Podział maszyn wg przeznaczenia:
Maszyny technologiczne: obrabiarki, walcarki, prasy, młoty
Maszyny transportowe: lokomotywy, samochody, dmuchawy, wentylatory
Maszyny energetyczne: prądnice, turbiny, sprężarki, wirnikowe maszyny przepływowe
Pojęcia :
Maszyna- urządzenie techniczne służące do przetwarzania energii lub wykonywania określonej pracy mechanicznej
Urządzenia przepływowe- mają na celu jedynie zmianę parametrów czynnika przez doprowadzenie lub odprowadzenie energii cieplnej
Fluid- wszystkie ciecze, gazy i pary objęte definicja płynu newtonowskiego oraz mieszaniny różnych mediów, w tym fazy ciekłej, gazowej oraz rozdrobnionej fazy stałej unoszonej w postaci ciekłej lub lotnej
Współczynnik ściśliwości- stosunek zmniejszenia objętości początkowej przy wzroście ciśnienia o 1Pa pρT=zR
Energia- zdolności do wykonywania pracy albo równoważenie ilości nagromadzonej pracy
Energia mechaniczna- suma energii kinetycznej i potencjalnej- zdolność do wytworzenia oraz przekazania napędu (pracy)
Obieg termodynamiczny- zespół przemian, w których stan końcowy czynnika termodynamicznego pokrywa się ze stanem początkowym
Stopień maszyny przepływowej- uporządkowany układ wieńca łopatek kierowniczych (wieńca stojanowego) i wieńca łopatek wirnika
Współczynnik reakcyjności- udział kanału wirnikowego w rozprężaniu pary w stosunku do rozprężania w całym stopniu przy rozprężaniu izentropowym ρ=HwHs=HwHk+Hw
Urządzenia przepływowe:
Dyfuzor- kanał rozbieżny-zmiana energii kinetycznej w potencjalną płynu
Konfuzor- kanał zbieżny lub zbieżno-rozbieżny- zmiana energii potencjalnej płynu w kinetyczną
Rura- kanał o stałym polu przekroju
Przez połączenie kilku urządzeń uzyskać można maszynę roboczą- strumienice lub silnik- dyfuzor, komora spalania i dysza tworzą silnik odrzutowy.
Zasoby energetyczne przyrody:
Wykorzystanie zasobów energetycznych polega z reguły na przetwarzaniu energii unoszonej przez płyn (ciecz, para, gaz) na żądaną postać użyteczną przy zastosowaniu układów maszyn przepływowych. Występują tam odpowiednie różnice ciśnień niezbędne do utrzymania procesu.
Kryteria różnicujące maszyny przepływowe:
Rodzaj czynnika roboczego- zasadniczą cechą jest stopień ściśliwości, który wiąże się z kryterium gęstowi masy czynnika, miarą ściśliwości jest współczynnik ściśliwości zależny od ciśnienia i temperatury. Medium robocze zwiększa lub zmniejsza swój potencjał energetyczny w następstwie dynamicznego oddziaływania z ich nieruchomymi i wirującymi elementami. Przepływ rozumiemy jako przemieszczenie się dowolnie wybranej porcji materii względem przyjętego układu współrzędnych.
Stan czynnika termodynamicznego może być opisany parametrami: termicznymi (p, t, ρ), kalorycznymi( u, i, s), kinematycznymi (wektor prędkości, ek), energetycznymi (suma entalpii, energii kinetycznej, entalpia całkowita)
I zasada termodynamiki:
Istnieją jednoznaczne relacje między trzema wielkościami fizycznymi: energią wewnętrzną U, pracą układu L i ciepłem układu Q Q=ΔU+L entalpia I=U+pV
II zasada termodynamiki:
w przemianach samorzutnych entropia układu izolowanego rośnie, entropię traktujemy jako miarę nieodwracalności procesów. ΔScał>0 dS=dQ/dT
Czynnik termodynamiczny:
Gaz doskonały- spełnia równanie Clapeyrona gdzie cp i cv są stałe
Gaz półdoskonały- spełnia równanie Clapeyrona gdzie cp=cp(T) i cv=cv(T)
Substancje rzeczywiste- czynnik nie stosuje się od równania Clapeyrona i cv jest funkcją wielu zmiennych
Parametry układu:
Konwersja energii w układzie związana jest ze zmianami stanu fizycznego.
Parametry ekstensywne- globalne- są określone dla całej objętości ciała, zależą od ilości substancji tworzącej ciało: m, V, U, I, S, mogą się zmieniać w czasie
Parametry intensywne- lokalne- są niezależne od wielkości układu: T, p, v, ρ, mogą się zmieniać w czasie i przestrzeni, definiowane są jako stosunek wielkości ekstensywnych do masy substancji v=Vm
Wielkości właściwe: energia właściwa wewnętrzna (u, J/kg), entalpia właściwa (i, J/kg), entropia właściwa (s, J/kg)
Parametry termiczne: temperatura, ciśnienie, objętość właściwa- o związkach mówi termiczne równanie stanu- równanie Clapeyrona pv=RT lub pV=mRT
Charakterystyczne liczby:
Prędkość dźwięku a=-v2∂p∂v
Liczba Macha Ma=ca
Liczba Lavala La=cal gdzie al - prędkość dźwięku w przekroju krytycznym
Liczba Crocco Cr=ccmax gdzie cmax - maksymalna prędkość płynu osiągana przy rozprężaniu do próżni p=0
Turbina parowa:
Charakterystyczne przekroje kontrolne – 0-odpowiada wlotowi do aparatu kierowniczego, 1- odpowiada wylotowi z aparatu kierowniczego, 2- odpowiada wylotowi z aparatu wirnikowego
Turbina nie może pracować samodzielnie, pracuje w obiegu zamkniętym nazywanym blokiem energetycznym
Nazwa turbin: XYZ gdzie X oznacza ciśnienie, Y to rodzaj turbiny (C-ciepłownicza, UP- upustowo- przeciwprężna, UC- upustowo-ciepłownicza, K- kondensacyjna), Z określa liczbę MW np. 18K360
W turbinach zachodzi podwójna przemiana energii- w przyrządach rozprężnych (następuje zmiana energii cieplnej pary na energię kinetyczną strumienia pary) i kanałach między łopatkowymi wirnika (przetwarzanie energii kinetycznej na mechaniczną).
Przyrządy rozprężne : kierownice (przyrządy o stale zmniejszającym się przekroju- przepływ poddźwiękowy lub co najwyżej krytyczny) i dysze (przyrządy, których przekrój maleje do krytycznego, a następnie zwiększa się- przepływ naddźwiękowy).
Stopień akcyjny to całkowity spadek entalpii przypadający na stopień, występuje tylko w aparacie kierowniczym, w którym jest przekształcany na energię kinetyczną. W wieńcu wirującym energia ta jest zamieniana z odpowiednią sprawnością na energię mechaniczną.
Siła oddziaływania strumienia na łopatki wieńca wirującego jest uzależniona od zmiany kierunku wektora pędu.
Stopień reakcyjny turbiny występuje w kanałach obu wieńców kierowniczych i wirnikowych, następuje jednakowy spadek entalpii pary. W wieńcu wirującym następuje zarówno zmiana kierunku jak i wartości pędu strumienia pary.
W przepływach ustalonych i adiabatycznych jakie występują w turbinach prawo zachowania energii oznacza stałość entalpii spiętrzenia- energii właściwej w takim przepływie ix=i+c22=const
Równanie zachowania energii dla aparatu kierowniczego:
i1+c122=i0+c022 ->io-i1=hk -> c122=hk+c022
Równanie zachowania energii dla wirnika
i2+w222=i1+w122+lc gdzie lc - praca pola sił masowych między przekrojem 1-2
Siła Coriolisa (zawsze prostopadła do prędkości w)nie wykonuje pracy; lc-praca wykonana w układzie względnym przez siłę odśrodkową (wykonuje pracę przy przemieszczeniu elementu płynu w kierunku promieniowym) lc=r1r2rω2dr=u22-u122
Praca obwodowa praca stopnia na obwodzie wynika z równania zachowania energii, jako różnica między stanem całkowitym przed i za stopniem
lu=i0c-i2c=i0+c022-i2+c222 lu=hk+c022+hw-c222
Główne równanie turbinowe:
hk=c12-c022 hw=w22-w122+u12-u222 lu=12c12-c22+w22-w12+u12-u22
Równanie Eulera:
Wykorzystując zależności z trójkąta prędkości
w12=c12+u12-2c1u1cosα1 w22=c22+u22-2c2u2cosα2
c1cosα1=c1u c2cosα2=c2u
lu=u1c1u-u2c2u lu=u∆cu
Sprawność obwodowa:
lu=uPu=uw1u-w2u w1u+w2u=w1cosβ1+w2cosβ2
lu=uc1cosβ1-u1+ψcosβ1cosβ2 lt=c1t22=12c1φ2 ηu=lult
ηu=2φ2uc1cosα1-uc11+ψcosβ2cosβ1 uc1=cosα12 ηu=12φ21+ψcosβ2cosβ1cos2α1
Maszyny sprężające:
Potencjał energetyczny płynu podczas sprężania wzrasta- energię łopatki wirnika przekazują do płynu. Pracują wg określonej przemiany. Praca samo ogrzania jest dodatkową oprócz pracy izentropowej, jaką należy wykonać, aby sprężyc gaz podgrzewany ciepłem tarcia (co powoduje wzrost jego objętości w stosunku do przemiany izentropowej).
Określenie sprawności stopnia:
ηi=energia pożytecznie zamieniona na ciśnienie i prędkośćwkład energii mechanicznej
...
agro_3