối một đầu xi lanh với hơi nước mới và đầu đối diện với đường xả
    • Van nằm trong buồng hơi (steam chest), một hộp sắt chứa đầy hơi nước mới
    • Hai cổng ở phía ngoài nối với hai đầu của xi lanh
    • Cổng ở giữa đưa khí xả ra ngoài
    • Một mép của van hình chữ D rộng, rỗng mở cổng hơi, còn mặt sau rỗng nối cổng phía đối diện với đường xả
    • Bánh lệch tâm (eccentric) trên trục quay đồng bộ van với pít-tông
    • Tâm của đĩa lệch nhẹ khỏi tâm trục quay nên khi quay sẽ vẽ một vòng tròn nhỏ
    • Dây đai ôm quanh đĩa sẽ kéo thanh van chuyển động qua lại
    • Vị trí trên trục được điều chỉnh để cổng tiếp theo mở ra trước khi pít-tông chạm cuối hành trình

  • Cắt hơi và giãn nở kép

    • Nếu đóng cổng hơi trước khi pít-tông đến cuối hành trình, lượng hơi bị giữ lại sẽ tiếp tục giãn nở và đẩy tiếp, nhưng áp suất sẽ dần giảm
    • Cắt hơi 50% ngắt cấp hơi ở nửa hành trình, chỉ dùng một nửa lượng hơi nhưng tạo ra khoảng 85% công lý tưởng của toàn hành trình
    • Đây là phép tính thu được công pV/2 ở nửa đầu và khoảng 0.35pV từ sự giãn nở ở nửa sau
    • Cắt sớm hơn sẽ tiết kiệm hơi hơn, nhưng áp suất có thể không thắng nổi ma sát và bất lợi đòn bẩy gần điểm chết
    • Watt đã đăng ký bằng sáng chế cho phương pháp này vào năm 1782
    • Về sau, động cơ compound đưa khí xả từ một xi lanh sang xi lanh thứ hai lớn hơn, đôi khi là xi lanh thứ ba, để thu thêm công trong quá trình giãn nở

Đo công bên trong động cơ

  • Trợ lý của Watt là John Southern) đã chế tạo một thiết bị đo áp suất bên trong xi lanh mờ đục vào năm 1796
    • Một pít-tông nhỏ gắn lò xo làm bút chì di chuyển lên xuống theo áp suất
    • Tờ giấy liên động với pít-tông chính sẽ di chuyển sang ngang
  • Biểu đồ chỉ thị (indicator diagram) tạo ra thể hiện áp suất trong toàn bộ hành trình, và diện tích bên trong đường cong kín dùng để đo lượng công tạo ra
  • Rò rỉ pít-tông, cắt hơi muộn và xả bị hạn chế tạo ra các dạng biểu đồ khác nhau, nên có thể chẩn đoán tình trạng chỉ bằng một tấm thẻ
  • Boulton & Watt đã giữ bí mật thiết bị này trong nhiều năm
  • Émile Clapeyron đã dùng cùng dạng biểu đồ áp suất-thể tích vào năm 1834 để giải thích lý thuyết động cơ nhiệt của Sadi Carnot, và nhiệt động lực học hiện đại cũng biểu diễn áp suất cùng thể tích

Biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay

  • Chuyển động tịnh tiến qua lại của pít-tông có thể dùng trực tiếp cho bơm, nhưng máy móc trong nhà máy cần chuyển động quay
  • Nếu nối chốt lệch tâm khỏi tâm trục của tay quay với pít-tông bằng thanh truyền (connecting rod), lực tịnh tiến sẽ làm trục quay
  • Tại điểm chết (dead centre), nơi tay quay và thanh truyền thẳng hàng hai lần trong mỗi vòng quay, lực đi thẳng qua tâm trục nên mô-men quay biến mất
  • Bánh đà lớn sẽ tích trữ năng lượng khi hiệu ứng đòn bẩy của tay quay thuận lợi, rồi trả lại khi đi qua điểm chết
    • Bánh đà càng nặng thì biến thiên tốc độ quay càng nhỏ, đầu ra càng êm và ổn định

  • Bằng sáng chế tay quay và sun-and-planet gear

    • James Pickard đã đăng ký bằng sáng chế việc dùng tay quay cho động cơ hơi nước vào năm 1780
    • William Murdoch đã thiết kế sun-and-planet gear để tránh bằng sáng chế này
    • Bánh răng gắn với thanh truyền quay quanh bánh răng khác trên trục bánh đà, làm trục quay hai vòng trong mỗi chu kỳ của dầm
    • Khi bằng sáng chế của Pickard hết hạn vào năm 1794, các nhà chế tạo quay lại dùng tay quay đơn giản hơn
    • Cấu trúc này thuộc họ bánh răng hành tinh, cho phép nhiều planet gear chia tải trong khi đầu vào và đầu ra nằm trên cùng một trục
    • Nó được dùng trong máy khoan không dây, moay-ơ xe đạp, hộp số tự động và tua-bin gió
    • Trong xe hybrid, nó phân phối công suất giữa động cơ, mô-tơ điện và bánh xe

Dầm và cơ cấu chuyển động song song

  • Chốt tay quay không chỉ chuyển động lên xuống mà còn sang ngang, trong khi thanh pít-tông phải đi thẳng qua bộ phận làm kín ở đỉnh xi lanh
    • Nếu nối trực tiếp, lực ngang sẽ tác dụng lên pít-tông và làm hỏng nhanh bộ phận làm kín
  • Dầm truyền tải ngang tới các ổ trục tròn lớn mà công nghệ gia công chính xác thời đó có thể chế tạo, nhưng chính đầu dầm lại chuyển động theo cung tròn
  • Cơ cấu chuyển động song song (parallel motion) được Watt cấp bằng sáng chế năm 1784 nối dầm và điểm cố định bằng nhiều thanh khớp nối
    • Khi dầm kéo thanh pít-tông theo một hướng, thanh liên kết khác sẽ kéo theo hướng ngược lại gần như với cùng độ lớn
    • Hai đường cong triệt tiêu lẫn nhau, khiến thanh pít-tông đi theo quỹ đạo rất gần với đường thẳng
  • Watt từng viết rằng ông tự hào về cơ cấu chuyển động song song hơn bất kỳ phát minh cơ khí nào khác của mình
  • Chuyển động tịnh tiến ở phía đối diện của dầm được dùng để dẫn động bơm cấp nước nồi hơi

Bơm cấp nước nồi hơi

  • Do áp suất bên trong nồi hơi, nếu chỉ nối đơn giản với bể nước thì nước sẽ chảy ngược, nên cần bơm để cấp nước mà không phải dừng vận hành
  • Đầu dầm làm chuyển động một bơm có pít-tông trụ hẹp và hai van một chiều (check valve)
    • Khi pít-tông trụ đi lên, áp suất giảm, van đầu vào mở và nước từ bể chảy vào
    • Khi đi xuống, áp suất tăng, cửa vào đóng lại và van đầu ra về phía nồi hơi mở ra
    • Hai van tự động hoạt động theo áp lực nước thay đổi
  • Áp suất bơm phải cao hơn nồi hơi một chút, nhưng lượng nước mỗi hành trình không cần nhiều
  • Làm pít-tông trụ hẹp hơn sẽ giảm lực cần thiết theo cùng quan hệ áp suất × diện tích, nên chỉ cần một phần nhỏ công suất động cơ để duy trì mực nước nồi hơi

Trục truyền động và dây đai da trong nhà máy

  • Trước thời động cơ hơi nước, các nhà máy nằm bên sông và dùng guồng nước để quay trục chính; trục sắt, puli và dây đai da truyền chuyển động quay tới từng máy
  • Nếu chuyển dây đai của một máy sang loose pulley, chỉ máy đó dừng lại theo quán tính còn trục chính và các máy khác vẫn tiếp tục chạy
  • Khi dây thừng hoặc dây đai quấn quanh hình trụ, lực căng ở mỗi đoạn tiếp xúc tạo ma sát và làm giảm lực căng truyền sang đoạn tiếp theo
    • Nếu lấy hệ số ma sát của dây thừng quấn trên gang khoảng 0.3, mức suy giảm sẽ tích lũy theo dạng e^-μθ
    • Tải 2.000N khi quấn quanh cột một vòng chỉ còn 300N truyền tới tay, hai vòng là 46N và ba vòng chỉ còn 7N
  • Dây đai được căng khi lắp đặt để hai phía kéo gần tương đương nhau
    • Khi máy cần công suất, ma sát sẽ chuyển một phần lực căng từ phía hồi về lỏng hơn sang phía dẫn động
    • Công suất truyền đi bằng chênh lệch lực căng hai phía × tốc độ dây đai
  • Nếu bánh đà đường kính 16 foot quay 60 vòng/phút thì tốc độ dây đai khoảng 15m/s
    • Nếu chênh lệch lực căng hai phía của dây đai da rộng 1 foot là 2.000N thì có thể truyền khoảng 40 mã lực
  • Để ngăn dây đai phẳng trượt khỏi puli hình trụ, người ta dùng crown làm phần giữa puli dày hơn một chút
    • Khi dây đai lệch khỏi tâm, bề mặt tiếp xúc dạng nón sẽ dẫn mép phía trước trở lại trung tâm
    • Ở giữa, độ dốc hai bên cân bằng nên nó giữ nguyên vị trí mà không cần bộ dẫn hướng riêng

Từ guồng nước sang truyền động hơi nước trực tiếp

  • Nhà máy thủy lực Cromford của Richard Arkwright mở cửa năm 1771, và sau đó sự lan rộng của mô hình nhà máy khiến cạnh tranh giành các vị trí ven sông tốt ngày càng lớn
  • Nhà máy thủy lực có thể phải dừng vào mùa khô, nên họ dùng bơm hơi nước để đưa nước từ dưới guồng nước trở lại phía trên
    • Cách này vẫn giữ được chuyển động quay êm của guồng nước, nhưng lãng phí than để nâng lại chính lượng nước đó
    • Watt bán các động cơ bơm công suất 16~20 mã lực để truyền 10 mã lực tới máy móc
  • Khi kết hợp động cơ tác động kép với dầm, tay quay và bánh đà, động cơ hơi nước có thể trực tiếp quay line shaft
  • Chủ nhà máy từ đó có thể đặt nhà máy gần công nhân và nguyên liệu thay vì bị ràng buộc vào một con sông cụ thể
  • Boulton & Watt đã chế tạo 496 động cơ trong giai đoạn 1775~1800
    • 38% là động cơ bơm
    • 62% tạo ra công suất quay, chủ yếu dùng trong ngành dệt may

Điều tốc tự động của governor

  • Khi nối máy móc vào động cơ đang quay ở 30rpm trong trạng thái không tải, tải tăng lên nên tốc độ giảm xuống
  • Người vận hành có thể điều chỉnh throttle mỗi lần, nhưng rất mệt mỏi, và nếu quá tốc, bánh đà bằng gang có thể bị vỡ
  • Watt đã cải biến thiết bị dùng để điều chỉnh tốc độ cối xay ở cối xay gió thành bộ điều tốc ly tâm (governor) cho động cơ hơi nước
    • Boulton nói với Watt rằng vào năm 1788 ông đã thấy một thiết bị dùng các quả cầu quay để điều chỉnh cối xay ở Manchester
    • Watt không đăng ký bằng sáng chế cho ý tưởng vay mượn này
  • Bánh răng côn làm quay trục đứng, và hai quả cầu nặng treo trên tay đòn có bản lề xòe ra ngoài theo tốc độ
    • Khi tốc độ tăng, các quả cầu nâng lên, kéo vòng trượt đi lên, và càng chạc cùng thanh dài sẽ chuyển động theo hướng đóng steam cock
    • Khi chậm lại, các quả cầu hạ xuống và mở lại steam cock
  • Độ cao của quả cầu biểu thị trực tiếp tốc độ quay theo quan hệ h = g/ω²
    • Khối lượng bị triệt tiêu khỏi công thức, nên quả cầu nặng sẽ đẩy cơ cấu liên kết mạnh hơn nhưng ở cùng tốc độ vẫn nâng lên cùng một độ cao
    • Nếu quay trực tiếp theo tốc độ trục khuỷu thì cần chiều dài tay đòn khoảng 1m, nên người ta cho bộ điều tốc quay nhanh hơn bằng bánh răng côn để lắp trên một cột ngắn hơn

Động cơ dầm hoàn chỉnh

  • Công suất được truyền theo thứ tự hơi nước từ nồi hơi → xi lanh và pít-tông → cơ cấu van → cơ cấu chuyển động song song → dầm → thanh truyền → trục khuỷu và bánh đà → puli dây đai
  • Bộ điều tốc điều chỉnh lượng hơi cấp theo thay đổi tải, còn bơm cấp nước ở phía đối diện của dầm bổ sung nước cho nồi hơi
  • Cỗ máy quay còn tồn tại cổ nhất được lắp đặt tại Whitbread's brewery ở London năm 1785 cũng có cùng cấu hình
    • Đường kính xi lanh là 64cm, hành trình pít-tông là 1.8m
    • Bánh đà đường kính 4.3m quay 20 vòng/phút và đốt khoảng 40kg than mỗi giờ
    • Ban đầu nó được đánh giá là 10 mã lực và thay thế bánh xe chạy bằng ngựa của nhà máy bia
    • Sau khi được cải tạo thành máy tác dụng kép vào năm 1795, cùng xi lanh đó được đánh giá lại ở mức 15 mã lực
    • Do phí hằng năm của Boulton & Watt tăng theo công suất, nhà máy bia đã từ chối mức đánh giá 20 mã lực
    • Máy đã hoạt động tổng cộng 102 năm

Những thay đổi sau động cơ dầm

  • Trong thập niên 1780, máy công cụ chưa thể chế tạo chính xác các thanh dẫn crosshead dài, nên cần dầm và cơ cấu chuyển động song song
  • Sang thế kỷ 19, máy bào được cải tiến khiến thanh dẫn thẳng trở nên thực dụng, và dầm nặng không còn cần thiết
    • Đến thập niên 1860, phần lớn động cơ nhà máy kiểu mới đã dẫn động trực tiếp bánh đà
  • Tàu guồng Mỹ cần mô-men xoắn lớn ở tốc độ thấp khoảng 20rpm, và có nhiều không gian phía trên mặt nước hơn bên dưới, nên đến tận thập niên 1880 vẫn dùng walking beam cao
    • Tàu viễn dương đặt máy tương tự bên trong thân tàu, và khi guồng nước được thay bằng chân vịt trục vít, chúng chuyển sang các động cơ nhỏ hơn và nhanh hơn
  • Trục truyền động line shaft và dây đai da vẫn còn hiện diện trên trần nhà máy cho tới thế kỷ 20
  • Khi động cơ điện cung cấp nguồn quay độc lập cho từng máy, các trục dài và dây đai được thay bằng dây điện
    • Ngay cả khi dừng một máy tiện, tải của động cơ trung tâm chạy toàn bộ nhà máy cũng không còn thay đổi

Sự phát triển về hiệu suất động cơ hơi nước

  • Động cơ Newcomen chỉ biến khoảng 0.5% nhiệt lượng than thành công hữu ích
  • Bình ngưng tách rời của Watt nâng tỷ lệ hữu ích lên khoảng 3%, cho phép sức mạnh hơi nước lan rộng ra ngoài các mỏ than
  • Corliss valves điều khiển sự giãn nở của hơi chính xác hơn, còn compound engines cho hơi giãn nở theo từng giai đoạn trong nhiều xi lanh
  • Động cơ tàu thủy cỡ lớn như loại dùng trên Titanic vào thập niên 1890 đạt hiệu suất vượt 10% nhờ áp suất cao và giãn nở kép
  • Tua-bin hơi nước thay pít-tông tịnh tiến bằng bánh quay liên tục, và các nhà máy điện tua-bin hơi hiện đại chuyển đổi hơn 40% nhiệt thành điện năng

Bài viết liên quan

1 bình luận

 
GN⁺ 3 giờ trước
Ý kiến trên Hacker News

  • Tôi là tác giả. Động cơ hơi nước dầm tạo ra động lực bằng hơi nước và đã đóng vai trò then chốt trong giai đoạn đầu của Cách mạng Công nghiệp. Bài viết đi sâu vào nguyên lý hoạt động, lịch sử và những thỏa hiệp kỹ thuật mà các nhà chế tạo đã phải đối mặt, đồng thời bổ sung nhiều sơ đồ tương tác để giúp người đọc dễ hình dung khái niệm

    • Không chỉ cách diễn đạt mà cả chất lượng cũng rất giống các bài viết ở https://ciechanow.ski/archives/ và đều rất xuất sắc
    • Nội dung chi tiết rất phong phú, nhưng vẫn thiếu van an toàn, áp kế, điều chỉnh bơm cấp nước, đồng hồ mức nước nồi hơi, bôi trơn, cơ cấu dẫn động van, thoát nước ở đáy xi lanh, và cách làm cho hơi nước khô nhất có thể
      Chỉ riêng từng mục thôi cũng có thể mở rộng thành nội dung còn dài hơn bài hiện tại rất nhiều. Cách giải thích kiểu “dùng nước và nhiệt để tạo hơi, hơi đẩy piston, rồi biến chuyển động tịnh tiến qua lại thành chuyển động quay” nghe có vẻ đơn giản, nhưng thiết bị thực tế thì hoàn toàn không đơn giản
    • Tôi thích nhất kiểu giải thích xây dựng từ những nguyên lý đầu tiên và dùng các ví dụ mang tính trực quan, có thể cảm nhận được. Làm tốt điều đó mà không đánh giá thấp năng lực trí tuệ của người học còn khó hơn nhiều so với việc giải thích cho chuyên gia với nhau, nên đây là một thể loại hiếm
      George Polya(0), Richard Feynman(1), và Grace Hopper(2) là những hình mẫu tiêu biểu của truyền thống này. Tôi cũng thử làm điều tương tự qua blog và mã nguồn, nhưng tư liệu trực quan tương tác thì khó tạo đến vô lý, nên có thể hình dung bài này đã được đầu tư bao nhiêu tâm huyết và công sức

  • Khi nhìn vào công nghệ cũ, điều khiến tôi tò mò đầu tiên không phải là “nó hoạt động thế nào?” mà là “rốt cuộc họ đã làm ra nó bằng cách nào?” Tôi muốn biết họ đã tạo và kiểm tra chân không ra sao, đúc hợp kim thành hình dạng chính xác bằng cách nào, chế tạo gương chính xác thế nào, đã thất bại bao nhiêu lần trước khi thành công, và bôi trơn cũng như làm kín các bộ phận ra sao
    Nếu học vài ngày thì có lẽ tôi có thể giải thích được 80% của một phát minh, nhưng nếu tự tay làm lại thì sẽ liên tục đâm vào các trở ngại kỹ thuật và có lẽ không tái tạo nổi dù chỉ 1% của cỗ máy đó, mà mỗi trở ngại có thể ngốn mất nhiều năm

    • Vì vậy tôi luôn nhấn mạnh rằng chế tạo công cụ là phần thiết yếu nhưng thường bị lãng quên của Cách mạng Công nghiệp ở Manchester
    • Kênh YouTube How to Make Everything cũng rất đáng xem

  • Khi nuôi một đứa trẻ ba tuổi, niềm vui bất ngờ là tôi đã học được nhiều kỹ thuật đầu máy hơi nước hơn hẳn dự đoán. Thật đáng kinh ngạc khi người ta có thể nối các hình dạng và khớp nối phù hợp để tạo ra đúng chuyển động vào đúng thời điểm, rồi hiện thực hóa một chu trình hoàn chỉnh và bộ điều tốc hoàn hảo
    Cách giải thích này đặc biệt hay ở chỗ nó cho thấy dần dần từng bộ phận giải quyết vấn đề gì, và tôi cũng muốn đọc một bài chỉ nói riêng về đầu máy xe lửa

    • Động cơ hơi nước xi lanh dao động mà cha tôi cho là một món đồ chơi quý giá. Có lẽ nó từng được lắp trong một chiếc thuyền hơi nước mà ông nội và cha tôi cùng làm vào cuối thập niên 1940; nó giống loại này và đến nay vẫn có thể mua với giá tương đối rẻ
      Nó cũng chạy tốt bằng khí nén hoặc vòi hơi của máy espresso. Khi còn nhỏ, cha tôi còn làm cho tôi cả nồi hơi bằng lon xịt thép, ống đồng và đầu đốt cồn bằng tấm đồng thau, nhưng thứ đó không phù hợp với một đứa trẻ năm tuổi, và ngay cả khi ấy thì tôi cũng phải khoảng mười hai tuổi mới được phép châm lửa
    • Đầu máy xe lửa cũng là một ứng viên cho bài viết tiếp theo, nhưng vì có quá nhiều thứ để nói nên nó gần như là bài kiểm tra cuối cùng của kỹ thuật hơi nước. Tôi cũng đang cân nhắc viết về sự phát triển đan xen của máy công cụ và hệ thống đo lường đã khiến những cỗ máy này có thể được chế tạo, tức là nguồn gốc của độ chính xác
      Những hệ thống máy móc chuyển động và thực hiện công việc thực tế mang lại cảm giác thỏa mãn rất lớn cho cả trẻ em lẫn người lớn
    • Động cơ hơi nước hiện đại hiệu năng cao không nhất thiết đơn giản hơn động cơ đốt trong; nó chỉ vận hành theo cách khác. Nồi hơi ống đơn có thể tạo ra hơi quá nhiệt khoảng 1200°F, tương đương nhiệt độ khí xả của động cơ diesel xe tải khi leo dốc ở công suất tối đa
      Xi lanh của động cơ hơi nước không có quá trình đốt cháy, nên đặt áo nước làm mát quanh đó lại phản tác dụng; vì thế nó hoạt động trong môi trường nhiệt còn khắc nghiệt hơn nhiều so với động cơ đốt trong. Người ta gia công lỗ xi lanh hơi côn nhẹ để tính đến giãn nở nhiệt, và với động cơ tác động kép, đôi khi lỗ xi lanh còn được làm thành dạng đồng hồ cát rất nhẹ để piston không bị kẹt ở hai đầu. Nếu muốn tìm hiểu sâu hơn, có thể tra cứu công nghệ xe hơi hơi nước Doble hoặc động cơ máy bay Besler

  • Người ta nói thành ngữ “balls out”, nghĩa là đẩy thứ gì đó đến giới hạn, bắt nguồn từ hình ảnh các quả nặng của bộ điều tốc ly tâm bung hoàn toàn ra phía ngoài ở tốc độ tối đa
    https://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_governor
    Tôi từng dùng cụm này trong một cuộc họp ở công ty và bị phản đối vì cho là thô tục, nhưng khi tôi giải thích nguồn gốc thì mọi người đều ngạc nhiên vì trước đó cứ tưởng nó liên quan đến tinh hoàn

    • Nghe vui và có vẻ hợp lý, nhưng khả năng rất cao là không đúng. Ví dụ sớm nhất được xác nhận là dòng chữ vẽ trên mũi chiếc P-47 Thunderbolt của đại úy Milton Thompson thuộc Liên đoàn Không quân chiến đấu 509 vào năm 1945, và hình vẽ đúng như bạn đoán: chữ “balls out” cùng một con bò tót đang lao tới
    • Hình như tôi biết đến nó lần đầu qua một video YouTube nơi Jay Leno giới thiệu bộ sưu tập máy hơi nước của mình. Bộ điều tốc cũng góp phần vào sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại, khi James Clerk Maxwell trong bài báo năm 1868 “On Governors” đã nghiên cứu các điều kiện khiến dao động tăng lên hoặc triệt tiêu(bài báo)
    • Tôi thực ra vẫn dùng nó với nghĩa là tinh hoàn, nhưng giờ thì có thêm một cái cớ hay để viện ra
    • “balls to the wall” cũng tương tự, và theo tôi biết thì bắt nguồn từ hệ điều khiển máy bay analog
    • Cũng từng có thuật ngữ của thợ máy hơi nước là high-balling, chỉ quả cầu nhỏ trên áp kế hơi nước đời đầu, và từ đó mang nghĩa di chuyển với tốc độ cao

  • Ở Hy Lạp cổ đại đã có một động cơ hơi nước tên là Hero’s engine được dùng như đồ chơi. Do thiếu công nghệ luyện kim và gia công cơ khí để chế tạo piston, van v.v. nên không thể ứng dụng hơn thế nữa
    Tiến bộ công nghệ luôn được tích lũy lặp đi lặp lại, chứ không đột ngột xuất hiện theo kiểu cách mạng. Dù là ngôn ngữ lập trình, framework hay phương pháp luận thì những thứ mới mẻ không đứng trên vai người khổng lồ cũng không có sẵn nền tảng để áp dụng

    • Vì đó là tuabin nên không cần piston. Thứ còn thiếu là kiến thức về cánh tuabin, kỹ thuật luyện kim để chế tạo bình chịu áp, và công cụ để gia công linh kiện với dung sai đủ chịu được nhiệt độ cao và tốc độ quay lớn
    • Đây không phải động cơ dịch chuyển dương mà là một động cơ phản lực giống như tên lửa hơi nước bị giới hạn để quay theo vòng tròn: https://en.wikipedia.org/wiki/Aeolipile
      Có lẽ vẫn có thể bổ sung cơ cấu trích xuất công suất cơ bản, nhưng nhiều khả năng bị xem là không thực tế

  • Ngay cả kiểu chữ của bài cũng rất giống https://ciechanow.ski, có vẻ là IBM Plex Sans. Việc mọi đơn vị đều dùng hệ SI đặc biệt đáng mừng

    • Bài viết của Bartosz Ciechanowski là nguồn cảm hứng lớn, và ngay dòng đầu phần cảm ơn cũng nói rằng tác giả được truyền cảm hứng từ các bài viết và thiết kế xuất sắc của ông ấy

  • Loạt chương trình BBC Age of Steam của Fred Dibnah khái quát rất hay về công nghệ động cơ hơi nước Anh và sự phát triển của Cách mạng Công nghiệp
    https://www.youtube.com/watch?v=kl_UA36ouzM&list=PL2vJ5Cg-wl...

  • Nếu muốn xem beam engine thật ở London, có một chiếc tại Tottenham: https://www.mbeam.org/

    • Crossness cũng rất tuyệt, thỉnh thoảng có ngày vận hành bằng hơi nước thật. Museum of Science and Industry ở Manchester cũng có bộ sưu tập động cơ lớn nhỏ chạy thực tế rất phong phú

  • Quinn (Blondihacks) trên YouTube là một kỹ sư mô hình kiêm chuyên gia gia công cơ khí, trình bày quá trình chế tạo nồi hơi và động cơ hơi nước theo cách cả người ngoài ngành cũng dễ theo dõi
    Rất khuyến nghị video nhập môn The Model Engineering Learning Curve(https://www.youtube.com/watch?v=Ps_BQJEMnGA). Trong nhiều năm cô ấy đã chế tạo đầu máy mô hình và tích lũy hơn 100 video(playlist), đồng thời cũng giới thiệu wobbler, kiểu “Hello World” của động cơ mô hình gia công cơ khí(video)

    • Blondihacks rất tuyệt, nhưng xem một thời gian là bạn có thể sẽ sớm mua máy tiện và máy phay. Gia công cơ khí thủ công là một sở thích tuyệt vời, hoàn toàn khác với lập trình mà vẫn tạo ra trạng thái đắm chìm tương tự
    • Về các kênh YouTube máy móc liên quan đến hơi nước, cũng đề xuất Keith Rucker: https://www.youtube.com/channel/UCyjwQ6oz4cqqtEcWGboSU3g
    • Chỉ cần xem 5 phút video đầu là thấy mọi nhận xét đều đúng đến mức đau lòng. Làm ra đồ vật cần rất nhiều thời gian và kỹ năng nền tảng, tự làm thì tốn kém, cũng ít khả năng tốt hơn hàng bán sẵn, nhưng phải vui trong suốt cả quá trình
      Nếu chỉ xem một thứ từ bài này thì tôi khuyên là các video đó
    • Wreck2Restored ghi lại quá trình phục chế đầu máy hơi nước khổ đường ray 2 foot, và cũng có thể thấy crosshead cùng van trượt: https://www.youtube.com/@Wreck2Restored

  • Những động cơ hơi nước đầu tiên là động cơ chân không, đổ đầy xi lanh bằng hơi nước rồi ngưng tụ để kéo piston xuống. Cải tiến và bằng sáng chế của Watt là bộ ngưng tụ tách rời, giúp không phải đốt nóng lại toàn bộ xi lanh sau mỗi lần, và giảm lượng than tiêu thụ xuống một nửa
    Thay vì bán quyền sản xuất, Watt bán giấy phép vận hành và nhận một nửa số tiền than tiết kiệm được nhờ bằng sáng chế. Kết quả là có nhiều động cơ không được cấp phép, và người ta thường lách bằng sáng chế bằng cách lập luận rằng bộ ngưng tụ không tách rời khỏi xi lanh mà được tích hợp theo cách nào đó

    • Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine (1989) của Richard L. Hills là một cuốn nhập môn rất hay, đi sâu cả vào khía cạnh kinh doanh. Sách cũng có nhiều bức thư của Watt cho thấy những vấn đề khi chế tạo các cỗ máy khổng lồ trong thời kỳ thậm chí còn chưa có đường sá đúng nghĩa
    • Cách tóm tắt này đã làm sai lệch nội dung bài. Theo bài gốc, đó không phải động cơ chân không mà là việc làm mát xi lanh bằng nước, và mức tiết kiệm than không phải một nửa mà là một phần ba