Tento web obsahuje aplikace Google Adsense a Google analytics, které využívají data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokie lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.
— 1 —

30. Vyšetření pohybu a rozměrů šoupátka

Autor: Jiří Škorpík, skorpik@fme.vutbr.cz : aktualizováno 2015-11

Šoupátkový rozvod se používá především u malých a středně velkých pístových parní motorů. Je charakteristický svou jednoduchostí, spolehlivostí a funkčností i při velkém opotřebení kluzných ploch.

Na rozdíl od ventilového rozvodu lze u dvojčinného motoru použít pouze jedno šoupátko (ventilů čtyři). Nevýhodou takového řešení je ale v tom, že se dá vhodně použít pouze pro vysoká plnění válce (minimum cca 50%), pro nižší je potřeba více šoupátek (dvě nebo čtyři).

Mechanismus pohybu šoupátka

Šoupátko svým pohybem zajišťuje podmínky pro jednotlivé pracovní cykly motoru, umožňuje plnění, uzavření válce a výfuk páry z válce po expanzi. Konstrukce šoupátek je různá (plochá, pístová, válcová apod. [2]). Pohyb šoupátka je realizován mechanismem s excentricky uloženou ojnicí na hřídeli motoru. Principiálně se jedná o stejnou kinematickou vazbu jako u klikového mechanismu, ale místo zalomení je na hřídeli excentrický disk. Existují ale i jiné typy mechanismů pohonu šoupátka.

Kinematická vazba šoupátka.
1.id555 Kinematická vazba šoupátka.
Ls(φ) [mm] poloha šoupátka vzhledem k jeho střední poloze; ls [mm] délka ojnice šoupátka; e [mm] excentricita (polovina zdvihu šoupátka); φ [rad; deg] pootočení hřídele; δ [rad; deg] úhlové zpoždění pohybu šoupátka za pohybem pístu.

Výsledkem vyšetřením pohybu šoupátka je graf zdvihu šoupátka Ls jako funkce zdvihu pístu L; Ls(L), přičemž poloha šoupátka v bodě 0 odpovídá jeho střední poloze*. Protože zdvih pístu je funkcí pootočení hřídele L(φ) je možné konstruovat i závislost zdvihu šoupátka na pootočení hřídele Ls(φ).

*Střední poloha šoupátka
Je to poloha, ve které se nachází šoupátko uprostřed svého zdvihu. To znamená, že ke své horní úvrati má stejně daleko jako ke spodní úvrati.
30.
— 2 —

Dříve se vyšetření pohybu šoupátka provádělo pomocí konstrukce polárního diagramu, který lze zkonstruovat za pomocí pravítka a kružítka [2]. Dnes lze využít možnosti grafických výstupů výpočtových programů k přímé konstrukci trajektorie polohy šoupátka na poloze pístu (jedná se přibližně o elipsu). Vyšetření pohybu šoupátka je nezbytné kvůli návrhu hlavních rozměrů šoupátka a pouzdra šoupátka.

reklama

Hlavní rozměry šoupátka

Pro tento článek jsem vybral návrh rozměrů pístového dutého šoupátka (které umožňuje výfuk páry ze spodní části válce skrz tělo šoupátka do vrchní části šoupátka odkud je odváděna do výfukového potrubí), protože poznatky z jeho návrhu (myšleno rozměrů) jsou aplikovatelné i pro další typy šoupátek.

Šoupátko se pohybuje v šoupátkové pouzdru a svým pohybem střídavě zakrývá a odkrývá otvory v pouzdru, kterými pára vstupuje nebo vystupuje z válce. Rozměry šoupátka (vzdálenosti hran) a pouzdra (šířky parních kanálů) tedy musí být takové, aby k plnění či výfuku páry docházelo podle navrženého p-V diagramu parního motoru [2].

Rozměry pístového dutého šoupátka dvojčinného parního motoru. 2.id556 Rozměry pístového dutého šoupátka dvojčinného parního motoru.
1 vstup páry do šoupátkového pouzdra; 2 parní kanál do horní části válce; 3 parní kanál do dolní části válce; 4 výstup vyexpandované páry ze šoupátkového pouzdra. z [m] výška parních kanálů*; Δ [m] akturální vzdálenost šoupátka od jeho dolní polohy (pomocná veličiny při výpočtu). Průměr šoupátka se vypočítá z požadované průtočné plochy související se šoupátkem (rozvodové kanály, prostor mezi tělem šoupátka a šoupátkového pouzdra).
*Výška parních kanálů
Tato výška vychází z tvaru a velikosti parních kanálů, které jsou po obvodě šoupátkového pouzdra. Tvary těchto kanálů bývají nejčastěji kruhové nebo obdélníkové a jejich průřez je takový, aby střední rychlost proudění páry nepřesahovala 3035 m·s-1 [2, s. 79].
30.
— 3 —

Konstrukce diagramu Ls-L

Pro polohu šoupátka vzhledem k jeho střední poloze lze použít rovnice klikového mechanismu s tím rozdílem, že rovnici pro polohu šoupátka (dolní index s) Ls je nutné upravit, tak aby počátek pohybu odpovídal střední poloze šoupátka. Současně je nutné v rovnici pro vzdálenost mezi ojničním čepem šoupátka a osou hřídele v horizontálním směru cs a vertikálním směru ds započítat i úhlové zpoždění δ:

Poloha šoupátka jako funkce pootočení hřídele.
3.id557 Poloha šoupátka jako funkce pootočení hřídele.
φI [°] pootočení hřídele v okamžiku, kdy se začíná otvírat vstup páry do válce; φII [°] pootočení hřídele v okamžiku, kdy se dokončí uzavíraní vstupu páry do válce. Počátek pootočení hřídele je v horní úvrati pístu (φ=0). Úhlové zpoždění δ je odvozeno pro šoupátko se symetrickým pohybem (dráha jeho pohybu z dolní do horní polohy v závislosti na pootočení hřídele je stejná pouze zrcadlově otočená jako jeho dráha z horní do dolní polohy). Odvození rovnic je uvedeno v Příloze 557.

Poloha pístu se v diagramu Ls-L vyjadřuje v procentech vzhledem k maximálnímu zdvihu pístu (Lmax=2·R):

Procentuální vyjádření zdvihu pístu. 4.id560 Procentuální vyjádření zdvihu pístu.
R [m] délka ramene kliky, L [%] zdvih pístu v procentech maximálního zdvihu.

Příklady diagramů Ls-L jsou uvedeny níže. Pro horní i dolní část šoupátka se kreslí diagram zvlášť (není to nutné, ale je to mnohem přehlednější při zakreslování jednotlivých délek šoupátka).

reklama

Rozvodové okamžiky v diagramu Ls-L

Rozvodové okamžiky jsou body na křivce závislosti Ls(L), které vyznačují polohu šoupátka od jeho středové polohy v okamžicích, kdy se podle p-V diagramu začnou otvírat vstupy (plnění) páry respektive výstupy (výfuk) páry z válce nebo naopak se dokončí uzavíraní vstupů páry respektive výstupů páry z válce.

Při zakreslování rozvodových okamžiků do diagramu Ls-L se vychází z jednotlivých okamžiků zakreslených v p-V diagramu, ve kterém lze přímo odečíst polohu pístu na ose V [%]* a ze smyslu pohybu šoupátka. Jednotlivé okamžiky se označují stejně jako v p-V diagramu.

*Poznámka
Okamžitý objem válce v % odpovídá okamžitému zdvihu pístu v %.

Z p-V diagramu je zřejmé, že mezi okamžiky I-II jsou kanály otevřeny pro vstup páry do válce; okamžiky II-III jsou kanály uzavřeny; okamžiky III-IV jsou kanály otevřeny pro výstup páry z válce okamžiky IV-I jsou kanály uzavřeny.

30.
— 4 —

Z principu šoupátka je zřejmé, že počátek otvírání parního kanálu pro vstup páry do válce a ukončení zavírání parního kanálu pro vstup páry do válce se děje stejnou hranou šoupátka a těmto dvou okamžikům musí odpovídat jedna poloha šoupátka (rozvodové okamžiky I a II leží na rovnoběžce s osou L). To samé platí pro rozvodové okamžiky III a IV (počátek otvírání parního kanálu pro výfuk páry a ukončení zavírání parního kanálů pro výfuk).

Odečet hlavních rozměrů šoupátka z diagramu Ls-L

Při odečítání se vychází z Obrázku 2. a Rovnice 3.

Diagram pohybu šoupátka pro horní část rozvodu.
5.id566 Diagram pohybu šoupátka pro horní část rozvodu.
a kanál je otevřen pro vstup páry; b kanál je otevřen pro výfuk páry.
Diagram pohybu šoupátka pro dolní část rozvodu.
6.id565 Diagram pohybu šoupátka pro dolní část rozvodu.
a kanál je otevřen pro výfuk páry; b kanál je otevřen pro vstup páry. V tomto případě při plnění nedochází k úplnému otevření* (to je způsobeno malou excentricitou, která byla při výpočtu uvažována). Opatřením může být například zvětšení excentricity respektive zdvihu šoupátka.
30.
— 5 —
*Poznámka
Z grafu Ls-L je patrné, že nedojde k úplnému otevření kanálu pro vstup/výfuk páry do/z válce (LS(φ=180°)+Δ-LDSI<z-viz kóty v Grafu 6.). To znamená, že lze očekávat vyšší tlakové ztráty při plnění a při konstrukčním návrhu takových kanálu je nutné brát na tuto skutečnost zřetel a přepočítat průměrnou rychlost páry v kanále na skutečný maximální průtočný průřez parního kanálu při nedokanalém otevření.

Vlivem délky ojnice budou vycházet délky šoupátka t pro spodní část jiné než pro vrchní část (pro nekonečně dlouhou ojnici by byly stejné). Ovšem z konstrukčního hlediska je výhodné, aby rozměr t byl pro vrchní i spodní část šoupátka stejný. Potom je nutné počítat s tím, že se rozvodové okamžiky v horní části pístu budou mírně lišit od spodní části pístu (tvar p-V diagram nad pístem i pod pístem se bude lišit). Zpravidla toto konstrukční zjednodušení nemá fatální dopad na účinnost motoru.

Navrhněte rozměry šoupátka dvojčinného pístového parního motoru s jedním válcovým šoupátkem. Excentricita šoupátka je 27 mm, délka ojnice šoupátka je 133 mm, výška parních kanálů je 13 mm, ostatní parametry včetně p-V diagramu převezměte z Úlohy 1 [29.].
Úloha 1.id568
                 H        D                            H        D       
ls         [mm]      133              z          [mm]      13           
e          [mm]      27               t          [mm]  27,9857  30,2262 
LI         [%]   1,5      98,5        hv         [mm]      84,5         
r          [mm]      33               Ls(φ=180)  [mm]      -20,7996     
l          [mm]      133              LDsI       [mm]      -15,5655     
φI         [°] 347,3981 163,81        zD         [mm]      5,2341       
LII        [%]   65       35          LHsIV      [mm]      -1,9716      
φII        [°] 100,255  293,895       zH         [mm]      18,828       
δ          [°]     43,8266            tD         [mm]      30,2262      
LsI        [mm]  13,014   -15,5655    Ps         [mm]      1323         
LIV        [%]   17,3977  82,6023     tH         [mm]      27,9857      
φIV        [°] 315,5146 124,5395      P''s       [mm]      55,9204      
LsIV       [mm]  -1,9716  1,6607                                        
Úloha 1: souhrn výsledků.
H horní část šoupátka; D dolní část šoupátka.

Po výpočtu této úlohy je zřejmé, že optimalizace velikosti šoupátka pro dvojčinný válec pouze s jedním šoupátkem je dosti omezená. Především pro menší plnění pod 50%, již nelze nalézt uspokojivé rozměry šoupátka, při kterých by bylo zajištěno plné otevření plnících a výfukových kanálů válce a tím hrozí nárůst tlakových ztrát při plnění válce.

Pokud některé rozměry vychází konstrukčně nebo termodynamicky nevhodně je potřeba změnit vstupní údaje (nejčastěji výšku parních kanálu z, excentricitu e popřípadě i úhlové zpoždění pohybu šoupátka za pohybem pístu δ). Popřípadě je nutné změnit i termodynamický návrh motoru, především rozvodové okamžiku v p-V diagramu. Při konstantním δ lze rozvodové okamžiky měnit i tím, že se budou měnit délkové rozměry šoupátka tH, tD a P''S*.

30.
— 6 —
*Poznámka
U motoru s jedním šoupátkem se například prodlužováním tH, tD s budou zvětšovat objemy III a IV a naopak. Zvětšovat objem I a II lze zvětšováním délky P''S při konstatním PS apod.

Důsledky špatného seřízení a návrhu šoupátka

Ověření funkce šoupátka a odhalení jeho chybného návrhu lze z indikátorového diagramu motoru (naměřený p-V diagram motoru). Přičemž stačí znát pouze tvar tohoto diagramu bez záznamu skutečného tlaku a objemu. Špatná funkce šoupátka je na takovém diagramu prozrazena rozdíly (deformacemi) mezi navrhovaným tvarem p-V diagramu a skutečně indikovaným. Ze zkušeností předchozích porovnání existují popisy tvarů p-V diagramu parních motorů, na kterých je ukázán vliv nejčastějších vad šoupátka. Takové porovnávací p-V diagramy s popisem důsledků těchto vad jsou uvedeny např. v [3, s. 23], [1, s. 109]:

Porovnání tvaru navrhovaného p-V diagramu s indikovaným diagramem. 7.id863 Porovnání tvaru navrhovaného p-V diagramu s indikátorovým diagramem.
(a) navrhovaný p-V diagram; (b) indikátorový p-V diagram. Δp [bar] naměřený rozdíl tlaků ve válci; V [%] objem válce.

Odkazy

  1. MILLER, Rudolf, HOCHRAINER, A., LÖHNER, K., PETERMANN, H. Energietechnik und Kraftmaschinen, 1972. Hamburg: Rowohlt taschenbuch verlag GmbH, ISBN 3-499-19042-7.
  2. KLÁG, Josef. Parní stroje a turbiny-Obsluha a provoz, 1952. 1. vydání. Praha: ROH-práce-vydavatelství knih.
  3. RODA, Antonín. Parní motory, 1948. 1. vydání. Praha: Státní nakladatelství v Praze.
30.
— 7 —

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Vyšetření pohybu a rozměrů šoupátka, Transformační technologie, 2010-06, [last updated 2015-11]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/vysetreni-pohybu-a-rozmeru-soupatka.html.

©Jiří Škorpík, LICENCE
30.
reklama