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.

30. VYŠETŘENÍ POHYBU A ROZMĚRŮ ŠOUPÁTKA

Článek z on-line pokračujícího zdroje Transformační technologie; ISSN 1804-8293;
www.transformacni-technologie.cz; Copyright©Jiří Škorpík, 2010-2020. All rights reserved. Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.
30. Vyšetření pohybu a rozměrů šoupátka

Úvod

Šoupátko svým pohybem zajišťuje podmínky pro jednotlivé části pracovního cyklu motoru, umožňuje tedy plnění, uzavření válce a výfuk páry z válce po expanzi. 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).

Rozměry šoupátka se určí z rozvodového diagramu

Jak již název napovídá, pro tento článek jsem vybral návrh pohybu a 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 (plochá, pístová, válcová apod. [2]) asi nejsnadněji, viz Obrázek 556.

Primárním výsledkem vyšetřením pohybu šoupátka je stanovení rozměrů šoupátka. Zatím co, některé rozměry šoupátka jako je průměr otvoru pro vstup, nebo výstup páry rozvodu se stanovuje z požadované maximální rychlosti páry a očekávaného průtoku páry, tak jednotlivé délky se stanovují pomocí tzv. rozvodového diagramu – jedná se o graf zdvihu šoupátka jako funkce zdvihu pístu. Výsledný graf jasně ukazuje, kdy jsou jaké vstupu do válce otevřeny/zavřeny, respektive ukazuje, při jakých polohách pístů je šoupátko svým pohybem zavírá/otvírá. Vstupem pro konstrukci rozvodového diagramu je navržený zdvih šoupátka a rozvodové okamžiky navržené p-V diagramu (viz kapitola 29. Návrh p-V diagramu pístového parního motoru). Na základě rozboru rozvodového diagramu se případně navržené rozměry šoupátka nebo parametry jeho pohybu upravují.

vstupu do válce otevřeny/zavřeny, respektive ukazuje, při jakých polohách pístů je šoupátko svým pohybem zavírá/otvírá. Vstupem pro konstrukci rozvodového diagramu je navržený zdvih šoupátka a rozvodové okamžiky navržené p-V diagramu (viz kapitola 29. Návrh p-V diagramu pístového parního motoru). Na základě rozboru rozvodového diagramu se případně navržené rozměry šoupátka nebo parametry jeho pohybu upravují.

Geometrie pístového dutého šoupátka dvojčinného parního motoru556 Geometrie 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. d1, 4 [m] průměr vstupu a výstupu rozvodu páry; z [m] výška parních kanálů; Δ [m] aktuální vzdálenost šoupátka od jeho dolní polohy (pomocná veličiny při výpočtu).

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.

● ● ●
1
30. Vyšetření pohybu a rozměrů šoupátka

Konstrukce rozvodového diagramu

Konstrukce samotného rozvodového diagramu není náročná. V podstatě se jedná o grafické znázornění funkce závislosti polohy šoupátka ve vztahu k jeho střední poloze a poloze pístu (popis této funkce viz následující podkapitola). Výhodné je v tomto diagramu vyjádřit polohu pístu jako procento ze zdvihu pístu, viz Vzorec 560. Takže vzniklá křivka bude jakýsi uzavřený ovál podobný elipse, jak je patrné na Obrázku 566, s. 3.

Procentuální vyjádření zdvihu pístu560 Procentuální vyjádření zdvihu pístu
r [m] délka ramene kliky, x [m] zdvih pístu; x% [%] zdvih pístu procentem z maximálního zdvihu.

Poloha šoupátka jako funkce polohy pístu

Samotnou funkci závislosti polohy šoupátka ve vztahu k jeho střední poloze a poloze pístu získáme z matematického popisu pohybu šoupátka, který je odvislý od druhu použité kinematické vazby šoupátka. V tomto článku je setavená funkce pro výpočet polohy šoupátka, které je poháněno přes kliku, zalomenou hřídel nebo pomocí exentricky uložené ojnice na hřídeli motoru – principiálně se jedná o stejné kinematické vazby jako u klikového mechanismu, ale místo klikou je vyosení osy ojnice od osy hřídele vytvořeno zalomením nebo excentricky uloženým diskem, viz Obrázek 555.

Rovnice pro polohu šoupátka v rámci jeho střední polohy nejsou složité, jak ukazuje Rovnice 557. Jedná se prakticky o stejné rovnice jako pro klikový mechanismus, s tím rozdílem, že rovnici pro polohu šoupátka je nutné upravit, tak aby počátek pohybu odpovídal střední poloze šoupátka a 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.

a osou hřídele v horizontálním směru cs a vertikálním směru ds započítat i úhlové zpoždění δ.

Kinematická vazba šoupátka
555 Kinematická vazba šoupátka
y(φ) [mm] poloha šoupátka vzhledem k jeho střední poloze; os [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 (modře znázorněná osa tedy zobrazuje aktuální natočení kliky pístu). Bod 0 odpovídá střední poloze šoupátka – poloha, ve které se nachází šoupátko uprostřed svého zdvihu
Poloha šoupátka jako funkce pootočení hřídele
557 Poloha šoupátka jako funkce pootočení hřídele
φI [rad] pootočení hřídele v okamžiku, kdy se začíná otvírat vstup páry do válce; φII [rad] 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, s. 6.

Zakreslení rozvodových okamžiků do rozvodového diagramu

Rozvodové okamžiky v rozvodovém diagramu jsou body na křivce závislosti y(x), které vyznačují polohu šoupátka od jeho střední polohy v okamžicích, kdy se začnou otvírat vstupy (plnění) páry, respektive výstupy (výfuk) páry z válce nebo naopak se dokončí uzavíraní vstupů páry, respektive výstupů páry z válce. Pro horní i dolní část šoupátka se kreslí diagram zvlášť (není to nutné, ale je to mnohem přehlednější při zakreslování jednotlivých délek šoupátka).

2
30. Vyšetření pohybu a rozměrů šoupátka

mnohem přehlednější při zakreslování jednotlivých délek šoupátka).

Při zakreslování rozvodových okamžiků do rozvodového diagramu se vychází z jednotlivých okamžiků předběžně navržených při konstrukci p-V diagramu, ve kterém lze přímo odečíst polohu pístu na ose V [%] (okamžitý objem válce v % odpovídá okamžitému zdvihu pístu v %) a ze smyslu pohybu šoupátka. Tak například, je-li rozvodový okamžik I pro plnění při 1,5 % zdvihového objemu válce, pak rozvodový okamžik I v rozvodovém diagramu bude ležet na křivce v místě, kdy je zdvih pístu 1,5 % atd.

Z principu šoupátka navrženého na Obrázku 556, s. 1 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), viz Obrázek 566. Odtud pak plynou zpětně korekce navržených rozvodových okamžiků v p-V diagramu, pokud se významně liší od průvodního návrhu.

● ● ●

Odečet rozměrů šoupátka v rozvodovém diagramu

Z rozvodového digramu nejprve určíme maximální šířku výška parních kanálů z. Je zbytečné, aby tato výška byla větší než je rozdíl mezi polohou bodu I v rozvodovém diagramu a maximem funkce y, jak ukazuje Obrázek 566. Bod I totiž vyznačuje vnitřní hrana šoupátka dorazí k okraji kanálu z, to je okamžik, kdy se tento kanál začna otvírat, přičemž jakmile dosáhne šoupátko své horní úvrati, začne se hrana vracet a tento kanál zavírat. Znaména to, že pokud by parní kanál z byl větší než je maximální výchylka šoupátka, tak jeho část zůstane zavřena. Počet parních kanálů z by po obvodě mělo být minimálně tolik, aby střední rychlost proudění páry v nich nepřesahovala 3035 m·s-1 [2, s. 79].

Diagram pohybu šoupátka pro horní část rozvodu
566 Rozvodový diagram pohybu šoupátka
a kanál je otevřen pro vstup páry; b kanál je otevřen pro výfuk páry. zH [m] vzdálenost podle Obrázku 556, s. 1, v okamžiku, kdy je píst ve své dolní úvrati.

Minimální délka horní plochy šoupátka tH pak plyne z toho, že musí být taková, aby mezi rozvodovými okamžiky II a III byl parní kanál uzavřen. Za tu dobu urazí hrana šoupátka, která tento kanál uzavřela, vzdálenost odpovídající rozdílu mezi okamžiky II a III. Ale tato vzdálenost neodpovídá délce plochy tH, k té se musí přičíst ještě výška parního kanálu z, protože otevření kanálu probíhá z vrchu.

3
30. Vyšetření pohybu a rozměrů šoupátka

přičíst ještě výška parního kanálu z, protože otevření kanálu probíhá z vrchu.

Stejným postupem lze sestrojit a odečíst potřebnou délku plochy šoupátka tD. Vlivem délky ojnice budou budou totiž délky tH a tD různé (pro nekonečně dlouhou ojnici šoupátka by byly stejné), viz Úloha 568.

Úloha 568
Navrhněte rozměry šoupátka dvojčinného pístového parního motoru s jedním válcovým šoupátkem. Excentricita šoupátka je 27 mm, délka ojnice šoupátka je 133 mm. Poloměr kliky pístu je 33 mm a délka jeho ojnice je 133 mm. Ostatní parametry, včetně p-V diagramu, převezměte z Úlohy 573 uvedené v kapitole 29. Vnitřní výkon pístového parního motoru. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 568, s. 6.

Pokud některé rozměry vychází konstrukčně nebo termodynamicky nevhodně je potřeba změnit vstupní údaje (excentricitu e, úhlové zpoždění pohybu šoupátka za pohybem pístu δ nebo průměr šoupátka, jestliže výšky parních kanálů z vychází příliš malé). Popřípadě je nutné změnit i termodynamický návrh motoru, především rozvodové okamžiku v p-V diagramu. Při konstantním δ lze rozvodové okamžiky měnit i změnou délkových rozměrů šoupátka tH, tD a l''S. U motoru s jedním šoupátkem se například prodlužováním tH a tD budou zvětšovat objemy VIII a VIV a naopak. Zvětšovat objem VI a VIIV lze zvětšováním délky l''S při konstatním lS apod.

● ● ●

Kontrola rozměrů a seřízení šoupátka pomocí indikátorového diagramu

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, viz Obrázek 863. 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 diagramem863 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.
● ● ●
4
30. Vyšetření pohybu a rozměrů šoupátka

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.

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Vyšetření pohybu a rozměrů šoupátka, Transformační technologie, 2010-06, [last updated 2020-04]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z https://www.transformacni-technologie.cz/30.html.
5