WYDZIAA
MECHANICZNY POLITECHNIKI GDAC
SKIEJ
KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPR
śAREK
Kierownik katedry: prof. dr hab. in\
. Andrzej Balcerski, prof. zw. PG
LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAP
DÓW SPALINOWYCH
Dr in\
. Mieczysław Białas
Ćwiczenie 3
NAP
D SPR
śARKI WYPOROWEJ
1. Sprę\
arki wyporowe.
Sprę\
arka wyporowa jest to maszyna, która przez cykliczną zmianę objętości swojej
przestrzeni roboczej powoduje wzrost ciśnienia statycznego i przepływ kolejnych porcji czynnika.
W sprę\
arkach przepływowych sprę\
anie odbywa się w sposób ciągły, a do zmiany ciśnienia
wykorzystuje się przyrost energii kinetycznej czynnika. Poszczególne typy sprę\
arek wyporowych
ró\
nią się sposobami realizacji zmiany objętości roboczej. Wyró\
nia się sprę\
arki z postępowo-
zwrotnym ruchem elementu roboczego (tłokowe, membranowe) oraz z ruchem obrotowym, tzw.
sprę\
arki rotacyjne (łopatkowe, śrubowe, Roots,a). Na rys.1 przedstawiono schematy ilustrujące
zasady działania najczęściej stosowanych sprę\
arek wyporowych.
Rys.1. Schematy sprę\
arek wyporowych: a) tłokowa przelotowa, b) tłokowa jednostronnego
działania, c) tłokowa dwustronnego działania, d) membranowa, e) śrubowa, f) Roots,a,
g) łopatkowa, h) spiralna.
Sprę\
arki wyporowe nale\
ą do grupy najczęściej stosowanych maszyn energetycznych.
Stosowane są do sprę\
ania powietrza (budownictwo, budowa maszyn, górnictwo, metalurgia,
transport, energetyka), gazów w przemyśle chemicznym, par czynników chłodniczych. Zakresy
zastosowań (ró\
nica ciśnień, wydajność) poszczególnych typów sprę\
arek wyporowych oraz
sprę\
arek przepływowych przedstawiono na rys.2.
 2
Rys.2. Zakresy zastosowania sprę\
arek w zale\
ności od ciśnienia sprę\
ania i wydajności.
Najbardziej uniwersalnym z
ródłem napędu sprę\
arek 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 powy\
ej 750 kW silniki synchroniczne, w specjalnych
zastosowaniach spotykane są silniki prądu stałego. Bardzo rzadko spotykany jest napęd sprę\
arki
wyporowej za pomocą turbiny parowej lub gazowej. W sprę\
arkach tłokowych, w stopniach
wysokiego ciśnienia, stosowany jest napęd hydrauliczny. Do napędu sprę\
arek wyporowych,
zwłaszcza przenośnych i przewoz
nych stosowane są, obok silników elektrycznych, silniki
spalinowe.
2. Napęd spalinowy sprę\
arki wyporowej.
Energia mechaniczna wytwarzana przez silnik spalinowy mo\
e być przekazywana do
napędu sprę\
arki następującymi sposobami:
- z wału silnika przez sprzęgło lub przekładnię na wał sprę\
arki,
- przez wspólny mechanizm korbowy (silniko-sprę\
arki korbowe),
- bezpośrednio z tłoka silnika na tłok sprę\
arki (silniko-sprę\
arki bezkorbowe).
Do napędu sprę\
arek średniej i du\
ej wydajności stosowane są zazwyczaj silniki z
zapłonem samoczynnym. Silniki z zapłonem iskrowym stosowane są głównie w małych
sprę\
arkach przenośnych. Budowa układu napędowego (rodzaj stosowanych sprzęgieł i przekładni
pośrednich) zale\
y od typu, wielkości i prędkości obrotowych sprę\
arek oraz zastosowanych metod
 3
rozruchu i regulacji wydajności. Ze względu na cykliczny charakter pracy sprę\
arki 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 sprę\
arek wyporowych, ze względu na określone zakresy prędkości poszczególnych
typów sprę\
arek wykorzystywane są przekładnie zwalniające (sprę\
arki tłokowe) i przyspieszające
(sprę\
arki śrubowe). Stosowane są przekładnie pasowe (na pasy klinowe), zębate i hydrauliczne.
Rozruch agregatu sprę\
arkowego oraz zmienny pobór sprę\
onego gazu przez odbiorniki wymagają
zastosowania odpowiedniego systemu odcią\
ania sprę\
arki i regulacji jej wydajności. Rozruch
du\
ego agregatu z napędem spalinowym odbywa się w kilku etapach: rozruch silnika, włączenie
sprzęgła łączącego silnik ze sprę\
arką, obcią\
enie sprę\
arki. Zmiana wydajności dokonywana jest
przez oddziaływanie na sprę\
arkę (podwieszanie zaworów, dławienie gazu na wlocie do sprę\
arki,
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. Przewoz
ny agregat sprę\
arkowy (sprę\
arka tłokowa napędzana silnikiem spalinowym).
Przykładem napędu spalinowego sprę\
arki wyporowej jest przedstawiony na rys.3
przewoz
ny agregat sprę\
arkowy WD53 (Huta Stalowa Wola - Fabryka Maszyn Strzy\
ów) o
wydajności 5.5 m3/min i ciśnieniu 0.7 MPa, przeznaczony do wytwarzania sprę\
onego powietrza,
potrzebnego do napędu maszyn i urządzeń pneumatycznych. Sprę\
arka 1 napędzana jest silnikiem
2 przez sprzęgło odśrodkowe 3. Zastosowano sprę\
arkę 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 sprę\
onego powietrza.
Chłodnica międzystopniowa 5 chłodzona jest strumieniem powietrza wytwarzanym przez
wentylator osiowy napędzany od wału sprę\
arki. Sprę\
arka zasysa powietrze przez filtry 6. Silnik
wyposa\
ony 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-sprę\
arek. W silniko-sprę\
arce korbowej
układ korbowy jest zintegrowany przez wspólny dla silnika i sprę\
arki wał korbowy. Silniko-
sprę\
arki 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-sprę\
arek) lub przystosowany jest do pracy z paliwem gazowym i ciekłym. Przykład
konstrukcji silniko-sprę\
arki korbowej na rys. 5.
 4
Rys.4. Schematy układów silniko-sprę\
arek: a) korbowa, b) bezkorbowa
W silniko-sprę\
arce bezkorbowej przeciwbie\
ne tłoki dwusuwowego silnika z zapłonem
samoczynnym są bezpośrednio związane z tłokami sprę\
arki. Ruch tłoków synchronizowany jest za
pomocą mechanizmu dz
wigniowego lub zębatkowego. Przykład konstrukcji silniko-sprę\
arki
bezkorbowej na rys. 6.
Rys.5. Silniko-sprę\
arka korbowa gazu ziemnego.
Rys.6. Silniko-sprę\
arka bezkorbowa powietrza.
3. Praktyczne wyznaczenie charakterystyki momentu oporowego sprę\
arki.
 5
Podstawą do prawidłowego doboru silnika napędowego sprę\
arki 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 sprę\
arki. Na charakterystyce tej występuje ekstremum
momentu przy określonym ciśnieniu tłoczenia. Na taki przebieg charakterystyki ma wpływ przede
wszystkim oddziaływanie przestrzeni szkodliwej sprę\
arki.
Pomiar momentu oporowego na wale sprę\
arki oparty jest na zasadzie wychylnego stojana
specjalnego elektrycznego silnika napędowego sprzęgniętego bezpośrednio ze sprę\
arką. Wartość
momentu obrotowego działającego na stojan silnika jest równa wartości momentu oporowego na
wale sprę\
arki. 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 ło\
yskach tocznych i połączony z odpowiednim mechanizmem
wagowym, umo\
liwiającym bezpośredni pomiar momentu oraz wycechowanie miernika momentu
na drodze wa\
enia. Schemat układu pomiarowego momentu oporowego sprę\
arki przedstawiono
na rys.7. Ciśnienie sprę\
ania (tłoczenia) mierzone jest za pomocą manometru z rurką sprę\
ystą.
Rys.7. Schemat układu do pomiaru momentu oporowego na wale sprę\
arki.
1 - ło\
yska podpierające stojan silnika, 2 - przegub nieruchomy wagi wahadłowej, 3 - przeciwmasa,
4 - tłumik wychyleń, 5 - tarcza odczytowa, 6 - dz
wignia, 7 - odwa\
niki do wzorcowania miernika
momentu.
Obiektem badań jest sprę\
arka tłokowa dwustopniowa, jednostronnego działania, chłodzona
wodą, z widlastym układem cylindrów.
Dane techniczne sprę\
arki:
Średnica cylindra I stopnia DI = 180 mm
Liczba cylindrów I stopnia iI = 2
Średnica cylindra II stopnia DII = 145 mm
 6
Liczba cylindrów II stopnia iII = 1
Skok tłoków S = 90 mm
Prędkość obrotowa n = 24.3 s-1
Ciśnienie sprę\
ania (tłoczenia) pt = 0.7 MPa (nadciśnienie)
Wydajność Q = 0.083 m3/s
Zapotrzebowanie mocy Ne = 35 kW
Rys.8. Stanowisko badawcze sprę\
arki w laboratorium Katedry Silników Spalinowych i Sprę\
arek.
Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów nale\
y wykonać rozruch sprę\
arki i
doprowadzić do stanu równowagi cieplnej. Zmiana ciśnienia sprę\
ania dokonywana jest przez
zmianę otwarcia zaworu upustowego na zbiorniku sprę\
onego powietrza, przez który powietrze
wypuszczane jest do atmosfery.
Literatura.
1. Cantek L., Więckiewicz H.: Sprę\
arki wyporowe-atlas-materiały pomocnicze do wykładów,
ćwiczeń i projektowania. Politechnika Gdańska 1985.
2. Cantek L.: Sprę\
arki chłodnicze. Politechnika Gdańska 1986.
3. Cantel L., Białas M.: Sprę\
arki chłodnicze. Politechnika Gdańska 2003.
4. Davidson J., Bertele O.: Process fan and compressor selection. London. MEP 1996.
5. Frenkiel M.I.: Porszniewyje Kompressory. Leningrad, Maszynostrojenie 1969.
6.Mieszkowski M. i inni : Pomiary cieplne i energetyczne. Warszawa, WNT 1985.
7. Poradnik In\
yniera Mechanika t.2. Warszawa, WNT 1969.
8. Technisches Handbuch Verdichter. Berlin, VEB Verlag Technik 1986.
9. Warczak W.: Sprę\
arki ziębnicze. Warszawa, WNT 1987.
 7
KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPR
śAREK
LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAP
DÓW SPALINOWYCH
Nazwisko i imię: .................................................................... Grupa : ........ Data : ......................
Ćwiczenie 3
Napęd sprę\
arki wyporowej.
1. Tablica wielkości zmierzonych.
Ciśnienie sprę\
ania
pt (bar)
Moment oporowy
Mop (Nm)
2. Charakterystyka momentu oporowego: Mop = f(pt).
3. Wnioski i uwagi.