Masini cu abur cu piston

MASINI CU ABUR CU PISTON

DEFINITII. CLASIFICAREA MASINILOR

CU ABUR CU PISTON

Masina alternativa cu abur cu piston este o masina termica in care energia potentiala a aburului se transforma in lucru mecanic.

Energia pe care o detin corpurile in stare de repaus se numeste energie potentiala.

Cu toate ca este cea mai veche masina termica, construita si folosita in scopuri industrialecu peste 250 ani in urma, amintind de prima nava actionata de o masina cu abur, aceasta este folosita si astazi in domeniul naval.

Desi nu mai este folosita pentru propulsie datorita randamentului sau scazut, masina cu abur este folosita si in prezent si va fi folosita si in viitor la bordul tancurilor petroliere ca masina auxiliara datorita sigurantei deosebite ce o are in prezenta atmosferelor inflamabile de la bordul acestor nave.

Astfel masina cu abur cu piston este folosita pentru antrenarea pompelor de marfa, pompelor de strip si a unor mecanisme de punte precum vinciuri si cabestane.

CLASIFICAREA MASINILOR CU ABUR CU PISTON:

A.    Din punct de vedere al caracteristicilor aburului distingem:

a)      dupa starea initiala a aburului:

masini cu abur saturat,

masini cu abur supraincalzit.

b)      dupa presiunea initiala a aburului:

masini de joasa presiune p < 15 at.,

masini de medie presiune p = 15 - 35 at.,

masini de inalta presiune p > 35 at..

c)      dupa procesul de lucru al aburului in masina:

masini cu plina introductie,

masini cu simpla expansiune,

masini cu multipla expansiune.

d) dupa caracteristicile aburului evacuat:

masini cu evacuarea in condensor

masini cu evacuarea in atmosfera

masini cu prize intermadiare de abur.

d)     dupa sensul de miscare a aburului in cilindru:

masini cu circulatia in contracurent,

masini cu circulatia in echicurent.

B.     Din punct de vedere constructiv distingem:

a)      dupa pozitia cilindrului:

masini cu abur orizontale,

masini cu abur verticale,

masini cu abur inclinate.

b)      dupa sistemul de legatura intre blocul cilindrului si rama de fundatie a masinii:

masini de tip deschis,

masini de tip inchis (cu carter).

c)      dupa dispunerea cilindrilor:

masini cu cilindri in serie sau tandem,

masini cu cilindri in paralel sau compound.

d)     dupa organul de distributie:

masini cu abur cu sertare,

masini cu abur cu supape.

e)      dupa numarul de cilindri:

masini cu abur monocilindrice,

masini cu abur policilindrice.

f)       dupa numarul de rotatii ale arborelui cotit:

masini cu abur lente n < 100 rot/min.,

masini cu abur normale de turatie medie n = 100 - 200 rot/min.,

masini cu abur rapide n > 200 rot/min.

g)      dupa sensul de rotatie a arborelui cotit:

masini cu abur revarsibile (cu dublu sens de rotatie),

masini cu abur nereversibile (cu un singur sens de rotatie a arborelui cotit).

FUNCTIONAREA MASINILOR CU ABUR CU PISTON

Principiul de functionare al masinii cu abur cu piston (fig. 1.) este urmatorul:

Aburul nou sosit de la caldare este introdus in cutia de distributie (presupunem ca masina este cu introductie exterioara).

In pozitia de mijloc, sertarul se deplaseaza, de exemplu, spre stinga deschizind canalul dindreapta, aburul patrunzind in partea dreapta a cilindrului si deplasind pistonul spre stinga.

Intre timp sertarul isi schimba sensul miscarii si deplasindu-se spre dreapta , inchide canalul de admisie din dreapta fara sa-l deschida deocamdata pe cel din stinga.

In acest moment inchide admisia aburului pe partea dreapta si incepe expansiunea; inainte ca pistonul sa ajunga in punctul mort stinga, sertarul deschide calea de evacuare din dreapta, cursa pistonului se termina si aburul incepe sa fie evacuat spre condensor sau in atmosfera.

In punctul mort stinga al pistonului, sertarul deschide canalul de admisie din stinga si ciclul desfasurat pe partea dreapta se repeta de asta data pe partea stinga a pistonului.

Deoarece aburul este introdus alternativ pe ambele fete ale pistonului, o astfel de masina se numeste cu dublu efect, spre deosebire de masina cu simplu efect, la care aburul este introdus pe o singura parte a pistonului.

13 7 5

10

17 15

18

11 9

16

3

4

1 2 8 12

Fig.1. Masina cu abur cu piston

cilindru; 2- piston; 3- cutie de etansare; 4- cap de cruce; 5- sertar; 6- canale de introducere; 7- orificiu de evacuare a aburului lucrat; 8- tija pistonului; 9- tija sertarului; 10- capul de cruce al sertarului; 11- elementul de etansare al tijei sertarului; 12- capacul inferior al cilindrului; 13- canal de introducere a aburului; 14- capacul superior al cilindrului; 15- manivela arborelui cotit; 16- biela masinii; 17- biela excentricului; 18- excentricul.

PROCESUL DE LUCRU IN MASINILE CU ABUR CU

PISTON CU PLINA INTRODUCTIE (FARA DESTINDERE).

MOMENTE CARACTERISTICE ALE CICLULUI DE LUCRU

Aceasta masina cu abur este astfel numita deoarece cursa pistonului se realizeaza in intregime pe baza introductiei aburului la presiunea - a aburului sosit de la caldare. Procesul de lucru este redat mai jos in figura 2, intr-un sistem de coordonate p-V.

Fig. 2. Diagrama masinii cu abur cu plina introductie

Astfel aria 1-2-3-4-1 reprezinta lucrul mecanic teoretic al masinii cu plina introductie in timp ce aria 1'-2'-3'-4'-1' reprezinta lucrul mecanic al masinii reale. Diferenta dintre cele 2 arii reprezinta suma pierderilor, adica:

Fazele de lucru ale acestui ciclu sunt urmatoarele:

- transformarea 1 - 2 - reprezinta admisia aburului proaspat in cilindrii, la presiunea constanta , timp in care pistonul parcurge cursa sa integrala intre punctele 1 si 2. In cazul masinii ideale se presupune ca in punctul 2 are loc destinderea brusca a evacuarii;

transformarea 2 - 3 - reprezinta deschiderea brusca a evacuarii si scaderea brusca a presiunii de la valoarea la ;

transformarea 3 - 4 - evacuarea aburului la presiune constanta - pe timpul deplasarii pistonului din punctul mort dreapta in punctul mort stanga;

transformarea 4 - 1 - deschiderea brusca a orificiului de admisie a aburului proaspat.

Masina cu plina introductie. Momente de distributie

Masinile cu plina introductie nu sunt economice, insa cu toate acestea ele sunt folosite cu succes pentru punerea in functiune a servomotoarelor, vinciurilor, cabestanelor, etc.

Distributia aburului in masina cu plina introductie se realizeaza cu ajutorul sertarelor normale (fara acoperitoare).

Procesul de lucru al aburului in masina cu plina introductie consta in 2 etape principale:

1 - introductia;

2 - evacuarea.

In cazul distributiei deosebim 3 momente principale care au loc in timpul unei singure curse (180^oRAC), dupa care fazele se repeta la fiecare 180 ^oRAC.

Pentru realizarea unei astfel de masini sunt necesare urmatoarele conditii:

masina sa aiba 2 cilindri;

decalajul manivelelor pistoanelor sa fie de 90 ^oRAC;

sa aiba sertare normale (fara acoperitoare).

Momentul 1

Pistonul se afla la PMS, iar sertarul in pozitie medie (canalele sunt inchise):

Fig. Primul moment al distributiei masinii cu plina introductie

Momentul 2

Pistonul se afla in pozitia medie, iar sertarul in pozitie extrema inferioara, s-a deplasat cu distanta r si a deschis canalul de introductie.

Fig. 4. Al doilea moment al distributiei masinii cu plina introductie

Momentul 3

Pistonul se afla la P.M.I., iar sertarul in pozitie medie (canalele sunt din nou inchise).

Fig. 5. Al treilea moment al masinii cu plina introductie

Tipuri de sertare:

sertare plane;

sertare cilindrice.

Rolul sertarului este de a inchide si deschide, la anumite momente, canalele pentru admisia si evacuarea aburului din masina.

Sertarul plan aluneca alternativ in ambele sensuri pe o suprafata plana prelucrata fin care poarta denumirea de oglinda a sertarului.

Sistemul de distributie se compune din: sertar, tija sertarului, biela excentricului, gulerul excentricului, discul excentricului.

Fig. 6. Ansamblul excentricului: 1 - biela excentricului; 2 - gulerul excentricului; 3 - discul excentricului; r - raza de excentricitate - cursa sertarului.

Unghiul format de axa manivelei si axa excentricitatii se numeste unghi de decalaj.

Unghiul de decalaj prezinta importanta din punct de vedere al admisiei aburului:

admisia exterioara cu ;

admisia interioara cu 90 RAC-b

Sertarul cilindric asigura de regula atat o introductie interioara cat si exterioara si se realizeaza de regula pentru masina cu abur de propulsie cu tripla expansiune.

Sertarele cilindrice sunt prevazute cu segmenti pentru etanseitate.

PROCESUL DE LUCRU IN MASINILE CU ABUR

CU PISTON CU EXPANSIUNE

MOMENTE CARACTERISTICE ALE CICLULUI DE LUCRU

Aceasta masina cu abur prezinta realizarea cursei pistonului intre cele 2 puncte moarte in prima parte a cursei pe baza introductiei aburului la valoarea presiunii si pe baza destinderii aburului in a doua parte a cursei.

Figura. 7. Diagrama teoretica a masinii cu expansiune

In diagrama teoretica a masinii cu expansiune (fig 7):

faza 1 - 2 - reprezinta introductia aburului la presiunea constanta a aburului;

faza 2 - 3 - destinderea aburului introdus si realizarea celei de-a doua componente a cursei;

faza 3 - 4 - 5 - evacuarea aburului la volum constant (3 - 4) si apoi la presiune constanta (4 - 5);

faza 5 - 1 - inchiderea orificiului de evacuare si deschiderea brusca a admisiei aburului in cilindru, presiunea crescand brusc la valoarea .

Pentru aceeasi cantitate de abur introdusa in cilindrul masinii cu expansiune va realiza un lucru mecanic suplimentar reprezentat de diagrama primara 2 - 3 - 4 - 2' - 2.

La masinile cu expansiune reala se prevad pe langa fazele principale de distributie aratate mai sus si doua momente suplimentare:

a)      avansul la introductie;

b)      avansul la evacuare.

Tinand cont si de aceste momente suplimentare se obtine diagrama indicata a masinii cu expansiune monocilindrice (figura 8).

Fig. 8. Diagrama indicata a masinii cu expansiune

Avansul la introductie si comprimarea aburului au rolul de a forma perne de abur la trecerea pistonului prin punctele moarte. In afara de rolul de amortizare, compresia aburului mai are rolul de a umple spatiile moarte si ca rezultat reducerea consumului de abur la umplerea spatiilor moarte ale cilindrilor.

Avansul la evacuare permite reducerea valorii presiunii vaporilor la evacuare si trecerea lenta a pistonului prin punctul mort.

In figura 8, fazele principale ale distributiei aburului sunt urmatoarele:

1 - 2 - admisia aburului proaspat la p=const.;

2 - 3 - destinderea aburului;

3 - 3' - 4 - evacuarea;

4 - 1 - comprimarea aburului.

Corespunzator fazelor principale de distributie, punctele de pe diagrama indicata teoretica indica momentele principale de distributie a aburului in masina, dupa cum urmeaza:

1) inceputul avansului la admisie;

2) terminarea admisiei si inceputul destinderii (expansiunii);

3) inceputul avansului la evacuare;

4) terminarea evacuarii si inceputul compresiei.

Comprimarea aburului dureaza pana la punctul 1 cand presiunea este egala cu , iar in continuarea cursei pistonului momentele se repeta.

In timpul a doua curse ale pistonului, corespunzator fiecarei faze de lucru, volumele in diagrama se noteaza astfel:

- avansul volumetric la admisie;

- valoarea volumetrica la admisie;

- avansul volumetric la evacuare;

- valoarea volumetrica a compresiei.

Pentru simplificarea notatiilor se utilizeaza valorile marimilor volumetrice raportate la volumul descris de piston , obtinindu-se valori in procente, denumite grade de distributie a aburului. Valoarea lor este data de urmatoarele rapoarte:

- gradul de avans la admisie sau avansul la admisie;

- gradul de admisie al masinii;

- gradul de avans la evacuare sau avansul la evacuare;

- gradul de compresie al masinii.

De remarcat ca valoarea acestor grade de distributie ale fazelor procesului util in cele doua spatii ale cilindrului nu ramane aceeasi la masinile cu dublu efect.

In calcule se mai folosesc gradul sau valoarea relativa a spatiului mort si gradul de expansiune al masinii.

Se numeste valoarea relativa a spatiului mort raportul dintre volumul spatiului mort si volumul util al cilindrului masinii si se noteaza cu , adica:

Valoarea volumului util al cilindrului in timpul unei singure curse este data de relatia:

unde: F - suprafata pistonului;

S - cursa pistonului.

Se numeste grad de expansiune valoarea inversa a gradului de admisie si se noteaza cu , adica:

unde: - volumul descris de piston de la pozitia lui extrema pana la intreruperea admisiei aburului.

Daca in diagrama teoetica din sistemul de coordonate p - V se inscrie presiunea in kgf/m² pe axa ordonatelor, iar pe axa absciselor se inscriu volumele in m³, atunci suprafata diagramei, la scara corespunzatoare, va exprima lucrul mecanic produs de abur in kgfm.