Silnik turboodrzutowy

Silnik turboodrzutowy - rodzaj silnika, który napędza pojazd poprzez wykorzystanie zjawiska odrzutu gazów (silnika odrzutowego). W przeciwieństwie do silnika rakietowego wykorzystuje otaczające powietrze jako masę wyrzutową a tlen zawarty w tym powietrzu jako utleniaczznajdującego się w zbiornikach pojazdu paliwa. Silnik ten montowany jest zazwyczaj w samolotach. Popularnie nazywany jest po prostu silnikiem odrzutowym. Silnik turboodrzutowy jest najprostszym z silników turbinowych, jednak przy prędkościach poddźwiękowych wykazuje mniejszą wydajność i większe zużycie paliwa niż silnik turbowentylatorowy (nazywany też silnikiem turboodrzutowym dwuprzepływowym). Z kolei przy wysokich prędkościach naddźwiękowych duże ciśnienie powietrza i spowodowana tym wysoka temperatura strumienia powietrza może doprowadzić do przegrzania silnika i uszkodzenia sprężarki i turbiny.

Silnik turbośmigłowy – rodzaj napędu statku powietrznego, najczęściej samolotu lub śmigłowca, wykorzystujący turbinę gazową do poruszania zewnętrznego śmigła napędowego. Wydostające się z silnika spaliny mają relatywnie małą energię w porównaniu z wydalanymi przez silnik turboodrzutowy, z tego też względu w małym stopniu odpowiadają za napędzanie statku powietrznego.

Śmigło jest sprzężone z turbiną przy pomocy przekładni (reduktora) która przenosi niski moment przy wysokich obrotach na wejściu na wysoki moment przy niskich obrotach na wyjściu. Samo śmigło jest zwykle stałoobrotowe, podobne do tych używanych przy większych lotniczychsilnikach tłokowych. W najprostszej wersji silnik składa się z wlotu powietrza, sprężarki, komory spalania, turbiny oraz dyszy. Powietrze jest pobierane do wlotu a następnie sprężane przez sprężarkę. Następnie w komorze spalania dodawane jest do niego paliwo i tak utworzona mieszanka jest spalana. Gorące spaliny są żródłem napędu turbiny. Część mocy wytworzonej przez turbinę jest przekazywana do napędzania sprężarki. Pozostała jest przekazywana przez przekładnię do śmigła. Dalsze rozszerzanie się gazów zachodzi w dyszy, gdzie ostatecznie ich ciśnienie wyrównuje się zatmosferycznym.

Silnik turbowentylatorowy to odmiana silnika turboodrzutowego dwuprzepływowego o dużymstosunku dwuprzepływowości (ang. high-bypass turbofan). Wyposażony w dużej średnicy wentylator (pierwszy człon sprężarki), który spręża wstępnie powietrze i które zostaje skierowane na dwa tory:Na silnik właściwy, czyli dalsze stopnie sprężarek - kolejno do niskiego i do wysokiego ciśnienia, a następnie do komory spalania silnika i na turbinę.Do kanału zewnętrznego, z którego jest kierowane bezpośrednio do atmosfery, wytwarzając w ten sposób ciąg w sposób zbliżony do ciągu śmigła napędzanego np. silnikiem tłokowym.Gorące sprężone gazy opuszczające komorę spalania napędzają turbiny wysokiego i niskiego ciśnienia (turbiny te napędzają z kolei sprężarki) oddając im część energii a następnie wypływają przez dyszę wylotową, rozprężając się w niej i przyśpieszając, co generuje pozostałą część ciągu takiego silnika.

Naprężenie, miara sił wewnętrznych powstających w ciele pod wpływem zewnętrznej, odkształcającej siły. W danym punkcie naprężanie określone jest wektorem P=dF/dS, gdzie dF/dS oznacza siłę działającą na nieskończenie mały element powierzchni przekroju ciała.
Naprężenie dzieli się na: działające w kierunku prostopadłym do powierzchni przekroju S, nazywane naprężeniem normalnym σ, oraz na działające w kierunku stycznym do powierzchni (naprężenie styczne τ), przy czym zachodzi równość P2=σ2+τ2.
Stan naprężenia w danym punkcie wynikający z wszystkich wektorów naprężenia określa tensor naprężeń. Rozróżniamy dwa rodzaje prostych stanów naprężeń:
– naprężenia normalne, w których obciążenie oddziałuje w kierunku prostopadłym do rozpatrywanego przekroju,

Naprężenia normalne są zwyczajowo oznaczane symbolem „s” (sigma) wraz z indeksem odpowiadającym

rodzajowi naprężeń, zazwyczaj:
σr ­– naprężenia rozciągające,
σc ­– naprężenia ściskające,
σg ­– naprężenia zginające.

– naprężenia styczne, w których obciążenie oddziałuje równolegle do rozpatrywanego przekroju.

Naprężenia styczne są zwyczajowo oznaczane symbolem „t” (tau) wraz z indeksem odpowiadającym rodzajowi

naprężeń, zazwyczaj:
tt – naprężenia tnące,
tt – naprężenia skręcające.

Warunek wytrzymałościowy naprężeń normalnych na rozciąganie, lub ściskanie ma postać:

gdzie:
σ – naprężenia normalne w [Pa]
,F – siła  w [N],
S – przekrój na który działa siła F wyrażony w [m2],

k – naprężenia dopuszczalne na rozciąganie (kr), ściskanie (kc) w [Pa] dostępne tutaj>

Warunek wytrzymałościowy naprężeń normalnych na zginanie ma postać:

gdzie:
sg – naprężenia normalne zginające w [Pa],
M – moment zginający przekrój  w [Nm],
Wx – wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie [m3],
kg – naprężenia dopuszczalne na zginanie w [Pa] dostępne tutaj>

Warunek wytrzymałościowy naprężeń stycznych na ścinanie ma postać:

gdzie:
τt – naprężenia styczne w [Pa],
F – siła  w [N],
S – przekrój na który działa siła F wyrażony w [m2],
kt – naprężenia dopuszczalne na ścinanie w [Pa] dostępne tutaj>

Warunek wytrzymałościowy naprężeń stycznych na skręcanie ma postać:

gdzie:
ts – naprężenia styczne skręcające w [Pa],
M – moment skręcający przekrój  w [Nm],
Wo – wskaźnik wytrzymałości przekroju na skręcanie [m3],

ks – naprężenia dopuszczalne na skręcanie w [Pa] dostępne tutaj>

Oczywiście we wszystkich stanach naprężeń w przypadku obciążeń zmiennych odpowiednie wartości naprężeń dopuszczalnych

(k) powinny być zastąpione odpowiednimi wartościami wytrzymałości zmęczeniowych.

Moment bezwładności, miara bezwładności ciała w ruchu obrotowym. Charakteryzuje rozkład masy w ciele.

Moment bezwładności ciała względem osi z nazywane jest wyrażenie:

gdzie mi - masy elementów ciała odległe każda o ri od osi z

Dla ciągłego rozkładu masy w ciele sztywnym moment bezwładności definiowany jest wzorem całkowym:

gdzie: ρ - funkcja opisująca gęstość ciała, V - objętość ciała, dV - element objętości, r - odległość elementu dV od osi z.

Energia w ruchu obrotowym ciała sztywnego opisana jest wzorem: E=(Iω2)/2. Moment bezwładności względem osi z

równoległej do z, odległej od niej o D wyraża się wzorem:

Iz=Iz'+MD2

gdzie: M - masa ciała, jest to tzw. twierdzenie Steinera, podane przez matematyka szwajcarskiego J. Steinera.

Zdefiniowane powyżej momenty bezwładności są wielkościami skalarnymi, w ogólnym przypadku moment bezwładności

jest tensorem trzeciego rzędu, wyrazy na przękątnej (w reprezentacji macierzowej tensora) są momentami bezwładności

obliczonymi względem trzech wzajemnie prostopadłych osi przedmiotu, np.:

lub - dla ciągłego rozkładu masy - odpowiedni wzór całkowy), wyrazy poza przekątną nazywane momentami odśrodkowymi

zdefiniowane są następująco (lub przez odpowiednie wzory całkowe):

Znając składowe tensora momentu bezwładności możliwe jest obliczenie momentu bezwładności względem dowolnej

prostej l przechodzącej przez początek układu współrzędnych x,y,z, wówczas:

Il=Ixxα2+Iyyβ2+Izzγ-2Ixyαβ-2Iyzβγ-2Izxγα

gdzie α, β, γ cosinusy kierunkowe tej prostej (bezwładności elipsoida).

Odkształcenie, zmiana wzajemnych odległości pomiędzy punktami ciała, powstająca w wyniku naprężeń spowodowanych przez rozciąganie,ściskanie, zginanie lub skręcanie ciał. Wyróżnia się: odkształcenie sprężyste, gdy odkształcenie zanika

po ustaniu naprężenia, iodkształcenie plasyczne.

Rozciąganie, rodzaj obciążenia ciała (elementu konstrukcyjnego), na które składają się dwie przeciwnie działające siły F,

powodujące wydłużenie ciała w kierunku linii działania tych sił (naprężenia normalne panujące w przekroju

poprzecznym ciała określone są zależnością: δ=F/S, natomiast sprężyste wydłużenie ciała:

Δl=Fl/ES,

gdzie: δ - naprężenie, F - siła działająca na ciało, S - pole przekroju poprzecznego, Δl - wydłużenie ciała,

l - długość początkowa, E - współczynnik sprężystości - moduł Younga.

Rozróżnia się rozciąganie osiowe (gdy siły rozciągające leżą w podłużnej sprężystej osi ciała) oraz nieosiowe

(złożony stan naprężeń sprowadzany do rozciągania osiowego i zginania). W celu określenia własności mechanicznych

(wytrzymałości na rozciąganie) elementów konstrukcyjnych przeprowadza się próby wytrzymałościowe na rozciąganie.

Przygotowaną próbkę (z odpowiedniego materiału), z oznaczoną długością pomiarową, mocuje się w uchwytach

maszyny do prób rozciągania (tzw. zrywarce), a następnie poddaje powolnemu rozciąganiu (obciążenie próbki powoli

wzrasta) - wielkość obciążenia uwidacznia się na siłomierzu zrywarki.

Ściskanie, rodzaj obciążenia ciała (elementu konstrukcyjnego), na które składają się dwie przeciwnie działające siły F,

powodujące ściśnięcie ciała w kierunku linii działania tych sił (naprężenia normalne panujące w przekroju poprzecznym

ciała określone są zależnością: δ=F/S, sprężyste zaś skrócenie - ściśnięcie ciała: Δl=Fl/(ES), gdzie: δ - naprężenie,

F - siła działająca na ciało, S - pole przekroju poprzecznego, Δl - skrócenie ciała, l - długość początkowa,

E - współczynnik sprężystości wzdłużnej - tzw. moduł Younga).

Próba wytrzymałościowa na ściskanie jest podstawową próbą w badaniach wytrzymałościowych materiałów.

Polega na określaniu granicznych wartości sił ściskających, powodujących zniszczenie elementu lub trwałe 

odkształcenie, które uniemożliwia dalsze jego użytkowanie.

Skręcanie, rodzaj naprężenia i towarzyszącego mu odkształceniapowstającego przy działaniu pary sił o wektorach

prostopadłych do rozpatrywanego przekroju, tworzących moment skręcający. Dla pręta o przekroju walca,

skręcanego w płaszczyźnie prostopadłej do osi symetrii, powstające naprężenie styczne τ w odległości r od osi

symetrii określone jest wzorem:

τ=Msγ/I,

gdzie: Ms - moment skręcający, I - moment bezwładności względem osi symetrii pręta.

Zginanie, odkształcenie i powstające w jego wyniku naprężenie σ będące skutkiem działania momentów sił M

(tzw. momentów gnących). Podczas zginania istnieje w danym ciele tzw. warstwa obojętna, w której nie istnieją odkształcenia.

Powstające naprężenia wyrażone są wzorem, σ=Mz/I, gdzie: I - moment bezwładności zginanego elementu (m4),

z - odległość od warstwy obojętnej.

Lepkość, tarcie wewnętrzne, wiskoza, cecha płynów, pojawienie się siły tarcia (tarcie) pomiędzy warstwami cieczy

lub gazu, poruszającymi się równolegle względem siebie z różnymi co do wartości prędkościami. Warstwa

poruszająca się szybciej działa przyspieszająco na warstwę poruszającą się wolniej i odwrotnie. Pojawiające się

wtedy siły tarcia wewnętrznego skierowane są stycznie do powierzchni styku tych warstw.

Określana ilościowo współczynnikiem η równym wartości siły stycznej, która przyłożona do jednostki

powierzchni spowoduje jednostajny,laminarny przepływ z jednostkową prędkością:

gdzie F/S - naprężenie ścinające, dv/dz - poprzeczny gradient prędkości.

Wzór powyższy podany już przez I. Newtona odnosi się do cieczy nieściśliwej. Ogólnie (z uwzględnieniem

ściśliwości płynu) lepkość definiowana jest poprzez związek składowych tensora naprężeń pij i tensora opisującego

pole prędkości vij:

gdzie p - ciśnienie, v - prędkość odkształcenia, η - współczynnik lepkości, η' - drugi współczynnik lepkości

(tzw. lepkość druga lub objętościowa, określa ona stopień dyssypacji energii w procesach zachodzących ze zmianą

gęstości cieczy), δij − Kroneckera symbol symetryczny.

W układzie CGS jednostką lepkości jest puaz, w SI jest to niutonosekunda na metr kwadratowy [N·s/m2]. Współczynnik

lepkości η wyznacza się wiskozymetrami. Oprócz powyżej określonej lepkości stosuje się pojęcia lepkości właściwej

(stosunku lepkości danej cieczy do lepkości wody w temperaturze 0°C), lepkości względnej (lepkości danej cieczy

względem lepkości wody w tej samej temperaturze).

Wielkość φ=1/η nazywana jest płynnością. Dla polimerów i układów dyspersyjnych definiuje się pojęcie lepkości

strukturalnej, opisującej powstawanie struktur w cieczy w zależności od prędkości przepływu.

Rezonans – zjawisko fizyczne zachodzące dla drgań wymuszonych, objawiające się pochłanianiem energii poprzez wykonywanie drgań o dużej amplitudzie przez układ drgający dla określonychczęstotliwości drgań.

Podciśnienie – różnica między ciśnieniem atmosferycznym a ciśnieniem bezwzględnym w przypadku, gdy jest ono mniejsze od atmosferycznego.

Występuje w pompach ssawnych, gaźnikach samochodowych, układzie wspomagania hamulców, odkurzaczach, pożarnictwie do odsysania wody itp.

Równanie ciągłości strugi – jeżeli założymy, że dla płynu nieściśliwego temperatura jest stała i jednakowa dla każdego przekroju rurociągu to objętość płynu wpływającego i odpływającego w ciągu jednej sekundy z dowolnego przekroju przewodu jest stała.

Równanie ciągłości strugi jest oparte na bilansie masy, zakłada, że ilość masy cieczy dopływającej i odpływającej jest równa:

ρ - gęstość cieczy
V - prędkość przepływu płynu
A - pole przekroju poprzecznego rurociągu

Bernoulliego twierdzenie, jedno z sformułowań tzw. prawa wielkich liczb: niech p oznacza prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia A (sukcesu), a X oznacza liczbę sukcesów w n niezależnych próbach. Dla n zmierzającego do nieskończoności, prawdopodobieństwo zdarzenia polegającego na tym, że stosunek X/n różni się dowolnie mało od p, zmierza do jedności.

Różnica między turbiną akcyjną a reakcyjną

W turbinach rozróżnia się akcyjne i reakcyjne stopnie, które różnią się przede wszystkim profilami kanałów

międzyłopatkowych wieńców wirnika. Patrząc na rysunek obok widać, że w stopniu akcyjnym (kolumna a)

kanały mają stałe przekroje, czyli są symetryczne, więc nie zachodzi w nich rozprężanie pary.

Kąty "beta"1 i "beta"2 są wyznaczone poprzez styczne do przekroju łopatki w miejscu wpływu i wypływu pary.

Kąty "beta"1 i "beta"2 są sobie prawie równe. W stopniu reakcyjnym przekroje tych kanałów zmniejszają się wraz z

kierunkiem przepływu pary, gdzie następuje rozprężanie pary. Tutaj widać, że kąt wylotowy "beta"2 jest znacznie

mniejszy od wlotowego "beta"1(kolumna b).

Reakcyjny sposób pracy pary polega na tym, że para rozpręża się częściowo w dyszy, częściowo zaś w kanale między łopatkami. Para w dyszy rozpręża się od ciśnienia p1 do p1', przy czym prędkość jej rośnie do wartości c1. Ciśnienie pary za wirnikiem p2 jest mniejsze od ciśnienia przed wirnikiem p1'. Para rozpręża się więc w kanale między łopatkami wirnika. Prędkość pary względem ruchomych łopatek rośnie. Prędkość pary względem nieruchomego otoczenia (prędkość bezwzględna) maleje. 
Łopatki turbiny reakcyjnej mają inny kształt niż turbiny akcyjnej. Między łopatkami utworzony jest kanał o przekroju zmiennym tworzący dyszę, dopasowaną do różnicy ciśnień między obu stronami wirnika. 
Turbiny mogą być reakcyjne w mniejszym lub większym stopniu. Stosunek energii kinetycznej uzyskanej przez rozprężenie pary na wirniku do pełnej energii kinetycznej, uzyskanej z rozprężenia w dyszy i na wirniku łącznie, nazywamy stopniem reakcyjności. Stosuje się przeważnie stopień reakcyjności równy 0,5. Istnieją także specjalne wykonania turbin całkowicie reakcyjnych. Wskutek różnicy ciśnień między obu stronami wirnika w turbinach reakcyjnych powstaje siła działająca na wirnik w kierunku osiowym. Siła taka nie występuje w turbinach akcyjnych. Siła osiowa w turbinach reakcyjnych jest bardzo duża i może być zrównoważona przez odpowiednie rozwiązanie konstrukcyjne. 

Źródła energii: wiatr, woda w rzece, fale morskie, przypływy i odpływy, paliwa, akumulator elektryczny, napięta sprężyna, rozpędzone koło zamachowe, zbiornik ze sprężonym powietrzem. Dzielą się na odnawialne i nieodnawialne. Postacie energii: mechaniczna (napięta sprężyna, rozpędzone koło zamachowe), cieplna (instalacje ciepłownicze), promienista (promieniowanie słoneczne), elektryczna, chemiczna (paliwa), jądrowa. Przepływ energii (auto): en. chem.-paliwo en. cieplna-spalanie en. mech.-ruch tłoka napęd mechaniczny:

przekładnie en. mech.-ruch samochodu. Klasyfikacja maszyn: energetyczne: silniki, prądnice, pompy, sprężarki; robocze: technologiczne, transportowe. Rodzaje jednostek miar: podstawowe jednostki miar (m, s,),pochodne (m/s, m2), główne (m, s, m/s, m3, ale nie m/min), krotne (wtórne) (km, min), pozaukładowe (cal, kG), jednorodne (np. dla masy: kg, gram, funt, uncja, karat). HYDROMECHANIKA Podział hydromechaniki: Hydrostatyka - badania równowagi cieczy, Kinematyka - nauka o ruchu cieczy bez uwzględnienia materii oraz sił

wywołujących ruch, Hydrodynamika - rozpatruje ruch cieczy z uwzględnieniem wpływu działających na nią sił. Wielkości podstawowe charakteryzujące ciecz: Gęstość (masę właściwa), Ciężar właściwy, Objętość właściwa Ciśnienie - wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa. Jednostką główną ciśnienia jest Paskal: 1 Pa = 1 N/m2 (hektopaskal (1 hPa= l00 Pa); kilopaskal (1 kPa=1000 Pa); megapaskal (1 MPa=106 Pa)) Ciśnienie bezwzględne - ciśnienie wyznaczane względem próżni doskonałej, której ciśnienie wynosi 0. Nadciśnienie: różnica między ciśnieniem bezwzględnym a ciśnieniem atmosferycznym w przypadku, gdy jest ono mniejsze od bezwzględnego. Podciśnienie – różnica między ciśnieniem

atmosferycznym a ciśnieniem bezwzględnym w przypadku, gdy jest ono mniejsze od atmosferycznego. Prawo Pascala - ciśnienie zewnętrzne wywierane na ciecz lub gaz znajdujące się w naczyniu zamkniętym rozchodzi się jednakowo we wszystkich kierunkach. Prasa hydrauliczna - urządzenie techniczne zwielokrotniające siłę nacisku dzięki wykorzystaniu zjawiska stałości ciśnienia w zamkniętym układzie hydraulicznym. Prosta prasa hydrauliczna zbudowana jest z dwóch połączonych ze sobą cylindrów, które są wypełnione olejem hydraulicznym i zamknięte szczelnymi tłokami. Cylinder roboczy ma zwykle znacznie większą średnicę niż cylinder spełniający rolę pompy. Jeśli działamy określoną siłą na tłok pompy, to na tłok roboczy działa znacznie większa siła. Napór cieczy: siła nacisku jaką płyn wywiera na daną powierzchnię. Siła ta jest normalna do danej powierzchni. Równowaga ciała pływającego: ciało pływające, częściowo zanurzone w cieczy pozostaje pod działaniem dwóch sił: siły wyporu W i siły wynikającej z ciężaru własnego G. Ciało pływające może pozostać w stanie równowagi wówczas, gdy SG leży powyżej SW. Równowaga trwała zachodzi wówczas, gdy ciało wychylone pod wpływem chwilowej siły zewnętrznej powróci do pierwotnego stanu równowagi. KINEMATYKA CIECZY Rodzaje przepływu: Uwarstwiony (laminarny) Re<2320 Burzliwy (turbulentny) Re>50 000. Strumień objętości - iloczyn prędkości przepływu czynnika (płynu) przepływającego przez przewód rurowy (rurę) i powierzchni przekroju tego przewodu. Strumień masy – iloczyn przekroju poprzecznego strugi w [m2], średniej prędkości przepływu w danym przekroju strugi w [m/s] i gęstości cieczy. Ciągłość strugi - jeżeli założymy, że dla płynu nieściśliwego temperatura jest stała i jednakowa dla każdego przekroju rurociągu to objętość płynu wpływającego i odpływającego w ciągu jednej sekundy z dowolnego przekroju przewodu jest stała. Twierdzenie Bernoulliego - przy ruchu ustalonym cieczy doskonałej, odbywającym się pod wpływem sił zachowawczych całkowita energia jednostki masy, stanowiąca sumę energii kinetycznej, energii ciśnienia i energii potencjalnej, jest w każdym punkcie jednej i tej samej strugi stała. Napór hydrodynamiczny – siła F oddziałująca na na nieruchomą płytę przez strumień cieczy wypływający ze zbiornika przez otwór w jego ścianie bocznej. Reakcja hydrodynamiczna strumienia cieczy - zjawisko naporu hydrostatycznego powodującego powstanie reakcji w postaci siły R równej sile F lecz zwróconej przeciwnie (inaczej odrzut). Łopatka akcyjna: (koło wodne) Reakcja hydrodynamiczna strumienia cieczy wpływającego prostopadle na: ruchomą płytę płaską, układ płyt ruchomych. Łopatka reakcyjna – w skutek działania reakcji hydrodynamicznej następuje obrót wirnika w kierunku przeciwnym do wypływu cieczy. Naczynia stanową odpowiednio ukształtowane łopatki wirnika. Reakcja hydrodynamiczna strumienia, zasada działania łopatki reakcyjnej. Elektrownie wodne: Żarnowiec, Porąbka-Żar (k. Żywca), Solina. Włocławek POMPY Wyporowe np. o ruchu postępowo-zwrotnym, obrotowo-zwrotnym, obiegowym Wirowe np. krążeniowe, kręte, Śmigłowe, odśrodkowe. Układ pompowy stanowi pompa lub bateria pomp wraz z rurociągami ssawnym i tłocznym. Pompa tłokowa jednostronnego działania – składa się z cylindra w której porusza się tłok. Komora pompy jest oddzielona od części ssawnej samoczynnym zaworem umożliwiającym przepływ płynu od części ssawnej do komory pompy, a blokującym przepływ w odwrotnym kierunku. Podobnie zawór tłoczny umożliwia jednokierunkowy przepływ z komory pompy do części tłocznej. Tłok wykonuje ruchy posuwisto-zwrotne na przemian w lewo i w prawo. Pompa tłokowa dwustronnego działania - tłok rozdziela komorę pompy na dwie części. Ruch tłoka zwiększający ciśnienie w jednej części, zmniejsza równocześnie ciśnienie w drugiej. Pompa wielotłoczkowa promieniowa - składa się z kilku lub kilkunastu małych pomp tłokowych umieszczonych w jednym korpusie. Tłoczki pompy umieszczone w korpusie opierają się na mimośrodowym pierścieniu. Obrotowy ruch pierścienia lub tarczy wymusza ruch posuwisto-zwrotny tłoczków co powoduje zasysanie i tłoczenie cieczy. Pompa z napędem elektrycznym silnik elektryczny, przekładnia zębata, mimośród, przepona. Pompa skrzydełkowa - skrzydełkowy tłok umieszczony w cylindrycznym korpusie, napędzany jest dźwignią. Dwa zawory ssawne i dwa tłoczne otwierają i zamykają się zgodnie z ruchem tłoka pozwalając cieczy wpływać lub wypływać do lub z na przemian zwiększających i zmniejszających swe objętości komór ssawnych. Ciecz bezpośrednio z komory tłocznej wpływa do rurociągu tłocznego. Pompa łopatkowa - łopatki osadzone są w wirniku, który jest umiejscowiony mimośrodowo wewnątrz korpusu pompy. W czasie obrotu wirnika, łopatki zagarniają ciecz z komory ssawnej do

przestrzeni międzyłopatkowej przenosząc ją do komory tłocznej pompy. Pompa zębata o zazębieniu zewnętrznym składa się z dwóch

jednakowych kół zębatych możliwie jak najciaśniej osadzonych w korpusie Obracające się koła zębate (jedno z nich jest napędzane

przez zewnętrzne źródło) zagarniają ciecz z komory ssawnej do przestrzeni międzyzębnych transportując ją do komory tłocznej.

Pompa śrubowa - rodzaj pompy wyporowej, w której transport cieczy wymuszany jest obrotami ślimakowej śruby. Ciecz zamknięta

w przestrzeniach pomiędzy ślimakiem a korpusem pompy zostaje przenoszona od strony ssawnej do tłocznej pompy. 1 – śruba bierna,

2 – śruba czynna, 3 – obszar tłoczny, 5 – obszar ssawny Cechy charakterystyczne pomp wirowych: Głównym organem roboczym jest

obracający się z dużą prędkością wirnik wyposażony w łopatki; Za pomocą łopatek energia pobierana z silnika napędzającego przenosi

się na ciecz i powoduje jej przepływ przez pompę; Wzrost energii cieczy podczas jej przepływu przez pompę wyraża się przyrostem

prędkości i ciśnienia; Po opuszczeniu wirnika ciecz przepływa przez nieruchome rozszerzające się stopniowo kanały. W kanałach

tych następuje zamiana energii prędkości na energię ciśnienia. Pompa wirowa krętna – jest typem pompy wirowej, w której obrotowy

ruch wirnika powoduje wzrost momentu pędu (krętu) cieczy. Pompa odśrodkowa jednostopniowa- Wirnik umieszczony jest w

spiralnym korpusie. Dopływ cieczy jest osiowy, zaś odpływ promieniowy. Przepływ cieczy przez wirnik jest promieniowy. 1 - wirnik,

2 – kanał zbiorczy spiralny 3 - przewód ssawny 4 - przewód tłoczny Pompa tłokowa czterostopniowa - 1 – króciec dolotowy, 2 – wirnik,

3 – odśrodkowa kierownica łopatkowa, 4 – króciec wylotowy, 5 – tarcza odciążająca, 6 – dławnice, 7 – przewał, 8 – kierownica łopatkowa

odśrodkowa Pompa odśrodkowa z silnikiem elektrycznym: Wysokość podnoszenia: 5-4100 m; Wydajność: 10-7000 m3/h; Moc pompy:

do 18 MW; Sprawność pomp odśrodkowych: 0,65 - 0,89 Pompa helikoidalna - Wirnik umieszczony jest w spiralnym korpusie. Dopływ cieczy jest osiowy, zaś odpływ promieniowy. Przepływ cieczy przez wirnik jest ukośny. Pompa diagonalna - Wirnik umieszczony w osiowym korpusie . Dopływ i odpływ cieczy jest osiowy. Przepływ cieczy przez wirnik jest ukośny. Kierunek cieczy z ukośnego na osiowy zmieniany jest w kierownicy łopatkowej. Także w kierownicy część energii momentu pędu cieczy zamieniana jest na energię ciśnienia. Pompy diagonalne niemal wyłącznie pracują w pozycji pionowej. Pompa śmigłowa - śmigłowy wirnik (niekiedy z łopatkami o regulowanym nachyleniu) umieszczony jest w osiowym korpusie. Dopływ , odpływ oraz przepływ cieczy przez wirnik jest osiowy. Cieczy opuszczająca wirnik trafia do kierownicy łopatkowej gdzie jej moment pędu zamieniany jest w energię ciśnienia. Pompy śmigłowe pracują niemal wyłącznie w położeniu pionowym. Pompa wirowa krążeniowa – pompa wirowa w której uzyskano efekt samozasysania, to znaczy zdolność rozruchu bez konieczności zalania rurociągu ssawnego. Istnieje wiele różnych konstrukcji takich pomp. Należą do nich pompy z bocznymi kanałami pierścieniowymi, pompy peryferalne, pompy z wirującym pierścieniem wodnym i wiele innych. 1 – kadłub, 2 – wirnik, 3 – otwór ssawny, 4 – otwór tłoczny, 5 – pierścień wodny NAPĘDY HYDRAULICZNE Napędy hydrauliczne są to urządzenia służące do przekazywania energii mechanicznej z miejsca jej wytwarzania do urządzenia napędzanego. W napędach tych czynnikiem przenoszącym energię jest ciecz. Zasada działania napędu hydraulicznego jest oparta na prawie Pascala, dotyczącym równomiernego rozchodzenia się ciśnienia w cieczy. Podział: hydrostatyczne, których działanie opiera się na wykorzystaniu przede wszystkim energii ciśnienia cieczy; hydrokinetyczne, których działanie opiera się na wykorzystaniu energii kinetycznej cieczy. Zastosowanie: koparka kołowa, prasa hydrauliczna, podnośnik hydrauliczny Schemat napędu hydraulicznego: źr. en. mech (silnik) – pompa hydrauliczna – urządzenia sterujące (zawory) – silnik hydrauliczny lub siłownik – element napędzany Zasada działania napędu hydrostatycznego o ruchu postępowo-zwrotnym 1 - pompa, 2 - zbiornik cieczy roboczej, 3 - urządzenie sterujące, 4 - cylinder hydrauliczny o ruchu obrotowym 1 - pompa, 2 - zbiornik cieczy roboczej, 5 - silnik hydrauliczny o ruchu wahadłowym 1 - pompa, 2 - zbiornik cieczy roboczej, 3 - urządzenie sterujące, 4 - cylinder hydrauliczny Zalety napędów hydraulicznych: możliwość uzyskania bardzo dużych sił, przy małych wymiarach urządzeń, możliwość uzyskania bezstopniowej zmiany prędkości ruchu, możliwość użycia małych sił do sterowania pracą ciężkich maszyn,

możliwość zdalnego sterowania, możliwość zastosowania mechanizacji i automatyzacji ruchów, dużą trwałość elementów układów

hydraulicznych oraz łatwość ich wymiany. Wady napędów hydraulicznych: trudności związane z uszczelnieniem elementów ruchowych; wszelkie nieszczelności powodują przedostawanie się powietrza do obiegu, a to z kolei powoduje zakłócenia pracy układu oraz powodują wycieki cieczy roboczej, duże straty energii na pokonywanie oporów przepływu. Ciecz w hydrostatycznych układach napędowych powinno cechować: jak najmniejsza zmienność lepkości wraz ze zmianą temperatury, mała ściśliwość, a więc duży moduł sprężystości objętościowej, jak najwyższa temperatura zapłonu i jak najniższa temperatura krzepnięcia, duże ciepło właściwe, mała rozszerzalność temperaturowa, dobra przewodność cieplna, odporność, na pienienie się i utlenianie, dobre własności smarne,jednorodność struktury i trwałość chemiczna oraz obojętność chemiczna w czasie kontaktu z metalami i materiałami uszczelnień. Wielkości charakteryzujące silniki hydrauliczne: chłonność teoretyczna (idealna – bez przecieków) Qts [m3/s]; chłonność rzeczywista Qs [m3/s]; chłonność jednostkowa (geometryczna objętość robocza) qs [m3/obr]; sprawność objętościowa; różnica ciśnień na wejściu i wyjściu z silnika Dp [Pa]. Siłownik jednostronnego działania - suw roboczy odbywa się tylko w jednym kierunku dwustronnego działania - suwy robocze odbywają się w obu przeciwstawnych kierunkach Siłownik teleskopowy - siłownik hydrauliczny, w którym dzięki zastosowaniu teleskopowego tłoka uzyskano zwielokrotnienie zasięgu suwu roboczego. Elementy sterujące napędów hydraulicznych: zawory ciśnieniowe; bezpieczeństwa, przelewowe, redukcyjne, różnicowe zawory natężeniowe odcinające, zwrotne, dławiące, dwudrogowe Przykłady zaworów Zawór zwrotny kulkowy 1 - kulka, 7 - korpus zaworu Zawór odcinający igłowy 4 - iglica, 5 - trzpień, 6 - uszczelnienie, 7 - korpus zaworu Zawór bezpieczeństwa (kulkowy) 1 - kulka, 2 - sprężyna, 3 - wkręt regulacyjny, 4 - iglica, 5 - trzpień, 6 - uszczelnienie, 7 - korpus zaworu Zawór rozdzielczy – służy do zmiany drogi przepływającego czynnika. Stosowane są one np. w rozgałęzieniach przewodów S1, S2 - kanały łączące siłownik z zaworem rozdzielczym, P - kanał łączący pompę z zaworem rozdzielczym, Z1, Z2 - kanały między zaworem rozdzielczym i zbiornikiem cieczy roboczej Osprzęt pomocniczy w napędach hydraulicznych: filtry, akumulatory hydrauliczne, zbiorniki, chłodnice, przewody, złącza i uszczelnienia Sterowanie napędów hydrostatycznych: Jeżeli elementem wyjściowym napędu jest silnik, to parametrami regulowanymi są: prędkość obrotowa, moment obrotowy, moc W przypadku siłownika parametrami

regulowanymi są: prędkość liniowa, siła, moc Sterowanie prędkości obrotowej polega na zmianie: wydajności pompy Qv, zmianie oporów przepływu cieczy w instalacji, zmianie jednostkowej chłonności silnika (qs m3/obr), zmianie powierzchni czynnej tłoka (A m2) siłownika. Podstawowy napęd hydrauliczny ruchu postępowo-zwrotnego: 1 – zbiornik, 2 – pompa wyporowa, 3 – zawór bezpieczeństwa, 4 - zawór rozdzielczy, 5 – siłownik, 6 – filtr Schemat blokowy napędu hydrokinetycznego silnik - pompa wirowa-

element sterujący - turbina - element napędzany Sprzęgło hydrokinetyczne to sprzęgło, w którym ruch obrotowy z elementu czynnego do biernego jest przenoszony za pośrednictwem cieczy, przeważnie oleju, emulsji lub wody. Główne założenie polega na połączeniu w jednej obudowie pompy oraz napędzanego przez nią wirnika. Regulację prędkości obrotowej elementu biernego osiąga się poprzez zmianę ilości cieczy pośredniczącej lub odległości elementu biernego od czynnego, co wpływa na poślizg sprzęgła. Odbywa się to kosztem zmniejszenia sprawności układu napędowego. Przekładnia hydrokinetyczna to przekładnia hydrauliczna, w której wykorzystywana jest energia kinetyczna cieczy jako medium przekazującego energię z pompy (element czynny) do turbiny (element bierny). Pomiędzy pompą a turbiną znajduje się kierownica, zmieniająca parametry energetyczne cieczy. Cechą charakterystyczną przekładni hydrokinetycznej jest brak sztywnego połączenia, co pozwala na nawet znaczne przeciążanie przekładni, bez niebezpieczeństwa przeciążenia układu napędowego. Wadą tej przekładni jest stosunkowo niska sprawność. MECHANIZMY PNEUMATYCZNE Budowa: 1 - sprężarka (pompa), 2 - przewód, 3 - urządzenie rozdzielcze, 4 - urządzenie regulujące, 5 - urządze­nie kontrolujące, 6 - cylinder, 7 - tłok, 8 – sprężyna, 9 - tłoczysko, 10 - filtr odoliwiający, 11 - filtr powietrza dopływającego do pompy Właściwości czynnika roboczego: Czynnikiem roboczym w układach pneumatycznych jest sprężone powietrze. Zanim zostanie sprężone powietrze wykorzystane w układzie pneumatycznym musi być odpowiednio przygotowane: odoliwione z cząstek oleju pochodzących ze sprężarki, odwilżone, naoliwione innym olejem. Silniki pneumatyczne o ruchu obrotowym: silniki o ruchu obrotowym (wirnikowe), silniki o ruchu wahadłowym (wahadłowe), silniki krokowe.

Schematy silników pneumatycznych o ruchu obrotowym: Silnik zębaty 1 - wlot powietrza, 2 - wylot powietrza, 3 i 4 - koła zębate, 6 - koło łopatkowe, 9 – obudowa. Silnik łopatkowy 1 - wlot powietrza, 2 - wylot powietrza, 5 - wirnik, 7 - wałek napędzany, 8 - cylinder,

9 – obudowa Silnik przepływowy (turbinowy) 1 - wlot powietrza, 2 - wylot powietrza, 6 - koło łopatkowe, 7 - wałek napędzany, 9 – obudowa Zalety pneumatycznych silników obrotowych prostota konstrukcji, łatwość eksploatacji, możliwość osiągania dużej prędkości obrotowej, niewielka masa w stosunku do uzyskiwanej mocy. Wady pneumatycznych silników obrotowych zmienność prędkości obrotowej pod wpływem zmian obciążenia silnika, mała sprawność ogólna. Siłowniki pneumatyczne można podzielić na tłokowe, nurnikowe, membranowe, mieszkowe Urządzenia sterujące energią sprężonego powietrza w układach pneumatycznych Elementy sterujące przepływem i ciśnieniem powietrza w układach pneumatycznych można podzielić na: elementy sterujące kierunkiem przepływu powietrza (zawory rozdzielające, zawory zwrotne, zawory kolejności przepływu), elementy sterujące strumieniem przepływu powietrza (zawory dławiące), elementy sterujące ciśnieniem powietrza (zawory redukcyjne), elementy o specjalnym przeznaczeniu (zawory realizujące określone funkcje logiczne, zawory zabezpieczające). Przykłady podstawowych odmian zaworów rozdzielających Dwudrogowy dwupołożeniowy Trzydrogowy dwupołożeniowy Trzydrogowy trzypołożeniowy Zawór zwrotny służy do zapewnienia przepływu płynu tylko w jednym kierunku. Jest to zawór samoczynny. Idealny zawór zwrotny przechodzi od stanu zamknięcia do stanu otwarcia w zależności od znaku różnicy ciśnień po obu stronach zaworu. Zawór szybkiego spustu, dławiący Zawór redukcyjny 1 - wlot sprężonego powietrza, 2 - wylot powietrza zredukowanego, 3 - pokrętło regulacyjne, 4 - sprężyna, 5 - popychacz, 6 - grzybek,

7 - gniazdo uszczel­niające, 8 - membrana, 9 - otwór spustowy Urządzenia pneumatyczne uderzeniowe należą do grup urządzeń w których odbywa się przekształcenie jednego rodzaju energii w inny w celu otrzymania energii sprężonego powietrza lub pracy mechanicznej. W przypadku gdy siła w tłoczysku ma działać w sposób udarowy stosuje się pneumatyczne siłowniki udarowe. Energia sprężonego powietrze przekształcana jest w energię kinetyczną elementu uderzającego a następnie energia kinetyczna zostaje przekształcona w pracę mechaniczną w postaci uderzenia. Napęd młotka pneumatycznego bez mechanizmu rozrządu stosuje się gdy jest potrzeba dużej częstotliwości uderzeń ok.. 6000 na minutę przy małej ich sile. 1 - kanał zasilający, 2 i 3 - kanały łącznikowe, 4 i 5 - kanały wylotowe do atmosfery Zastosowanie mechanizmów pneumatycznych: mechanizmy o ruchu prostoliniowym (przenośniki, podajniki i podnośniki maszyn roboczych), mechanizmy o ruchu obrotowym (wrzeciona szybkoobrotowych obrabiarek, ręczne narzędzia pneumatyczne itd.),urządzenia pneumatyczne uderzeniowe (kafary powietrzne, młotki pneumatyczne, prasy, niciarki itp.), urządzenia o ruchu oscylacyjnym (podajniki wibracyjne, głowice do dogładzania), ruchome elementy uchwytów i zacisków przyrządów obrabiarek.

Narzędzia pneumatyczne: klucz udarowy, szlifierka trzpieniowa, młot i wiertarka pneumatyczna TERMODYNAMIKA Parametry stanu czynnika termodynamicznego Objętość właściwa (lub gęstość): v [kg/m3]; Ciśnienie: p [Pa]; Temperatura: T [K]; Każda zmiana wartości jednego z tych parametrów pociąga za sobą zmianę pozostałych Rodzaje układów termodynamicznych układ otwarty - oprócz wymiany energii, może też wymieniać z otoczeniem lub innym układem czynnik termodynamiczny (masę) układ zamknięty – pomiędzy otoczeniem lub innym układem może zachodzić tylko oddziaływanie energetyczne. tzn. w formie pracy lub ciepła Praca jest formą wymiany energii i daje się przedstawić jako efekt działania siły wzdłuż pewnej drogi: Praca dodatnia: L=F*x Praca ujemna: L=-F*x Jednostka: [J=N⋅m] Typowym w technice cieplnej przykładem wykonywania pracy jest oddziaływanie czynnika termodynamicznego (np. gazu zamkniętego w cylindrze) na tłok. Podobnie jak praca, ciepło nie jest postacią energii, lecz formą jej przekazywania. Ciepłem właściwym danego ciała nazywa się tę ilość ciepła, którą trzeba zużyć, aby ogrzać jednostkową masę danego ciała (masę 1 kg) o 1 K. Ogrzewanie lub oziębianie danego ciała może odbywać się: o stałej objętości: cv pod stałym ciśnieniem: cp Ciepła właściwe cp wybranych substancji [J/(kg⋅K)]: Woda: 4222 Olej hydrauliczny: 1885 Miedź:386 Powietrze:1005 Olej lniany:1840 Równoważność ciepła i pracy jeżeli do dowolnego układu zostanie doprowadzona pracą L i jako jedyny tego skutek wytworzy się ciepło, to wywiązanie ciepło Q jest równoważne włożonej pracy L=Q Energia wewnętrzna całkowita energia E dowolnego układu termodynamicznego jest sumą:energii kinetycznej Ek układu jako całości;

energii potencjalnej układu Ep uwarunkowanej istnieniem zewnętrznego pola sił; oraz energii wewnętrznej U układu. E=Ek+Ep+U [J]

Czynnik zawarty w układzie termodynamicznym jest zbiorem cząsteczek i atomów mających własną energię. Energia wewnętrzna układu jest sumą wszystkich rodzajów energii, jaką mają cząsteczki czynnika termodynamicznego. Składają się więc na nią takie rodzaje energii, jak: kinetyczna, chemiczna, jądrowa, sprężystości itd.. Energia wewnętrzna U nie zależy od ruchu układu jako całości ani od istnienia zewnętrznych pól siłowych. Zmiana wartości energii wewnętrznej układu następuje na skutek zmiany parametrów jego stanu, tzn. objętości, ciśnienia i temperatury. Ponieważ energia wewnętrzna zależy tylko od stanu układu, więc również jest parametrem stanu.

Energię wewnętrzną jednostki masy (1 kg) nazywa się energię wewnętrzną właściwą i wyznacza wg: u=U/m [J/kg] Energia wewnętrzna gazu zależy tylko od jego temperatury. Jest to znane pod prawem Joule'a-Thompsona. Prawo Boyle'a i Mariotte'a W stałej temperaturze ciśnienie gazu doskonałego p zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do zmiany jego objętości właściwej v V1/V2=P1/P2 V1* P1= V2*P2= const. W stałej temperaturze iloczyn ciśnienia bezwzględnego i objętości stałej ilości gazu doskonałego jest wielkością stałą p*V=const.

Prawo Gay-Lussaca Przy stałem ciśnieniu temperatura gazu doskonałego T zmienia się proporcjonalnie do zmiany jego objętości właściwej v V1/V2=T1/T2 V1/T1=V2/T2=const. Przy stałym ciśnieniu stosunek objętości tej samej masy gazu do jego temperatury bezwzględnej jest stały V/T=const. Prawo Charlesa Przy stałej objętości właściwej temperatura gazu doskonałego T zmienia się proporcjonalnie do zmiany jego ciśnienia p P1/P2=T1/T2 P1/T1=P2/T2=const. Przy stałej objętości właściwej stosunek ciśnienia samej masy gazu do jego temperatury bezwzględnej jest stały p/T=const. Równanie stanu gazu doskonałego Na podstawie prawa Boyle'a i Mariotte' a oraz Gay-Lussaca można określić ogólną zależność między trzema parametrami termodynamicznymi gazu doskonałego:

ciśnieniem (p), objętością właściwą (v) i temperaturą (T) (p*v)/T=const=R W przypadku gdy ilość rozpatrywanego gazu wynosi m kg

(p*V)/T=const=m*R Stałą wielkość oznaczoną symbolem R i mającą wymiar J/(kg*K) nazwano indywidualną stałą gazową. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego gazu. Pierwsza zasada termodynamiki Między układem termodynamicznym a otoczeniem energia może być wymieniana w postaci ciepła lub w postaci pracy Jeżeli układ zamknięty nie zmienia w tym czasie swojej energii kinetycznej ani energii położenia, to wynikiem oddziaływania energetycznego będzie tylko zmiana jego energii wewnętrznej Q=deltaU*R Ciepło doprowadzone do czynnika jest równe sumie przyrostu energii wewnętrznej czynnika i bezwzględnej pracy zewnętrznej, którą czynnik wykonał. Praca techniczna Pracę techniczną układu stanowi suma algebraiczna wszystkich prac absolutnych wykonywanych przez ten układ i oznaczono Lt Praca techniczna uwzględnia nie tylko pracę wykonaną przez czynnik w czasie samej przemiany (np. rozprężania), ale również pracę związaną z przepływem czynnika przez układ. Entropia Oprócz poznanych już parametrów charakteryzujących jednoznacznie stan czynnika (ciśnienie, objętość lub objętość właściwa, temperatura, energia wewnętrzna), w teorii maszyn cieplnych stosowany jest jeszcze jeden istotny parametr, a mianowicie entropia Nie można też obliczyć wartości bezwzględnej entropii, lecz jedynie jej przyrost wywołany zmianą stanu czynnika Elementarny (nieskończenie mały) przyrost entropii dS ciała obliczamy dzieląc elementarną ilość ciepła dQ, którą pochłonęło to ciało w dowolnym procesie, przez temperaturę bezwzględną T, jaką miało to ciało w chwili pochłaniania tego ciepła. Charakterystyczne przemiany gazów doskonałych Wszelka ciągła zmiana, jakiej podlega czynnik termodynamiczny pod wpływem doprowadzenia lub odprowadzenia ciepła (doprowadzenia lub odprowadzenia pracy), nazywa się przemianą. Zależnie od sposobu doprowadzenia lub odprowadzenia ciepła oraz pracy można wywołać wiele różnych przemian.

Spośród nich duże znaczenie i zastosowanie w technice znalazły przemiany politropowe, to jest takie, podczas których ciepło właściwe czynnika nie ulega zmianie. Do przemian politropowych zaliczamy takie przemiany charakterystyczne, jak: przemiana izochoryczna (V=const), izotermiczna (T=const), izobaryczna (p=const),adiabatyczna (Q=const). Przemiana izochoryczna Jest to przemiana, podczas której objętość właściwa czynnika (gazu) jest stała (v=const) Krzywa nazywa się izochorą. Przemiana izobaryczna Podczas tej przemiany ciśnienie gazu zachowuje stałą wartość (p = const) Krzywa nazywa się izobarą. Przemiana izotermiczna Jest to przemiana zachodząca w stałej temperaturze (T=const) Krzywa nazywa się izotermą. Obiegi termodynamiczne Obiegiem lub cyklem termodynamicznym nazywamy szereg następujących po sobie przemian, podczas których ciepło jest doprowadzane i odprowadzane oraz praca jest wykonywana i oddawana, a ich wartości są tak dobrane, że ostatecznie czynnik wraca do stanu wyjściowego. Obiegiem odwracalnym nazywamy taki obieg, w którym wszystkie przemiany są odwracalne. Jeżeli w obiegu chociaż jedna przemiana jest nieodwracalna, to cały obieg również jest nieodwracalny Silniki cieplne Układ fizyczny (urządzenie), które w pewnych warunkach może w sposób ciągły zmienić część ciepła na pracę, nazywa się silnikiem cieplnym. W silniku cieplnym czynnik termodynamiczny (gaz lub para) podlega obiegowi. W wyniku kolejnych przemian sprężania i rozprężania czynnik ten wykonuje pracę. Podczas tych przemian czerpie on ciepło ze źródła zwanego górnym (komora spalania, grzejnica)i następnie część ciepła oddaje do źródła zwanego dolnym(skraplacz, chłodnica, atmosfera).

Silniki cieplne mogą być odwracalne i nieodwracalne. W silniku odwracalnym obieg jest odwracalny, tzn. może się odbywać zarówno w przód (zmieniając ciepło na pracę), jak i wstecz (zmieniając uprzednio wykonaną pracę na ciepło i zwracając je do źródła). Silniki, które nie spełniają tych warunków, nazywamy silnikami nieodwracalnymi. Sprawność silnika W silnikach cieplnych rzeczywistych wskutek istnienia przemian nieodwracalnych, spowodowanych tarciem oraz stratami ciepła całe ciepło nie jest zamieniane na pracę. Z tego powodu wprowadzono pojęcie sprawności urządzenia. Sprawność silnika cieplnego nazywamy stosunek ilości ciepła zamienionego na pracę do ilości ciepła pobranego ze źródła górnego: nt=(q1-q2)/q1=1-q2/q1 gdzie: Q1 - całkowita ilość ciepła pobranego ze źródła górnego, Q2 - ciepło oddane do źródła dolnego. Siłownia cieplne Zadaniem siłowni cieplnej jest przetwarzanie energii cieplnej, pochodzącej z energii chemicznej paliwa, na energię mechaniczną (w silniku cieplnym). Najczęściej energia mechaniczna jest następnie przetwarzana na energię elektryczną (w prądnicy). Wtedy siłownia cieplna nazywa się elektrownią cieplną. Jeżeli elektrownia, oprócz energii elektrycznej, dostarcza również ciepła do procesów technologicznych lub do ogrzewania, to nazywa się elektrociepłownią. Paliwa Podstawowym źródłem energii są paliwa. Paliwami nazywamy substancje, których cechą charakterystyczną jest zdolność do szybkiego łączenia się z tlenem. Ciepło wytwarzane drogą spalania paliw jest wykorzystywane zarówno w życiu codziennym, jak i do celów przemysłowych.

Dobre paliwo powinno spalać się intensywnie z jednoczesnym wydzielaniem dużej ilości ciepła. Produkty spalania paliw nie powinny wpływać niszcząco na środowisko naturalne. Spośród różnych paliw największe zastosowanie mają paliwa naturalne, a zwłaszcza węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny. Ciepło spalania i wartość opałowa Ciepło spalania Wt jest to ilość ciepła, która się wyzwala po spaleniu zupełnym i całkowitym jednostki masy (np. 1 kg) paliwa, po ochłodzeniu produktów spalania do temperatury początkowej paliwa i skropleniu pary wodnej. Wartość opałowa Wu jest to ciepło spalania pomniejszone o ciepło parowania pary wodnej zawartej w spalinach. Straty spalania strata odlotowa, zwana też kominową, strata niezupełnego i niecałkowitego spalania, straty promieniowania Typowe przypadki wymiany ciepła Wymianę ciepła w obszarze ciała jednorodnego - stałego, ciekłego lub gazowego (przewodzenie).Wymianę ciepła pomiędzy dwoma ciałami stykającymi się bezpośrednio ze sobą. W tym przypadku oba ciała mogą być ciałami stałymi lub jedno z nich jest ciałem stałym, a drugie cieczą lub gazem (przejmowania ciepła). Wymianę ciepła między dwoma ciałami oddalonymi od siebie. Mogą to być dwa ciała stałe, między którymi znajduje się próżnia, albo oba ciała mogą być płynami (ciecz lub gaz), a między nimi znajduje się ściana z ciała stałego (przenikania ciepła lub promieniowania ).Natężenie strumienia cieplnego Ilość ciepła, która podlega wymianie, określa się za pomocą pojęcia natężenia strumienia cieplnego. Natężenie strumienia cieplnego q jest to ilość ciepła przepływająca przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu. Promieniowanie cieplne jest to zjawisko polegające na wymianie energii cieplnej za pośrednictwem fal elektromagnetycznych. Wymiana ciepła między oddalonymi od siebie ciałami następuje w drodze promieniowania, pod warunkiem jednak, że środowisko rozdzielające te ciała jest przenikalne dla promieniowania cieplnego. Wyemitowana przez dowolne ciało energia cieplna przyjmuje postać fal elektromagnetycznych, które padając na inne ciało mogą zostać przez nie pochłonięte, przepuszczone lub odbite. Wymienniki ciepła Wymienniki bezpośrednie - czynnik o wyższej temperaturze miesza się bezpośrednio z czynnikiem o temperaturze niższej. Następuje bezpośrednia wymiana ciepła między czynnikami. Wymienniki pośrednie - czynniki wymieniające ciepło nie stykają się ze sobą

Gęstość Ciężar właściwy Objętość właściwa Ciśnienie

Równowaga cieczy F – siła nacisku N

pb - ciśnienie atmosferyczne działające na powierzchnię A – pole pow. m2

y - ciężar właściwy cieczy w N/m3

h - głębokość zanurzenia danego punktu cieczy pod jej zwierciadłem w m

Napór hydrostatyczny

Napór cieczy na płaską ścianę Liczba Reynoldsa

v – prędkość cieczy

n - lepkość cieczy

d – parametr określający wymiary przewodu

Strumień objętości

Qv = A ⋅ v [m3/s] A- przekrój poprzeczny strugi[m2],

Strumień masy v - średnia prędkość przepływu w danym przekroju strugi w [m/s],

Qm = ρ ⋅ A ⋅ v [kg/s] ρ - gęstość cieczy [kg/m3]

Prawo Bernoulliego wysokość ciśnienia w [m],

h - wysokość położenia w [m],

p - ciśnienie w [Pa],

v - prędkość w danym punkcie strugi w [m/s],

g – ciężar właściwy [N/m3] wysokość prędkości w [m]

g - przyspieszenie ziemskie w [m/s2]

Wysokość podnoszenia

k - współczynnik doświadczalny bezwymiarowy,

g - przyspieszenie ziemskie w [m/s2],

u2 – prędkość unoszenia wirnika [m/s]

Moc pompy wirowej Sprawność objętościowa

Prędkość obrotową silnika hydraulicznego

Qs - chłonność silnika [m3/s],

qs - chłonność jednostkowa silnika w [m3/obr],

ηVs - sprawność objętościowa silnika.

prędkość przesuwu tłoka i tłoczyska względem cylindra

A - powierzchnia czynna tłoka [m2],

ηVs - sprawność objętościowa siłownika

moc użyteczna Przełożenie dynamiczne

M1 - moment obrotowy na wale wejściowym,

M2 - moment obrotowy na wale wyjściowym.

Przełożenie kinematyczne

n1 - prędkość obrotowa wału wejściowego,

n2 - prędkość obrotowa wału wyjściowego

Przekładnia falowa – przekładnia mechaniczna, w której przekazywanie napędu odbywa się przez przesuwanie się fali odkształcenia podatnego wieńca.

Przekładnia składa się z trzech podstawowych elementów:

Turbina wodna (turbina hydrauliczna) - silnik wodny przetwarzający energię mechaniczną wody na ruch obrotowy za pomocą wirnika z łopatkami. Stosowana głównie w elektrowniach wodnych do napędu prądnic. Zalicza się do: silników hydrokinetycznych; silników przepływowych.

Turbiny wodne dzielimy na:

Turbina akcyjna jest turbiną o małej reakcyjności. Dla turbiny czysto akcyjnej reakcyjność (stopień reakcyjności) ρ wynosi 0, w rzeczywistości jej wartość zawiera się w zakresie od 0.05 do 0.2, dzięki czemu uzyskiwany jest nieznaczny wzrost sprawności.

Turbina reakcyjna jest turbiną o stosunkowo dużej reakcyjności. Dla przypadku akademickiego reakcyjność (stopień reakcyjności) ρ wynosi 0.5, w rzeczywistości jej wartość zawiera się w zakresie od 0.3 do 0.7.

Turbina Peltona (1880) jest rozwinięciem “koła natryskowego”, w którym łopatki są ustawione pod kątem 90 stopnii do strumienia wody, a protoplastą dla obydwu jest koło młyńskie.

Turbiny systemu Peltona stosuje się dla spadków H>500 m, w wyjątkowych wypadkach uzasadnionych konstrukcyjnie zamiast turbin Francisa od H=100m (w pewnych warunkach dla turbin Francisa dla wyróżników szybkobieżności 2-40 wychodzą bardzo długie kanały dolotowe i duże straty; wtedy uzasadnione jest zastosowanie t. Peltona).

W turbinie Peltona dla zwiększenia sprawności stosuje się zamiast prostych łopatek specjalnie wyprofilowane łopatki na kształt dwóch połączonych czarek (dwie półkoliste sfery), na których strumień wody dużo łagodniej zmienia kierunek. Turbiny Peltona buduje się z wałami poziomymi i pionowymi. Przy wałach poziomych stosuje się max. dwie dysze wylotowe (przy większej ilości ze względu na zderzanie się strumieni z poprzedzającej dyszy moc maleje) a przy wałach pionowych do 6 dysz.

Turbina Kaplana – turbina wodna skonstruowana w 1921 przez Viktora Kaplana.

Turbina Kaplana to odmiana turbiny śmigłowej, czyli takiej której łopatki mają kształt podobny do śrub okrętowych. Jej odmienność polega na możliwości zmiany kąta łopat w czasie pracy, a w efekcie także regulację otrzymywanej mocy i dużo większy zakres wysokich sprawności. Liczba łopat wirnika wynosi od 3 do 10. Turbina ta stosowana jest przy spadach od 1,5 do 80 m – przy większych spadach wykazuje ona mniejszą odporność na kawitację. Maksymalna moc pojedynczej turbiny (dane na 1995) to 130 MW.

Turbina Francisa — turbina wodna opracowana przez Jamesa Francisa. W turbinie Francisa woda ze zbiornika górnego wpływa całym obwodem na łopatki kierownicze i wówczas przyspiesza, a następnie zasila wirnik roboczy. Po przepłynięciu kanałami między łopatkami w kształcie dyszwoda z dużą prędkością opuszcza wirnik i wchodzi do rury ssawnej. Temu procesowi towarzyszy reakcja hydrodynamiczna, która wprowadza wirnik w ruch w kierunku przeciwnym do wylotu wody.

Turbina Francisa, jest turbiną reakcyjną, co oznacza, że płyn roboczy podczas przepływu przez to urządzenie się rozpręża. Potencjalna energia płynu zostaje przekształcona w kinetyczną energię obracającego się wirnika. Turbina znajduje się między zbiornikiem płynu o wyższym ciśnieniu (wyższy poziom cieczy) i zbiornikiem zawierającym płyn o niższym ciśnieniu (niższy poziom cieczy). Źródłem różnicy ciśnień jest w przypadku hydroelektrownisiła ciążenia.

Przewód dostarczający ciecz roboczą ma kształt spirali. Poruszający się płyn przemieszcza się po coraz mniejszym promieniu, co zgodne z zasadą zachowania momentu pędu prowadzi do wzrostu prędkości obrotowej. Podobnie dzieje się gdy kręcący się łyżwiarz składa szeroko rozłożone ręce, co znacznie zwiększa jego obroty. Łopatki kierujące prowadzą płyn stycznie do kierunku rotacji wprost na łopatki wirnika. Kąt ustawienia łopatek może być regulowany, co pozwala na zapewnienie optymalnej pracy w szerokim zakresie różnicy ciśnień. Łopatki wirnika nie są ruchome.

Turbina Banki-Michella jest akcyjną turbiną przepływową z szerokim strumieniem wody o przekroju prostokątnym, który przepływa dwukrotnie przez palisadę łopatkową wirnika (rys. 1). Wirnik zasilany jest poprzez odpowiednio wyprofilowaną 1-łopatkową kierownicę. W części konstrukcji turbin wprowadzono podział wirnika i kierownicy na dwie części wąską w proporcji 1/3 długości i szeroką w proporcji 2/3 długości. Poprzez ten podział dostosowano turbiny do trzech różnych natężeń przepływu. Turbiny są turbinami stosowanymi na spady od 2 do 50 m i używa się ich w małych elektrowniach wodnych

Kawitacja jest zjawiskiem polegającym na gwałtownej przemianie fazowej z fazy ciekłej w fazę gazową pod wpływem zmniejszeniaciśnienia. Jeżeli ciecz gwałtownie przyśpiesza zgodnie z zasadą zachowania energii, ciśnienie statyczne cieczy musi zmaleć. Dzieje się tak np. w wąskim otworze przelotowym zaworu albo na powierzchni śruby napędowej statku.

Objętość (pojemność) skokowa – różnica pomiędzy minimalną a maksymalną objętością cylindra. Dla wielocylindrowych silników spalinowychpodaje się łączną objętość wszystkich cylindrów, w których następuje spalanie. Jej wartość podawana jest w centymetrach sześciennych, czasem oznaczanych skrótem ccm od ang. cubic centimeter.

Do obliczeń: jest to objętość utworzona w cylindrze (cylindrach) pomiędzy zewnętrznym (górnym) skrajnym położeniem i wewnętrznym (dolnym) skrajnym położeniem tłoka (tłoków):

Gdzie:


Wyszukiwarka