RODZAJE SILNIKÓW

Wykonał:

Karol Rzepka

Klasa: 1TI

SILNIK

Jest to urządzenie zamieniające ciepło, energię elektryczną albo mechaniczna na pracę o formie dogodnej do napędzania maszyn oraz urządzeń przem. (np. prądnic elektr., pomp, obrabiarek, dźwignic), roln. (np. kombajnów, młynów) la także komunikacyjnych. (np. samochodów, samolotów, statków, autobusów).

Aby silnik działał jest potrzebny ciągły dopływ energii, np. elektrycznej (silnik elektryczny), mechanicznej (silnik wiatrowy, wodny), ciepła (silnik spalinowy, parowy). Energia mech. produkowana przez silnik jest następnie przenoszona do maszyny napędzanej za pomocą fragmentów ruchomych silnika (np. przy użyciu wirującego wału) lub sam silnik wywołuje nacisk na maszynę napędzaną (np. silnik odrzutowy, silnik elektryczny liniowy). Silnik cechuje: moc, sprawność, prędkość obrotowa wału, moment obrotowy, siła ciągu itp. Pierwszym skonstruowanym silnikiem było koło wodne wykorzystywane już w I w. p.n.e. w Azji Mniejszej. Natomiast pierwszą działającą maszynę parową skonstruowali w 1705 T. Newcomen i J. Cowley, 1711 podłączyli ją do pompowania wody w kopalni. Powszechny silnik parowy skonstruował w 1763 I.I. Połzunow; natomiast w 1732 po raz pierwszy silnik parowy wykorzystano do napędu maszyn o ruchu obrotowym. W ogromne zasługi w postępie silników parowych włożył J. Watt. W XIX w. Rozwinął się bardzo szybki postęp silników elektrycznych oraz silników spalinowych tłokowych i turbin cieplnych.

SILNIK CIEPLNY

Jest to maszyna do zamieniania energii cieplnej w energię mech.. Silnik tez zabiera ciepło ze źródła o temperaturze wyższej (ciepło spalania paliwa w silniku spalinowym albo w turbinie), a następnie przerabia jego pewna ilość na pracę mech. Pozostałą resztę oddaje do chłodnicy. Proces przebiega się z udziałem czynnika termodynamicznego (np. spalin, pary wodnej), natomiast praca silnika jest wykonywana zgodnie z zasadami termodynamiki. Do silników cieplnych zaliczamy m.in. silniki tłokowe parowe oraz spalinowe a także turbiny cieplne.

SILNIK ODRZUTOWY

Jest to silnik, gdzie siłą napędową, która powstanie na skutek reakcji produkowanej przez wydostający z dyszy czynnik roboczy (gorące spaliny, strumień jonów, plazmy itp.). Silniki odrzutowe dzielimy na przelotowe (przepływowe) oraz rakietowe. Zależnie od metody sprężania powietrza, do którego dostarcza się paliwo, silniki przelotowe podzielić można na: strumieniowe, turboodrzutowe oraz pulsacyjne. Rozprowadziły się głównie silniki odrzutowe spalinowe, gdzie energię spalania zmienia się w energię kinetyczną gazów wylotowych. Główne zespoły silnika odrzutowego spalinowego to komora spalania oraz dysza wylotowa. Silniki odrzutowe spalinowe mogą być również przelotowe (tlen do spalania paliwa zabierany jest z atmosfery), a także i rakietowe - dobre do pracy w próżni kosmicznej.

W przypadku silników rakietowych, silnik odrzutowych, czynnik roboczy (np. gaz, spaliny, strumień jonów albo plazmy) ulokowane są w napędzanym obiekcie (pocisku rakietowym, rakiecie). Ciąg jest produkowany poprzez przyspieszenie czynnika roboczego albo elementów jego rozkładu. Realne wykorzystanie znalazły do tej pory tylko silniki rakietowe spalinowe; silniki te zabierają tlen niezbędny do spalania paliwa z utleniaczy, które są elementami rakietowych substancji pędnych umieszczonych się w napędzanym obiekcie (w odróżnieniu do silników odrzutowych spalinowych zabierających tlen z atmosfery). Rozdziela się silniki rakietowe spalinowe na substancje pędne: stałe, ciekłe oraz mieszane (tzw. hybrydowe, gdzie np. paliwo jest w stanie stałym, a utleniacz - w stanie ciekłym). Silniki rakietowe spalinowe wykorzystuje się na ogół do napędów rakiet nośnych, statków kosmicznych a także do pocisków rakietowych, niekiedy wykorzystuje się je także w samolotach jako silniki pomocnicze (np. do wspomagania startu). W stanie planów (czasami prób) są również inne typy silników rakietowych. W silniku rakietowym jądrowym reaktor jądr. wyznaczałby źródło ciepła dla chłodzącego go gazu (czynnika roboczego), który by się później rozprężał w dyszy silnika. W silniku rakietowym natomiast elektr. do nagrzewania czynnika roboczego wykorzystywałoby się np. łuk elektryczny. Silnik strumieniowy, silnik odrzutowy przelotowy (bezsprężarkowy), zbudowany jest z dyfuzora wlotowego, komory spalania i dyszy wylotowej. W czasie lotu powietrze napływa do silnika przez dyfuzor wlotowy (otwarty w kierunku lotu) powoduje to, że maleje w nim ich prędkość, powoduje wzrost jego ciśnienia. Natomiast w komorze spalania dokonuj się wtrysk oraz spalanie paliwa w strumieniu przepływającego powietrza, a produkowane gazy spalinowe o dużej temperaturze rozprężają się i wydostają na zewnątrz przez dyszę, dając ciąg (siłę odrzutu). Silniki strumieniowe wykorzystuje się w niektórych pociskach sterowanych i samolotach naddźwiękowych. Silnik strumieniowy z naddźwiękową komorą spalania (tzw. Scramjet) będzie głównym napędem nowoczesnych samolotów kosmicznych. Silnik strumieniowy działa skutecznie dopiero przy prędkościach naddźwiękowych, i właśnie dlatego do startu pojazdów napędzanych takim silnikiem potrzebne jest wykorzystanie innego silnika, np. turboodrzutowego czy rakietowego.

Silnik turboodrzutowy (turbinowy silnik odrzutowy przelotowy), silnik lotn. przelotowy (o otwartym obiegu) posiadający turbinę spalinową; zbudowany jest z dyfuzora wlotowego, sprężarki (albo dwóch sprężarek), komory spalania, turbiny oraz dyszy wylotowej. Powietrze napływa w czasie lotu przez konkretnie uformowany dyfuzor wlotowy (wlot - otwarty w kierunku lotu) i zmniejsza w nim swoją prędkość. To powoduje, że rośnie ciśnienie. W sprężarce strumień powietrza poddawany jest kolejnemu sprężeniu, później jest kierowany do komory spalania (zasilanej przez wtryskiwacze ciekłym paliwem). Produkowane w komorze gorące spaliny rozprężają się częściowo w turbinie, a częściowo w dyszy wylotowej, produkując ciąg (siłę odrzutu). Turbina napędza sprężarkę. Wyróżniamy silniki turboodrzutowe jednoprzepływowe (zw. wprost silnikami turboodrzutowymi), gdzie całe powietrza napływające do silnika przepływa przez sprężarkę do komory spalania, oraz silniki dwuprzepływowe, gdzie czynnik roboczy przepływa drugimi współosiowymi kanałami: wewn. i zewnętrznym. W silnikach dwuprzepływowych sprężarki sprężają napływające powietrze i przetłaczają je do kanału zewn. A także do komory spalania kanału wewn.: paliwo jest rozpylane w komorze przez wtryskiwacze a następnie zostaje tam spalone produkując wysokotemperaturowe spaliny, które rozprężają się w turbinach i napędzają sprężarki. Później wychodzą na zewnątrz przez dyszę wylotową, dając ciąg. Ciąg można otrzymać także przez rozprężenie powietrza (spalin) wydostającego się z kanału zewnętrznego. W zależności od wykorzystania silniki dwuprzepływowe posiadają różny stopień dwuprzepływowości (stosunek masy powietrza przepływającego przez kanał zewn. do masy powietrza przepływającego przez kanał wewn.), silniki o dużym stopniu dwuprzepływowości (5 : 1 i więcej) są wykorzystywane do napędu samolotów komunikacyjnych i transportowych, o małym natomiast (1 : 1 i mniej) - do samolotów wojskowych. Silniki o dużym stopniu dwuprzepływowości (zwane silnikami wentylatorowymi) cechują się ogromnie dużymi ciągami oraz niskim jednostkowym zużyciem paliwa (wysoką sprawnością). Silniki wentylatorowe wykorzystuje się w samolotach o poddźwiękowej prędkości lotu, w czasie gdy silniki o małym stopniu dwuprzepływowości wykorzystuje się w samolotach naddźwiękowych (wtedy spalanie paliwa może być realizowane w obu kanałach).

Patent na silniki turboodrzutowe otrzymał w 1930 bryt. projektant F. Whittle, który 1939 roku dokonał pierwszej próby takiegoż silnika. Pierwszym samolotem z silnikiem turboodrzutowym był w 1939 niemiecki samolot Heinkel He-178. Silniki turboodrzutowe są aktualnie głównym typem napędu samolotów komunikacyjnych i wojskowych o prędkości okołodźwiękowej i naddźwiękowej.

Silnik pulsacyjny, silnik odrzutowy przelotowy (bezsprężarkowy) z jednokierunkowymi zaworami mech. Albo bezwładnościowymi aerodynamicznymi ulokowanymi na wlocie powietrza. Paliwo jest wtryskiwane do komory spalania, gdzie po zmieszaniu z powietrzem jest zapalane od resztek spalin, które zostały z wcześniejszego cyklu. W związku ze wzrostem ciśnienia, wywołanego spalaniem, zawory jednokierunkowe zamykają się i następuje wtedy wypływ spalin z dyszy silnika, na skutek czego w komorze spalania produkuje się podciśnienie, otwierają się zawory i cykl zaczyna się od nowa.

SILNIK TURBOŚMIGŁOWY - jest to turbinowy silnik lotniczy, którego podstawowa część (75-100%) ciągu produkuje przy pomocy śmigła napędzanego przez turbinę spalinową (za pomocą przekładni zębatej), a pozostałą - przez odrzut gazów wylotowych.

SILNIK ELEKTRYCZNY

Jest to urządzenie zamieniające energię elektryczną na energię mech., na ogół w formie energii ruchu obrotowego. Moment obrotowy wytwarzany w silniku elektrycznym w związku z oddziaływaniem pola magnetycznego i prądu elektrycznego (siła elektrodynamiczna). Silnik elektryczny zbudowany jest ze stojana (z osadzoną parą lub kilkoma parami uzwojeń elektromagnesów) oraz wirnika z uzwojeniem twornikowym. Zależnie od prądu zasilającego wyróżniamy silniki elektryczne prądu stałego i silniki elektryczne prądu przemiennego.

Silnik elektryczny prądu stałego posiada na osi wirnika pierścień zbudowany z izolowanych działek (tzw. komutator) połączony z zaciskami uzwojeń twornika; po komutatorze ślizgają się doprowadzające prąd nieruchomo ulokowane szczotki elektryczne (z drobnoziarnistych materiałów z węgla uszlachetnionego) dociskane do płaszczyzny komutatora poprzez sprężynki. Funkcjonowanie pola magnetycznego, wyprodukowanego przez elektromagnesy stojana, na prąd elektryczny w obwodzie: para szczotek, działki komutatora i uzwojenie twornika, sprawia, że pojawia się ruch obrotowy wirnika. Kierunek tych obrotów uzależniony jest od kierunku prądu w uzwojeniu twornika. Zależnie od metody złączenia uzwojenia twornika z uzwojeniem elektromagnesu wzbudzającego pole magnetyczne, silniki elektryczne prądu stałego podzielić można na szeregowe, równoległe oraz szeregowo-równoległe. W silnikach elektrycznych szeregowych prędkość obrotowa maleje wraz ze wzrostem obciążenia; posiadają one słabość do "rozbiegania się" po odłączeniu obciążenia. Wykorzystuje się je w trakcji elektr. i dźwignicach. W silnikach elektrycznych równoległa prędkość obrotowa jest wolna od obciążenia; są wykorzystywane np. do napędzania obrabiarek. Silniki elektryczne szeregowo-równoległe wykorzystuje się do napędzania maszyn o stałej prędkości obrotowej oraz o dużych momentach obrotowych.

Silniki prądu przemiennego podzielić można na 1- i 3-fazowe, a uwzględniając zasadę działania - na indukcyjne (indukcyjna maszyna), synchroniczne (synchroniczna maszyna) oraz komutatorowe (komutatorowa maszyna). W silnikach elektrycznych 3-fazowych indukcyjnych prąd 3-fazowy płynący przez uzwojenia stojana produkuje pole wirujące. Pole to przecina przewody uzwojenia wirnika, indukując w nich prądy zgodnie z regułą Lenza, a co powoduje powstanie ruchu obrotowego wirnika. Wirnik kręci się wolniej niż pole wirujące, ponieważ w uzwojeniach wirnika indukuje się napięcie tylko wtedy, gdy jest ruch pola wirującego względem tych uzwojeń. Różnica prędkości nazywana jest poślizgiem. W silnikach elektrycznych indukcyjne wykorzystywane są do napędzania maszyn o nie regulowanej prędkości obrotowej. Bardzo tanie i głównie wykorzystywane w przemyśle są charakteryzujące się prostą konstrukcją silniki indukcyjne klatkowe (zwarte). Wirnik występujący w tych silników ma uzwojenie w kształcie klatki, wyprodukowanej jako odlew aluminiowy albo zespół prętów zwartych na swych czołach pierścieniami. Silniki elektryczne synchroniczne różnią się od silników elektrycznych indukcyjnych konstrukcją wirnika, który jest zaopatrzony ponadto w elektromagnesy zasilane prądem stałym ze wzbudnicy osadzonej na wale wirnika. Ilość biegunów elektromagnesów odpowiada liczbie biegunów pola wirującego stojana; gdyż moment obrotowy jest wynikiem wspólnego oddziaływania na siebie biegunów magnetycznych elektromagnesów oraz pola wirującego. Obroty wirnika są synchroniczne z obrotami pola i posiadają stałą prędkość. Wykorzystywane są do napędzania maszyn szybkoobrotowych o stałej prędkości obrotowej, np. sprężarek. Silniki elektryczne synchroniczne mogą być wykorzystywane jako silniki skokowe (krokowe, impulsowe); impulsowe zasilanie sprawia nieciągły, skokowy ruch wirnika (obrót) silnika o konkretny kąt (na ogół od kilku do kilkudziesięciu stopni). Silnik taki pracuje do kilku tysięcy skoków na sekundę; jest wykorzystywane w układach regulacji automatycznej z cyfrowym sygnałem sterującym, w zegarach (jako siłownik precyzyjny), do ustawiania głowic w pamięciach dyskowych komputerów itp. Silniki elektryczne komutatorowe (szeregowe i równoległe), także jak silniki elektryczne prądu stałego, posiadają wirnik z komutatorem, gdzie doprowadzany jest prąd przemienny przy pomocy szczotek. Odrębną grupę reprezentują silniki elektryczne powszechne, które mogą być zasilane prądem stałym albo przemiennym; wykorzystywane do napędzania sprzętu gospodarstwa domowego, maszyn biurowych itp.

Innym typem silnika elektrycznego jest silnik liniowy, zamieniający energię elektr. Od razu na energię ruchu postępowego. Silnik liniowy zbudowany jest z induktora oraz bieżnika, które są odpowiednikami stojana i wirnika normalnego silnika elektrycznego, lecz rozwiniętymi w linię prostą. Fragmentem ruchomym silnika może być induktor, ale także i bieżnik. Podstawowymi zaletami tego typu silnika jest brak styczności mech. pomiędzy induktorem a bieżnikiem, bardzo cicha praca, dobre chłodzenie, brak ślizgowych zestyków doprowadzających prąd, łatwość sterowania, możliwość pozyskiwania różnych przebiegów zależności siły od prędkości, możliwość nieskomplikowanego łączenia kilku silników liniowych w jeden zespół o dużej mocy. Wyróżni się silniki elektryczne liniowe prądu stałego, prądu przemiennego, synchroniczne, asynchroniczne, oscylacyjne itp. Do najnowocześniejszych budowli zalicza się silniki o poprzecznym strumieniu magnetycznym (tzw. transverse-flux motor) nadające się głównie do napędzania szybkich pojazdów poruszających się na poduszce powietrznej albo magnetycznej. Silniki elektryczne liniowe wykorzystuje się przede wszystkim w automatyce, w napędach specjalnych a także w trakcji elektrycznej.

Dzisiejsze silniki elektryczne konstruowane są na moce od części wata do kilkudziesięciu megawatów, przy sprawności od 60 do 95%, współczynnik mocy silnika elektrycznego prądu przemiennego równa się 0,65-0,95.

Pierwszy model silnika elektrycznego skonstruował w 1831 M. Faraday (tarcza Faradaya), natomiast pierwszy silnik elektryczny (z komutatorem) o praktycznym wykorzystaniu (do napędu łódki) w 1834 M.H. Jacobi. Rozstrzygającym posunięciem w postępie silnika elektrycznego było skonstruowanie w 1887 przez J.N. Teslę (wykorzystującego prace inż. i fizyka G. Ferrarisa) 2-fazowego silnika indukcyjnego; w latach 1889-90 silnik 3-fazowy z wirnikiem klatkowym skonstruował M. Doliwo-Dobrowolski; w 1902 E. Danielson skonstruował silnik synchroniczny, którego prędkość obrotowa precyzyjnie zależała od częstotliwości prądu zasilającego. W tym samym roku także A. Zahden otrzymał patent na silnik liniowy, pracujący według zasady wykorzystywanej aktualnie.

---