محرك ويلانز

طُوِّرت هذه المحركات على يد بيتر دبليو ويلانز ومارك روبنسون في ثامز ديتون ، وذلك لتلبية الطلب المتزايد على توليد الكهرباء. وفي عام 1884، حصلا على براءة اختراع لمبدأ الصمام المركزي. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

بحلول تسعينيات القرن التاسع عشر، كان عدد محركات ويلانز المستخدمة في توليد الكهرباء يفوق أي نوع آخر. ^{[ 5 ] [ 7 ]} وكما هو الحال مع محركات البخار عالية السرعة الأخرى، كانت الحاجة ماسة إلى محرك بخاري يعمل بسرعات عالية كافية لتشغيل المولدات الكهربائية مباشرةً، وأن يتمتع أيضًا بتنظيم دقيق للسرعة تحت الأحمال المتغيرة، وذلك للحفاظ على الجهد الصحيح. وكان الحفاظ على التردد الصحيح لأنظمة التيار المتردد أكثر أهمية، إلا أن هذه الأنظمة كانت تميل إلى تفضيل المحركات البطيئة ذات العجلات الكبيرة، بدلاً من المحركات عالية السرعة المستخدمة في أنظمة التيار المستمر . ^{[ 8 ]}

كان محرك ويلانز أحادي الفعل ؛ حيث كان ضغط البخار يُطبق فقط على السطح العلوي للمكابس. كانت هذه سمة شائعة في المحركات عالية السرعة في ذلك الوقت، وذلك للحد من الطرق والتآكل المتزايد، مما يسمح بسرعات تشغيل أعلى. ^{[ 3 ]} ويكمن المبدأ في أن القوى المؤثرة على ذراع التوصيل ومحامله في المحرك أحادي الفعل تعمل دائمًا على ضغط الذراع، بدلًا من عكس اتجاه الدوران مرتين في كل دورة، كما هو الحال في المحرك ثنائي الفعل. ^{[ 13 ]} وكانت محامل النحاس السفلية، التي تتحمل الحمل فقط أثناء بدء التشغيل، أصغر من محور المرفق ومحامل النحاس الرئيسية في الأعلى. وعلى الرغم من أن المحركات أحادية الفعل تُنتج نصف قدرة المحرك ثنائي الفعل المكافئ، أو أنها تعمل بسرعة مضاعفة، إلا أن هذا الانخفاض في الطرق كان يسمح لها بالعمل بأكثر من ضعف السرعة.

في المحرك التقليدي مزدوج الفعل، يُحتبس البخار المتبقي في أسطوانة العادم بعد إغلاق الصمام ويُضغط. يعمل هذا البخار المضغوط على امتصاص الصدمات وكبح حركة المكبس في نهاية الشوط. ^{[ ii ]} أما في المحرك أحادي الفعل، فلا يوجد تأثير مماثل في نهاية شوط القدرة. وكان هذا سابقًا يُشكل قيدًا على سرعة تشغيل المحركات أحادية الفعل.

في محرك ويلانز، كان التخميد في نهاية الشوط يتم بواسطة أسطوانة هواء إضافية أسفل الأسطوانات الأخرى. كما كان مكبس الهواء بمثابة دليل للجذع . خلال الشوط الصاعد، تستمر حركة المحرك بفعل قصوره الذاتي، وقبل بدء الشوط التالي، لا يوجد ما يعيقها. تعمل أسطوانة الهواء المغلقة كمخمد هواء مضغوط فوق مكبس دليل الجذع. ^{[ 14 ]}

كانت السمة الأبرز للمحرك هي صمام المغزل المركزي. عمل هذا الصمام كصمام مكبس متعدد المراحل، يتحكم في دخول البخار إلى كل أسطوانة من الأسطوانات المركبة. وبشكل غير معتاد، كان الصمام يعمل داخل قضيب المكبس المجوف أو جذعه، بدلاً من كتلة الأسطوانات أو صندوق الصمامات. ربط قضيب المكبس المجوف هذا جميع الأسطوانات، وقد تم تشكيله بمنافذ. ^{[ 15 ]}

كانت آلية تشغيل الصمام بسيطة للغاية. يحتوي كل مكبس على ذراعي توصيل متوازيين ، يعملان على محاور كرنك منفصلة بين نفس أذرع الكرنك. يقوم لا مركزي بين محوري الكرنك بتحريك مغزل الصمام المركزي بواسطة ذراع توصيل قصير آخر. ونظرًا لضرورة مرور ذراع الصمام بينهما، احتوى المكبس على مسماري توصيل قصيرين بارزين ، بدلًا من مسمار واحد يمر عبره. ^{[ 15 ]}

كان يتم تزويد الجزء العلوي من أنبوب قضيب المكبس بالبخار الداخل عبر أغطية مقببة مميزة. إذا كان المحرك مصممًا لقطع ثابت، فإن البخار الداخل كان يُتحكم فيه فقط بواسطة الصمام والأنبوب. أما عند استخدام قطع متغير، فكان يتم ذلك ببساطة شديدة بواسطة طوق دوار ذي منافذ مائلة تتداخل مع المنافذ الموجودة في الأنبوب، وبالتالي تتحكم في توقيتها. ^{[ 16 ]}

كان تزييت محرك ويلانز يتم عن طريق تناثر الزيت من علبة المرافق المغلقة، والتي كانت مملوءة بمزيج من الزيت والماء. ^{[ 16 ]} وكان يتم تصريف الماء الزائد الناتج عن التكثيف من علبة المرافق عند تراكمه، ولكن لم تكن هذه المحركات مزودة بحلقات مانعة للتسرب منفصلة بين الأسطوانة وعلبة المرافق، مع وجود مساحة تصريف بينهما، كما هو الحال في محركات كاريل، وبيليس وموركوم، أو آلي وماكليلان (التي أصبحت لاحقًا سينتينل ). ^{[ 17 ]}

كان محرك كاريل، الذي بنته شركة SA des Moteurs á Grand Vitesse. Brevet Carel's في سكليسين-لييج ، بلجيكا، مشابهًا جدًا لمحرك ويلانز. ^{[ 20 ]} استخدم تصميمًا مشابهًا من الأسطوانات المزدوجة، بأعداد تتراوح من اثنتين إلى ثماني أسطوانات. وقد صُمم أيضًا للتمدد المزدوج والثلاثي. ومثل محرك ويلانز، استخدم أسطوانات أحادية الفعل، كما استخدم دليل ويلانز للوسادة الهوائية. واختلف عنه في تصميم صماماته، حيث كانت دوارة. كل زوج من الأسطوانات كان له صمام دوار مشترك بينهما، يُدار بواسطة ترس مخروطي بنصف السرعة . ومثل قاطرة باجيت ، كانت الصمامات مصنوعة من الحديد الزهر وتعمل داخل غلاف من البرونز الفوسفوري داخل الأسطوانة. ^{[ 21 ]} ولأن الصمام والأسطوانات يجب أن تعمل في نفس الطور، ^{[ iv ]} فإن المنافذ مُضاعفة. وتتمثل الميزة الإجمالية في تقليل سرعة الصمام الخطية. وقد جُرّبت هذه الصمامات الدوارة كثيرًا في تلك الفترة، ولكن نادرًا ما نجحت. كان التزييت صعباً في ذلك الوقت، وكانت درجة التسخين الفائق محدودة، حتى لا تتعطل الصمامات. ^{[ 20 ] [ v ]}

أنتجت شركة ديفي، باكسمان وشركاه في كولشيستر محرك "بيتش باتنت" ، حيث صنعت 260 محركًا منه بين عامي 1895 و1913. ^{[ 22 ]} كان جيمس كورتوب بيتش قد عمل سابقًا لدى شركة ويلانز وروبنسون مديرًا للمصنع في مصنع العبارات. غادر ويلانز في يناير 1892، وفي عام 1893 تواصل مع جيمس باكسمان عارضًا عليه تصميمه الخاص لمحرك أحادي الفعل عالي السرعة. عاد لاحقًا إلى ويلانز، وفي عام 1904 أصبح مديرًا للشركة التي كان مقرها آنذاك في رغبي، وبحلول عام 1908 أصبح مديرًا عامًا. ^{[ 22 ]}

اعتُبر محرك بيتش محركًا مركبًا ترادفيًا أحادي الفعل، على الرغم من تصميمه غير المألوف للأسطوانة. كان الحجم الأوسط لأسطوانتي الضغط العالي والمنخفض مشتركًا، دون وجود حشوة عازلة تقليدية لفصلهما. ^{[ 22 ]} يتحرك مكبس الضغط العالي إلى الأسفل، بينما يتحرك مكبس الضغط المنخفض إلى الأعلى. تُملأ المساحة بين المكبسين، والتي تُسمى "أسطوانة التحكم"، جزئيًا بالبخار المسحوب من أسطوانة الضغط العالي. وعندما ينضغط هذا البخار مع حركة المكبسين إلى الأعلى، فإنه يعمل بطريقة مشابهة للوسادة الهوائية في محرك ويلانز. ^{[ 13 ]}

كانت صمامات المكابس الموجودة خلف الأسطوانات تعمل بواسطة نوع من آلية الصمامات الشعاعية ، والتي يتم تشغيلها بواسطة ذراع التوصيل. ^{[ 22 ]}

على غير العادة بالنسبة لمحركات البخار، ولكن بما يُعدّ ميزةً نوعًا ما لمحركات الفعل الواحد، كان محرك بيتش محركًا ثنائي المحور . فمن خلال إزاحة محور عمود المرفق والمكبس إزاحةً طفيفة، بقيت قوى رأس المكبس باتجاه الجزء الخلفي من المحرك طوال دورة التشغيل. ^{[ 22 ]} ومثل مبدأ الفعل الواحد نفسه، ساعد هذا الاتجاه الثابت للقوى على تقليل الاهتزاز والتآكل. ^{[ 22 ]}