Wydział Mechaniczno - Energetyczny

Mechanika i Budowa Maszyn

Inżynieria Cieplna i Procesowa

MASZYNY
WYPOROWE PROJEKT

AUTOR:

Jakub Kaczmarek 187165

PROWADZĄCY:

Dr inż. Piotr Kolasiński

1. Wstęp

1.1. Historia Maszyny

Rozwój silnika pneumatycznego nastąpił w XIX wieku m.in. za sprawą prac konstrukcyjnych i pomysłów Ludwika Mękarskiego. W 1988 roku Dennis Lee twierdził w swoich materiałach reklamowych, że dysponuje wydajnym silnikiem pneumatycznym. W 1991 r. Guy Nègre wynalazł silnik z podwójnym zasilaniem. Mógł on działać zarówno na sprężone powietrze, jak i na zwykłe paliwo. Przez 15 lat badań dokonał się rozwój. Propagatorzy twierdzą, że silniki pneumatyczne są konkurencyjne w stosunku do współczesnych silników spalinowych oraz, że zastosowanie silnika pneumatycznego np. w samochodzie czyni samochód lżejszym. Konstruktorzy pracujący nad rozwojem tych silników doprowadzili je do etapu dostępności marketingowej poprzez swoje firmy: Guy Nègre - MDI, Armando Regusci - RegusciAir, Angelo Di Pietro - EngineAir, Chul-Seung Cho - Energine. Jednym z ostatnich osiągnięć w dziedzinie wykorzystania sprężonego powietrza do napędu silników jest konstrukcja francuskiego inżyniera Guy Nègre. Podobne rozwiązania są rozwijane przez urugwajskiego inżyniera Armando Regusci, Australijczyka Angelo Di Pietro oraz Koreańczyka Chul-Seung Cho.

1.2. Zastosowania

Napęd pneumatyczny, który powstaje w efekcie pracy wirnika, jest rzadziej stosowany w porównaniu z napędem uzyskiwanym z pracy siłowników pneumatycznych. Jednak wiele maszyn przemysłowych nie obejdzie się bez ruchu obrotowego. Są to przede wszystkim uchwyty oraz przyrządy montażowe i obróbkowe. Silniki pneumatyczne stanowią nieodzowny element narzędzi pneumatycznych, takich jak wiertarki, klucze, wkrętaki itp. Najczęściej stosowana klasyfikacja silników pneumatycznych dzieli je pod względem rodzaju realizowanego ruchu. Stąd też silniki pneumatyczne można nabyć jako modele wykonujące ruch obrotowy lub wahadłowy. Niejednokrotnie uwzględnia się również silniki krokowe. Silniki wykonane ze stali nierdzewnej uwzględnia się w przemyśle spożywczym i chemicznym, a także w innych miejscach, gdzie jest wymagana odporność na agresywne środki czyszczące lub powietrze zawierające substancje powodujące korozję. W napędach tego typu elementy zewnętrze są wykonane ze stali szlachetnej. Niektóre modele przewidują uszczelki, dzięki którym zapobiega się wnikaniu do silnika wody lub zanieczyszczeń. Niejednokrotnie są uwzględniane podwójne uszczelnienia wału. Wybrać można modele wymagające smarowania lub nie. Na rynku nie brakuje również napędów pneumatycznych, które mogą pracować w strefach zagrożonych wybuchem.

1.3. Konstrukcje (przegląd 3 konstrukcji)

Typowy silnik łopatkowy składa się z cylindra, wirnika z łopatkami prowadzonymi w szczelinach wzdłużnych, przedniej pokrywy cylindra z łożyskiem wirnika oraz tylnej pokrywy cylindra z łożyskiem wirnika. Wirnik umieszczony jest mimośrodowo w stosunku do osi cylindra, co powoduje, że pomiędzy ścianką wewnętrzną cylindra, łopatkami oraz wirnikiem powstają zmiennej wielkości komory robocze. Sprężone powietrze dostaje się do silnika pomiędzy dwie sąsiednie łopatki. Wskutek różnicy ciśnień przed i za łopatką wirnik zostaje wprowadzony w ruch obrotowy. Powietrze, które znajduje się pomiędzy łopatkami, ulega rozprężaniu (ekspansji) wskutek powiększania się przestrzeni między tymi łopatkami w czasie obrotu wirnika. Ciśnienie przy tym zmniejsza się, ale w dalszym ciągu różnica sił jest stała, gdyż wskutek obrotu wirnika powierzchnia łopatki poprzedzającej jest większa niż łopatki następnej w komorze roboczej. Rozprężanie to występuje do momentu osiągnięcia przez łopatkę otworów wylotowych połączonych z atmosferą. Siła powodująca obrót wirnika (wynikająca z ciśnienia w komorze wlotowej), działa teraz na kolejną łopatkę. Podczas pracy silnika łopatki dociskane są do powierzchni wewnętrznej cylindra siłą odśrodkową, zapewniając w ten sposób efektywne uszczelnienie pomiędzy poszczególnymi komorami roboczymi. Przy rozruchu oraz przy małej prędkości obrotowej część powietrza, poprzez wyfrezowania w kształcie nerek w pokrywie silnika, doprowadzona jest pod łopatki dociskając je do powierzchni cylindra. Stały docisk łopatek do powierzchni cylindra jest istotnym czynnikiem mającym wpływ na sprawność i moc silnika pneumatycznego (rzadziej stosuje się sprężyny jako elementy wymuszające docisk łopatki do cylindra). Silniki tego typu osiągają na biegu luzem obroty rzędu kilku tysięcy do kilkudziesięciu tysięcy na minutę, zależnie od wielkości i konstrukcji silnika. Przy takiej prędkości obrotowej ciśnienie dociskające łopatki do ścianki cylindra nie może być zbyt wysokie, gdyż powoduje nadmierne zużycie ścierne elementów. Stopień zużycia jest funkcją trzeciej potęgi prędkości poślizgowej między krawędzią łopatki i ścianką cylindra – w praktyce wyznacza to maksymalną prędkość obrotową. W utrzymaniu odpowiedniej siły odśrodkowej docisku w silnikach szybkoobrotowych pomocne jest stosowanie dłuższych i cieńszych łopatek. Liczba łopatek w silniku, która waha się od 3 do10 (praktycznie 3 do 7), jest ważnym kryterium konstrukcyjnym. Ogólnie można powiedzieć, że im mniej łopatek, tym mniejsze straty tarcia, ale jednocześnie gorszy rozruch silnika. Większa liczba łopatek łagodzi wprawdzie moment rozruchu i obniża „przecieki wewnętrzne”, powoduje jednak większe tarcie. Styczne „ułożenie” łopatek (w stosunku do gładzi cylindra) umożliwia zastosowanie łopatek wyższych, a tym samym zwiększa się ich okres użytkowania. Specjalna obróbka cieplno-chemiczna powierzchni wewnętrznych cylindra w silnikach pozwala również na zwiększenie trwałości i żywotności łopatek. Ogólnie przyjmuje się, że przy prędkości obwodowej łopatki mniejszej od 20 m/s, łopatka może być niesmarowana, natomiast przy większej niż 25 m/s warunki smarowania (podane na ogół w instrukcji obsługi narzędzia) muszą być bezwzględnie dotrzymane. Obszar leżący między prędkościami 20 i 25 m/s uznaje się za przejściowy, w którym wymagania dotyczące smarowania zależą od charakteru pracy narzędzia i otoczenia.

LZL05 M: Łopatkowy silnik pneumatyczny z napędem bezpośrednim

LZL05 M to dwukierunkowy silnik pneumatyczny niewymagający smarowania, który charakteryzuje się całkowicie niezawodną pracą przy bardzo niskiej i średniej prędkości obrotowej. Brak układu smarowania zapewnia większą czystość i brak rozpylanych cząstek, które mogłyby się osadzać na elementach napędzanego urządzenia. Silniki tego typu idealnie nadają się m.in. do zastosowań związanych z mieszaniem substancji.

Dane techniczne
Typ wału
Masa
Kierunek obrotów
Typ łopatkowy
Materiał, części zewnętrzne
Wbudowany hamulec
Moc przy 3000 obr./min
Moment obrotowy przy 3000 obr./min
Moment obrotowy zatrzymania
Maks. dopuszczalna prędkość
Zapotrzebowanie na powietrze przy prędkości 3000 obr./min

LZB14 A007-12: Łopatkowy silnik pneumatyczny z wbudowaną przekładnią planetarną

LZB14 A007-12 jest jednokierunkowym silnikiem pneumatycznym o prawostronnej rotacji, wyposażonym w gwintowany wałek. Charakteryzuje się kompaktową budową i bardzo wysokim współczynnikiem mocy do masy. Idealnie nadaje się do urządzeń podręcznych oraz do maszyn przemysłowych.

Dane techniczne
Maks. moc wyjściowa
ATEX
Min. moment rozruchowy
Prędkość swobodna
Typ wału
Prędkość przy maks. mocy wyjściowej
Moment obrotowy przy maks. mocy wyjściowej
Zapotrzebowanie na powietrze przy wydajności maks.
Masa
Kierunek obrotów
Typ łopatkowy
Materiał, części zewnętrzne

LZL05R SL-IEC: Łopatkowy silnik pneumatyczny z napędem bezpośrednim

Dane techniczne
Typ wału
Masa
Kierunek obrotów
Typ łopatkowy
Materiał, części zewnętrzne
Wbudowany hamulec
Moc przy 3000 obr./min
Moment obrotowy przy 3000 obr./min
Moment obrotowy zatrzymania
Maks. dopuszczalna prędkość
Zapotrzebowanie na powietrze przy prędkości 3000 obr./min

1.4. Algorytm projektu

Oznaczenia:

R – promień cylindra [m]

e – mimośrodowość [m]

L – długość tłoka

Z – ilość łopatek

β – kąt między dwoma sąsiednimi łopatkami [grd]

s – grubość łopatki [m]

h – wysokość łopatki [m]

ψ – kąt pochylenia łopatki [grd]

n – prędkość obrotowa [1/min]

δ_1 − 4 – kąt określający położenie krawędzi (początku/końca ssania, początku/końca wytłaczania)

Lp.		Wzór	Uwagi
1	Chwilowa objętość komory (między sąsiednimi łopatkami)	$$V_{\varphi} = \pi\left( \rho^{2} - r^{2} \right)L \bullet \frac{\beta}{360}$$
2	Teoretyczna wydajność (ilość gazu zassanego)	Vt = c • R • e • L • n	Dla z = 4 c = 11,8
3	Rzeczywista wydajność (dla warunków ssania)	Vrz = Vt • λ
4	Współczynnik wydatku (dostarczania)	$$\lambda = \frac{V_{\text{rz}}}{V_{t}} \approx 1 - a\frac{P_{2}}{P_{1}}$$	a = 0,1
5	Teoretyczna optymalna ilość łopatek	$$Z_{\text{opt.}} = \pi\left\lbrack \frac{R}{3 \bullet s}\left( 1 + 2\frac{e}{R} \right) \right\rbrack^{1/3}$$
6	Zapotrzebowanie mocy przy przemianie izotermicznej	$$N_{\text{iz}} = \frac{V_{\text{rz}} \bullet P_{1} \bullet \ln_{P_{2}/P_{1}}}{60 \bullet 1000}$$
7	Zapotrzebowanie mocy przy przemianie adiabatycznej	$$N_{\text{ad}} = \frac{H}{H - 1} \bullet P_{1} \bullet V_{\text{rz}} \bullet \left\lbrack \left( \frac{P_{2}}{P_{1}} \right)^{\frac{H - 1}{H}} \right\rbrack\frac{1}{60 \bullet 1000}$$
8	Moc indykowana	Ni ≈ 1, 05Nad
9	Moc doprowadzona na wał maszyny rzeczywistej	$$N_{e} = \frac{N_{\text{iz}}}{\eta_{\text{iz}}} = \frac{V_{\text{rz}} \bullet P_{1} \bullet \ln_{P_{2}/P_{1}}}{60 \bullet 1000 \bullet \eta_{\text{iz}}}$$
10	Sprawności	$$\eta_{\text{iz} - i} = \frac{\eta_{\text{iz}}}{\eta_{i}} \cong 0,955\frac{\eta_{\text{iz}}}{\eta_{\text{ad}}}$$ $$\eta_{m} = \frac{\eta_{i}}{\eta_{e}}$$ $$\eta_{\text{iz} - e} = \frac{\eta_{\text{iz}}}{\eta_{e}}$$