LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH

Transkrypt

1 WYDZIAŁ MECHANICZNY POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK Kierownik katedry: prof. dr hab. inŝ. Andrzej Balcerski, prof. zw. PG LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH Dr inŝ. Mieczysław Białas Ćwiczenie 3 NAPĘD SPRĘśARKI WYPOROWEJ 1. SpręŜarki wyporowe. SpręŜarka wyporowa jest to maszyna, która przez cykliczną zmianę objętości swojej przestrzeni roboczej powoduje wzrost ciśnienia statycznego i przepływ kolejnych porcji czynnika. W spręŝarkach przepływowych spręŝanie odbywa się w sposób ciągły, a do zmiany ciśnienia wykorzystuje się przyrost energii kinetycznej czynnika. Poszczególne typy spręŝarek wyporowych róŝnią się sposobami realizacji zmiany objętości roboczej. WyróŜnia się spręŝarki z postępowozwrotnym ruchem elementu roboczego (tłokowe, membranowe) oraz z ruchem obrotowym, tzw. spręŝarki rotacyjne (łopatkowe, śrubowe, Roots, a). Na rys.1 przedstawiono schematy ilustrujące zasady działania najczęściej stosowanych spręŝarek wyporowych. Rys.1. Schematy spręŝarek wyporowych: a) tłokowa przelotowa, b) tłokowa jednostronnego działania, c) tłokowa dwustronnego działania, d) membranowa, e) śrubowa, f) Roots, a, g) łopatkowa, h) spiralna. SpręŜarki wyporowe naleŝą do grupy najczęściej stosowanych maszyn energetycznych. Stosowane są do spręŝania powietrza (budownictwo, budowa maszyn, górnictwo, metalurgia, transport, energetyka), gazów w przemyśle chemicznym, par czynników chłodniczych. Zakresy zastosowań (róŝnica ciśnień, wydajność) poszczególnych typów spręŝarek wyporowych oraz spręŝarek przepływowych przedstawiono na rys.2.

2 2 Rys.2. Zakresy zastosowania spręŝarek w zaleŝności od ciśnienia spręŝania i wydajności. Najbardziej uniwersalnym źródłem napędu spręŝarek wyporowych jest silnik elektryczny. Stosowane są silniki elektryczne o mocy od ułamków kilowata do kilku tysięcy kilowatów. Najczęściej są to silniki asynchroniczne klatkowe, rzadziej silniki asynchroniczne pierścieniowe, przy zapotrzebowaniu mocy napędowej powyŝej 750 kw silniki synchroniczne, w specjalnych zastosowaniach spotykane są silniki prądu stałego. Bardzo rzadko spotykany jest napęd spręŝarki wyporowej za pomocą turbiny parowej lub gazowej. W spręŝarkach tłokowych, w stopniach wysokiego ciśnienia, stosowany jest napęd hydrauliczny. Do napędu spręŝarek wyporowych, zwłaszcza przenośnych i przewoźnych stosowane są, obok silników elektrycznych, silniki spalinowe. 2. Napęd spalinowy spręŝarki wyporowej. Energia mechaniczna wytwarzana przez silnik spalinowy moŝe być przekazywana do napędu spręŝarki następującymi sposobami: - z wału silnika przez sprzęgło lub przekładnię na wał spręŝarki, - przez wspólny mechanizm korbowy (silniko-spręŝarki korbowe), - bezpośrednio z tłoka silnika na tłok spręŝarki (silniko-spręŝarki bezkorbowe). Do napędu spręŝarek średniej i duŝej wydajności stosowane są zazwyczaj silniki z zapłonem samoczynnym. Silniki z zapłonem iskrowym stosowane są głównie w małych spręŝarkach przenośnych. Budowa układu napędowego (rodzaj stosowanych sprzęgieł i przekładni pośrednich) zaleŝy od typu, wielkości i prędkości obrotowych spręŝarek oraz zastosowanych metod

3 3 rozruchu i regulacji wydajności. Ze względu na cykliczny charakter pracy spręŝarki wyporowej stosowane są sprzęgła podatne. Zastosowanie niektórych metod rozruchu i regulacji wydajności wymaga zastosowania sprzęgieł włączalnych. W tych przypadkach stosowane są sprzęgła cierne. W napędach spręŝarek wyporowych, ze względu na określone zakresy prędkości poszczególnych typów spręŝarek wykorzystywane są przekładnie zwalniające (spręŝarki tłokowe) i przyspieszające (spręŝarki śrubowe). Stosowane są przekładnie pasowe (na pasy klinowe), zębate i hydrauliczne. Rozruch agregatu spręŝarkowego oraz zmienny pobór spręŝonego gazu przez odbiorniki wymagają zastosowania odpowiedniego systemu odciąŝania spręŝarki i regulacji jej wydajności. Rozruch duŝego agregatu z napędem spalinowym odbywa się w kilku etapach: rozruch silnika, włączenie sprzęgła łączącego silnik ze spręŝarką, obciąŝenie spręŝarki. Zmiana wydajności dokonywana jest przez oddziaływanie na spręŝarkę (podwieszanie zaworów, dławienie gazu na wlocie do spręŝarki, dołączanie dodatkowej przestrzeni szkodliwej) oraz zespół napędowy (zmiana prędkości obrotowej, wyłączenie sprzęgła, zatrzymanie silnika). W nowoczesnych agregatach operacje te wykonywane są automatycznie, bez udziału obsługi. Rys.3. Przewoźny agregat spręŝarkowy (spręŝarka tłokowa napędzana silnikiem spalinowym). Przykładem napędu spalinowego spręŝarki wyporowej jest przedstawiony na rys.3 przewoźny agregat spręŝarkowy WD53 (Huta Stalowa Wola - Fabryka Maszyn StrzyŜów) o wydajności 5.5 m 3 /min i ciśnieniu 0.7 MPa, przeznaczony do wytwarzania spręŝonego powietrza, potrzebnego do napędu maszyn i urządzeń pneumatycznych. SpręŜarka 1 napędzana jest silnikiem 2 przez sprzęgło odśrodkowe 3. Zastosowano spręŝarkę tłokową, trzycylindrową, dwustopniową, chłodzoną powietrzem, o widlastym układzie cylindrów. Silnik z zapłonem samoczynnym typu SW-400/S1 (Leyland) dostarcza moc 33kW przy prędkości obrotowej zespołu 25 s -1. Rama agregatu 4, wykona z rur, stanowi jednocześnie zbiornik wyrównawczy spręŝonego powietrza. Chłodnica międzystopniowa 5 chłodzona jest strumieniem powietrza wytwarzanym przez wentylator osiowy napędzany od wału spręŝarki. SpręŜarka zasysa powietrze przez filtry 6. Silnik wyposaŝony jest w chłodnicę wody 7, filtr powietrza 8, tłumik wydechu 9, zbiornik paliwa 10 i baterię akumulatorów 11. Aparatura kontrolna agregatu umieszczona jest na tablicy 12. Na rys.4 przedstawiono schematy układów silniko-spręŝarek. W silniko-spręŝarce korbowej układ korbowy jest zintegrowany przez wspólny dla silnika i spręŝarki wał korbowy. SilnikospręŜarki korbowe stosowane są głównie w przemyśle naftowym i gazowy (poszukiwania, wydobycie, przesyłanie i przeróbka ropy naftowej i gazu ziemnego). Silnik, dwusuwowy lub rzadziej czterosuwowy, zasilany jest najczęściej paliwem gazowym (ze względu na zastosowanie silniko-spręŝarek) lub przystosowany jest do pracy z paliwem gazowym i ciekłym. Przykład konstrukcji silniko-spręŝarki korbowej na rys. 5.

4 4 Rys.4. Schematy układów silniko-spręŝarek: a) korbowa, b) bezkorbowa W silniko-spręŝarce bezkorbowej przeciwbieŝne tłoki dwusuwowego silnika z zapłonem samoczynnym są bezpośrednio związane z tłokami spręŝarki. Ruch tłoków synchronizowany jest za pomocą mechanizmu dźwigniowego lub zębatkowego. Przykład konstrukcji silniko-spręŝarki bezkorbowej na rys. 6. Rys.5. Silniko-spręŜarka korbowa gazu ziemnego. Rys.6. Silniko-spręŜarka bezkorbowa powietrza. 3. Praktyczne wyznaczenie charakterystyki momentu oporowego spręŝarki.

5 5 Podstawą do prawidłowego doboru silnika napędowego spręŝarki są jej charakterystyki.. Charakterystyka wyznaczana w czasie ćwiczenia przedstawia przebieg średniego momentu oporowego w funkcji ciśnienia tłoczenia przy określonym ciśnieniu ssania (ciśnienie atmosferyczne) i prędkości obrotowej spręŝarki. Na charakterystyce tej występuje ekstremum momentu przy określonym ciśnieniu tłoczenia. Na taki przebieg charakterystyki ma wpływ przede wszystkim oddziaływanie przestrzeni szkodliwej spręŝarki. Pomiar momentu oporowego na wale spręŝarki oparty jest na zasadzie wychylnego stojana specjalnego elektrycznego silnika napędowego sprzęgniętego bezpośrednio ze spręŝarką. Wartość momentu obrotowego działającego na stojan silnika jest równa wartości momentu oporowego na wale spręŝarki. W zwykłym silniku napędowym moment ten przenoszony jest przez śruby fundamentowe, którymi silnik zamocowany jest do fundamentu. Stojan specjalnego silnika badawczego podparty jest w dwóch łoŝyskach tocznych i połączony z odpowiednim mechanizmem wagowym, umoŝliwiającym bezpośredni pomiar momentu oraz wycechowanie miernika momentu na drodze waŝenia. Schemat układu pomiarowego momentu oporowego spręŝarki przedstawiono na rys.7. Ciśnienie spręŝania (tłoczenia) mierzone jest za pomocą manometru z rurką spręŝystą. Rys.7. Schemat układu do pomiaru momentu oporowego na wale spręŝarki. 1 - łoŝyska podpierające stojan silnika, 2 - przegub nieruchomy wagi wahadłowej, 3 - przeciwmasa, 4 - tłumik wychyleń, 5 - tarcza odczytowa, 6 - dźwignia, 7 - odwaŝniki do wzorcowania miernika momentu. Obiektem badań jest spręŝarka tłokowa dwustopniowa, jednostronnego działania, chłodzona wodą, z widlastym układem cylindrów. Dane techniczne spręŝarki: Średnica cylindra I stopnia D I = 180 mm Liczba cylindrów I stopnia i I = 2 Średnica cylindra II stopnia D II = 145 mm

6 Liczba cylindrów II stopnia i II = 1 Skok tłoków S = 90 mm Prędkość obrotowa n = 24.3 s -1 Ciśnienie spręŝania (tłoczenia) p t = 0.7 MPa (nadciśnienie) Wydajność Q = m 3 /s Zapotrzebowanie mocy N e = 35 kw 6 Rys.8. Stanowisko badawcze spręŝarki w laboratorium Katedry Silników Spalinowych i SpręŜarek. Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów naleŝy wykonać rozruch spręŝarki i doprowadzić do stanu równowagi cieplnej. Zmiana ciśnienia spręŝania dokonywana jest przez zmianę otwarcia zaworu upustowego na zbiorniku spręŝonego powietrza, przez który powietrze wypuszczane jest do atmosfery. Literatura. 1. Cantek L., Więckiewicz H.: SpręŜarki wyporowe-atlas-materiały pomocnicze do wykładów, ćwiczeń i projektowania. Politechnika Gdańska Cantek L.: SpręŜarki chłodnicze. Politechnika Gdańska Cantel L., Białas M.: SpręŜarki chłodnicze. Politechnika Gdańska Davidson J., Bertele O.: Process fan and compressor selection. London. MEP Frenkiel M.I.: Porszniewyje Kompressory. Leningrad, Maszynostrojenie Mieszkowski M. i inni : Pomiary cieplne i energetyczne. Warszawa, WNT Poradnik InŜyniera Mechanika t.2. Warszawa, WNT Technisches Handbuch Verdichter. Berlin, VEB Verlag Technik Warczak W.: SpręŜarki ziębnicze. Warszawa, WNT 1987.

7 7 KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH Nazwisko i imię:... Grupa :... Data :... Ćwiczenie 3 Napęd spręŝarki wyporowej. 1. Tablica wielkości zmierzonych. Ciśnienie spręŝania p t (bar) Moment oporowy M op (Nm) 2. Charakterystyka momentu oporowego: M op = f(p t ). 3. Wnioski i uwagi.