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 Návrh p-V diagramu pístového parního motoru). Na základě rozboru rozvodového diagramu se případně navržené rozměry šoupátka nebo parametry jeho pohybu upravují.

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.

560 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 c_s a vertikálním směru d_s započítat i úhlové zpoždění δ.

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.

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

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

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 t_H, t_D a l''_S. U motoru s jedním šoupátkem se například prodlužováním t_H a t_D budou zvětšovat objemy V_III a V_IV a naopak. Zvětšovat objem V_I a V_IIV lze zvětšováním délky l''_S při konstatním l_S apod.

Odkazy

Bibliografická citace článku