Motoare cu aburi

4
O La ma~ina cu aburi a lui Newcomen, din aproximativ 1 710, aburii dintr-un fierbator (a) treceau in cilindru (c) ~i impingeau in sus pistonul. Un du~ de apa rece racea apoi cilin- drul pentru a condensa aburii, iar presiunea aerului impingea pistonul in jos. Energia aburilor inca mai asigura o mare parte din ener- gia folosita in prezent. Chiar ~i cele mai avansate reactoare nucleare sunt doar simple surse de caldura care trans- forma apa in aburi pentru a act;iona turbine legate la gene- rat()are de electricitate. ~ " - # --\\, . ~~, Heron din Alexandria. O sfera goala pe dinauntru era pivotata pe doua tuburi prin care treceauaburii dintr-un rnic fierbator. Abu- rii umpleau sfera ~i ie~eauprin tevi dispuse 1n parti opuse ale acesteia. Jeturile de aburi care ta~neau determinau sfera sa se roteasca. Totu~i, in ciuda faptului ca era o inventie interesanta, rna~inanu servea unui scoputil. Prima rna~inacu aburi cu utilitate parctica a fost inventata in 1698 de un inginer englez pe nume Thomas Savery. Aburul dintr-o camera era racit pana se condensa ~i forma o cantitate mica de apa. Reducerea mare a volu- ~ mului producea un vid partial, care era folosit ] pentru a absorbi apa din minele de carbuni. 8 For1a pistonului j La ma~ina inventata de inginerul englez ~ ThornasNewcomen, in jurul anului 1710,abu- :f rii impingeau un piston in sus printr-un cilin- dru. Apoi cilindrul era racit pentru a condensa aburii, ~i pistonul era tras 1n jos. Condensarea > :2 ~ ~ ~ O Heron din Alexandria a construit aceasta simp la turbina cu aburi in secolul I e.n. aburilor reducea presiunea din cilindru, asfel Incat presiunea atmosferic~ era suficien~ pen- tru a Impinge pistonulln jos. Din acest motiv, Newcomen l~i numea rna~ina cu aburi "atmos- feric~". Ea era folosit~ pentru a pune 1n functi- une pompe de ~. De~i s-a dovedit mult mai eficien~ decat sistemul lui Savery, ma~ina lui Newcomen era extrem de Incea~ ~i ineficace. Aceasta pentru c~ dup~ ra:cire cilindrul trebuia Inc~lzit pentru a produce din nou aburii nece- sari care s~ 1mping~ pistonul In sus. A1tfel aburii s-ar fi condensat instantaneu. Ma~ina lui Watt Cel care a rezolvat aceast~ problema a fost inginerul scotian James Watt. La ma~ina sa inventat~ In 1769, aburii treceau Intr-o camer~ separat~ pentru condensare. Deoarece cilin- drul nu era Inc~lzit ~i ra:cit altemativ, pierder- ile de c~ldura: ale ma~inii erau relativ sc~zute. ?;- De asemenea, ma~ina lui Watt era mai rapid~, , pentru c~ se puteau admite mai multi aburi In , : O Un carusel ac1ionat de aburi la baza Turnului St. Jaques din Paris. Majoritatea : caruselelor moderne sunt ac~ionate de elec- : tricitate sau de motoare cu ardere interna. 41

description

Energia aburilor inca mai asigura o mare parte din energia folosita in prezent. Chiar ~i cele mai avansate reactoare nucleare sunt doar simple surse de caldura care transforma apa in aburi pentru a act;iona turbine legate la generat()are de electricitate.p rima ma~ina cu aburi a fost inventata 1nO La ma~ina cu aburi a lui Newcomen, din aproximativ 1 710, aburii dintr-un fierbator (a) treceau in cilindru (c) ~i impingeau in sus pistonul. Un du~ de apa rece racea apoi cilindrul pentru a condens

Transcript of Motoare cu aburi

Page 1: Motoare cu aburi

O La ma~ina cu aburi a lui Newcomen, din

aproximativ 1 710, aburii dintr-un fierbator(a) treceau in cilindru (c) ~i impingeau in suspistonul. Un du~ de apa rece racea apoi cilin-drul pentru a condensa aburii, iar presiuneaaerului impingea pistonul in jos.

Energia aburilor inca maiasigura o mare parte din ener-gia folosita in prezent. Chiar ~icele mai avansate reactoarenucleare sunt doar simplesurse de caldura care trans-forma apa in aburi pentru aact;iona turbine legate la gene-rat()are de electricitate.

~

" -#

--\\, .

~~,

p rima ma~ina cu aburi a fost inventata 1n

secolul le. n. de catre inginerul grec

Heron din Alexandria. O sfera goala pedinauntru era pivotata pe doua tuburi princare treceau aburii dintr-un rnic fierbator. Abu-rii umpleau sfera ~i ie~eau prin tevi dispuse 1nparti opuse ale acesteia. Jeturile de aburi careta~neau determinau sfera sa se roteasca.Totu~i, in ciuda faptului ca era o inventieinteresanta, rna~ina nu servea unui scoputil.

Prima rna~ina cu aburi cu utilitate parcticaa fost inventata in 1698 de un inginer englezpe nume Thomas Savery. Aburul dintr-ocamera era racit pana se condensa ~i forma ocantitate mica de apa. Reducerea mare a volu- ~mului producea un vid partial, care era folosit ]pentru a absorbi apa din minele de carbuni. 8

For1a pistonului jLa ma~ina inventata de inginerul englez ~Thornas Newcomen, in jurul anului 1710, abu- :frii impingeau un piston in sus printr-un cilin-dru. Apoi cilindrul era racit pentru a condensaaburii, ~i pistonul era tras 1n jos. Condensarea

>:2~~~

O Heron din Alexandria a construit aceasta

simp la turbina cu aburi in secolul I e.n.

aburilor reducea presiunea din cilindru, asfelIncat presiunea atmosferic~ era suficien~ pen-tru a Impinge pistonulln jos. Din acest motiv,Newcomen l~i numea rna~ina cu aburi "atmos-feric~". Ea era folosit~ pentru a pune 1n functi-une pompe de ~. De~i s-a dovedit mult maieficien~ decat sistemul lui Savery , ma~ina luiNewcomen era extrem de Incea~ ~i ineficace.Aceasta pentru c~ dup~ ra:cire cilindrul trebuiaInc~lzit pentru a produce din nou aburii nece-sari care s~ 1mping~ pistonul In sus. A1tfelaburii s-ar fi condensat instantaneu.

Ma~ina lui WattCel care a rezolvat aceast~ problema a fostinginerul scotian James Watt. La ma~ina sainventat~ In 1769, aburii treceau Intr-o camer~separat~ pentru condensare. Deoarece cilin-drul nu era Inc~lzit ~i ra:cit altemativ, pierder-ile de c~ldura: ale ma~inii erau relativ sc~zute.

?;- De asemenea, ma~ina lui Watt era mai rapid~,, pentru c~ se puteau admite mai multi aburi In,

: O Un carusel ac1ionat de aburi la bazaTurnului St. Jaques din Paris. Majoritatea

: caruselelor moderne sunt ac~ionate de elec-: tricitate sau de motoare cu ardere interna.

41

Page 2: Motoare cu aburi

MA$INILE CU ABURI

~

O Marchizul deDian a fast unul dinpianierii industrieide mataare dinFran1a. Aici el paateti vazut mergand pea tricicleta ac1ianatade aburi, pe care acanstruit-a in anul1897. Matarul, aflatin fa1a, ac1ianeazaraata din spate.

tonului, lmpingandu-l lnainte. Apoi ei suntadmi~i la cel:llalt cap:lt al pistonului, lmpin-gandu-l din nou 1napoi. De aceea asemeneamotoare se spune c:l sunt cu dubl:l actiune.

.5irul de procese lncepe atunci cand abufiisunt admi~i la un cap:lt al cilindrului pfintr-uncanal de admisiune. Apoi canalul de admisi-une se lnchide, iar abufii se dilata lmpingandpistonul In jos pfin cilindru. Dup:l aceeaaburii sunt admi~i la cel:llalt cap:lt al pistonu-lui, lmpingandu-l lnapoi prin cilindru. Aburiidin primul cap:lt ies pfitr-un canal de evacua-re. Aburii sunt admi~i altemativ la fiecare ca-p:lt al pistonului, iar cel:llalt cap:lt este conec-tat automat la canalul sau teava de evacuare.

La rnajoritatea rna~inilor cu abufi pentru fie-care piston 1ntregul proces este controlat de osingurn supap:lln forina literei D. Aceasta alu-nec:l 1nainte ~i lnapoi pentru a face leg:lturilecu canalele de admisiune ~i de evacuare a abu-filor. Unele ma~ini mai mafi cu aburi au supa-pe separate pentru fiecare cap:lt al pistonului.

ManiveleMi~carea de "du-te-vino" a pistonului estetransformata In mi~care rotativ:l prin interme-diul unei biele de racordare ~i al uneirnanivele. Manivela este un brat ata~at la unvolant greu, iar biela de racordare face leg:lturalntre rnanivel:l ~i piston, sau o biel:l ata~ata laun piston. Pe m:lsurn ce pistonul se deplaseaz:llnainte ~i 1napoi, rnanivela se lnvarte ~i volan-tul unifonnizeaz:l forta de rnsucire produs:l.

Cand abufii dintr-un cilindru se dilata,temperatura lor scade. Un efect similar putemobserva la folosirea unei cutii cu aerosol.Dilatarea gazului propulsor face vapofizatoruls:l fie rece la atingere. La o ma~in:l elementar:l

lui sau a carbunilor. in centralele nuclearecaldura este produsa prin reactii nucleare.

Dubla ac1iuneLa o rna~ina cu aburi simpla presiunea aburiloreste exercitata asupra unui capat al cilindruluipentru a-l pune in mi~care. insa la rnajoritateama~inilor cu aburi, ambele capete ale pistonu-lui sunt folosite pentru a produc~ fol1:l meca-nica. Aburii sunt intai admi~i la un capat al pis-

O O ma~ina cuaburi de mare pre-siune, cu doi cilindri,folosita mai demultintr-un cargobot mic.

cilindru odata ce pistonul se Intorcea In pozi-tia initiala. Aceasta ~i alte Imbunatatiri conce-pute de Watt au facut ca ma~ina cu aburi sapoata fi folosita Intr-o gama larga de aplicatii.

In perioada victoriana, locomotive cu aburiputemice revolutionasera deja calatoria pe us-cat. Ma~inile cu aburi au facut posibile ~i tipa-rirea ziarelor, torsul ~i tesutul textilelqr ~i actio-narea ma~inilor de spalat In "spalatoriile cuaburi". Ma~inile cu aburi puneau 1:n mi~carecaruselele, iar unii fennieri foloseau energia deabur pentru a ara pamantul. Antreprenorii decuraJ;atorii aveau aspiratoare cu aburi, ~i la celemai bune frizerii din ora~e existau chiar ~i periipentru masarea capului actionate de aburi.

Miscarea rotativaMajoritatea pr;melor ma~ini cu aburi produ-ceau o mi~care alterhativa (de "du-te-vino")prin intermediul pist9anelor care se deplasauIn cilindri. Aceasta mi~care a putut apoi sa fietransformata In mi~care rotativa prin mijloacemecanice.

Turbinele cu aburi produc ~carea rotativanemijlocit prin fo11a aburilor. Mai multi inven-tatori au experimentat cu turbine cu aburi 1:nanii 1800, Insa abia In anul 1884 a aparut unmodel eficient ~i manevrabi, inventat de ingine-rul englez Charles Parsons. La cativa ani de lainventie turbinele Parsons erau folosite la pro-pulsarea vaselor ~i actionarea generatoarelor.

Transformarea energieiMa~inile cu aburi ~i turbinele transforma caldu-ra 1n energie. La ambele caldura produsa decombustibil este folosita la fierberea apei, obti-nandu-se un volum de aburi de 1.600 de ori maimare, iar aburii comprimati pr6voaca mi~care.La motoarele cu piston, aburii se dilata 1ntr-uncilindru, 1mpingand un piston. La turbinele cuaburi, abu1ii care se dilata aqioneaza rotoare. Inambele cazuri, aburii pierd energie tennica.

Ma~inile cu aburi ~i turbinele sunt exemplede motoare cu ardere extema, deoarece caldurase aplica In afara sectorului de lucru, de obiceiprin combustie -arderea combustibililor. Aburiisunt creati In fierbatoare prin arderea petrolu-

42

Page 3: Motoare cu aburi

O La motorul cuaburi cu triplaexpansiune aburii sedilata in trei faze.Mi~carea in sus ~i injos a pistoanelor incilindri invartearborele cotit cumanivela.

MA$INA CU ABU~I CU EXCITATIE MIXTA(CU TRIPLA EXPANSIUNE)

O La o ma~ina cuaburi cu dubla ac,i-une, o supapa gli-santa dirijeazaautomat fluxul deaburi spre pistoane~i de la pistoanespre canalul deevacuare.

MA$INA CU ABURIIN ECHICURENT

CU DUBLA ACTIUNEO Mi~carea de "du_-

1. declic liber2. canal de admisiune3. piston4. canal de evacuare5. canal de admisiune6. biela pistonului7. declic liberB. ~ina de ghidare9. glisiera (patina ghidata)

10. biela de racordare11. volant (inertie mare) 7

10

s

6

rea aburilor

pe primacursa

la vase, ~i unele nave germane avea4 motoarecu o apatra faz~ de expansiune.

Ma~ini cu aburi in echicurentMa~inile cu aburi 1n echicurent sunt conceputepentru a reduce pierderile de c~ldura, redu-cand schimbarile de temperatura 1n cilindru.Aburii admi~i la capetele cilindrului se dilata: ~isunt.evacuati prinr-un inel de canale de evacu-are aflat la mijloc. Astfel cilindrul ramane rela-tiv fierbinte la capete ~i mai rece la mijloc, undese afl~ 1n contact cu aburii dilatati. Cilindrul nueste supus la schimb~ri mari de temperatura,astfel pierderile de c~ldura sunt minime.

TurbinePrincipala parte activ~ a unei turbine este roto-rul pe care este montata: o garnitura de palete.Rotorul se afl~ 1ntr-o carcas~ prev~zuta: cu pale-te f1Xe pentru dirijarea fluxului aburilor. Rotoruleste actionat de aburi aflati sub mare presiune.

Aburii ajung 1n carcasa turbinei prin ajutaje.cand aburii sunt eliberati, presiunea lor scade~i ei se dilata:. Aceasta: dilatare determin~ cre~-terea vitezei lor, care poate 1ntrece de maimulte ori viteza sunetului. De exemplu,

aburilor pecursa de

inapoiere

O La o ma~ina cu aburi in echicurent aburii

dintr-un capat al cilindrului imping pistonul ~iies prin canalul de evacuare. Aburii dincelalalt capat sunt evacua1i pe acela~i traseu.

PRINCIPIUL MA$INII CU ABURI iN ECHICURENT cu aburi cu dubla actiune, dilatarea aburilor

determina racirea acelul capat al cilindruluiunde urmeaza sa fie admi~i aburi noi.

Daca aburii sufera o dilatare mare, racireaprodusa determina pierderi excesive de caldu-ra In ma~ina. Aceste pierderi pot fi compen-sate arzandu-se mai mult combustibil, Insaaceasta reduce eficacitatea ma~inii. Schim-barea de temperatura poate fi redusa prin limi-tarea presiunii vaporilor admi~i In cilindru, ast-fellncat sa aiba loc o dilatare mai redusa. insaacest lucru reduce puterea ma~inii.

Ma,ini cu excita1ie mixtaProblema poate fi rezolvata permitandu-semai Intai dilatarea partiala a aburilor Intr-uncilindru mic, de mare presiune. Aburii evacu-ati din acesta sunt apoi trecuti Intr-un cillindrumai mare, de presiune scazuta, unde continuadilatarea. Ma~inile cu aburi care folosesc doisau mai multi cilindri In acest fel se numescma~ini cu excitatie mixta.

Motoarele cu tripla expansiune sunt ma~inicu excitatie mixta cu cilindri de mare presiurie,de presiune medie ~i de presiune scazuta,Astfel de motoare au fost foarte mult folosite

43

te-vino" a pistonuluila aceasta ma~ina cuaburi in echicurent

ac,ioneaza prinintermediul bielei deracordare pentru ainvarti volantul.

Page 4: Motoare cu aburi

MA$INILE CU ABURI

produc curent altemativ (ca). Acest tip decurent i~i altemeaz~, sau i~i schimb~ directiafluxului de multe ori in fiecare secund~.

Frecven1a distribu1ieiin majoritatea t~rilor europene sistemul dedistributie a electricit~tii fumizeaz~ curentcare efectueaz~ 50 de cicluri, sau mi~c~ri de"du-te-vino" complete In fiecare secunda.Aceasta se nume~te frecventa. distributiei, ~i seexprim~ in 50 hertzi (50 Hz), un hertz fiind ounitate egal~ cu un ciclu pe secund~.

Frecventa curentului produs depinde deviteza de rotatie a turbinelor ~i a generatoa-relor. Pentru a produce curent cu o frecventade 50 Hz, turbinele trebuie s~ se roteasc~ la3.000 rpm. in America de Nord frecventa ali-mentarii de la retea este de 60 Hz, ~i aceasta seobtine prin rotirea turbinelor la 3.600 rpm.

Unele ceasuri electrice ~i electronice se ba-zeaza pe frecventa alimentarii de la retea pen-tru a functiona Cu precizie. Ceasurile electricealimentate de la retea au motoare a c~ror vitez~este controlata de frecventa. Unele ceasuri elec-tronice digitale folosesc alimentarea altemativ~pentru a produce impulsuri reglate cu preciziepentru a controla viteza cu care functioneaz~.

Din acest motiv trebuie s~ existe o compen-satie pentru orice variatie a vitezei turbinei, ast-fellncat numarul total de cicluri ale curentuluiproduse s~ fie corectat cat de repede posibil.De exemplu, dac~ un generator incetine~te,ceasurile ar1ffientate de la retea vor ramane inunru1. ins~ In scurt timp ele vor arata din nouora exacta deoarece viteza turbinelor va fiputin marita pentru a se corecta eroarea.

dilatarea aburilor de la o presiune de 12 atrnos-fere la O presiune de 0 jumatate de atrnosferaii da O viteza de aproximativ 1.100 m/s.

Vitezi mare, energie mareAburii care se deplaseaza cu 0 viteza atat demare au $i .energie foarte mare, care insa nupoate fi cu u$urinta transferata in intregime lapaletele de rotor ale turbinei. Pentru un trans-fer maxim de energie de la aburi la turbina,paletele trebuie sa se deplaseze cu jumatateavitezei aburilor. Acest lucru este adesea greu deobtinut, $i O mare parte din energia disponibilapoate sa se piarda. O modalitate de a depa$iaceasta problema este folosirea mai multor gar-

TURBINA CU EXCITATIE MIXTA evacu~r~~

presiune compusa pale_te

admisiuneaaburilor

presiune mare in palete6 faze fixe

(cu viteza compusa)

presiune sc3-zut3 in 4 faze

evacuareaaburilor

niturl de palete de turbirul, la fiecare garnitur:lavand loc doar o parte din sc~derea total~ depresiune. Asemenea turbine sunt cu presiunecompus~. Lungimea paletelor cre$te progresivde la canalul de admisiune la cel de evacuarepentru a asigura spatiu de dilatare aburilor.

La unele turbine aburli su.nt trecuti de la ogamitur:l de palete mobile la o a doua, $i une-orl la o a treia gamitur:l, f~r:l s~ le fie permis~continuarea dilat~rli. Turbinele de acest tip sespune c~ sunt cu vitez~ compus~.

Turbine navaleLa unele vase cu aburl o turbin~ actioneaz~ ungenerator de electricitate. Acesta pune in functi-une un m9tor electric, care pune in mi$careelicea. La alte vase o turbina determirul trecereaelicei printr-un set de reductoare. Acestea trans-form~ viteza de rotatie in viteza relativ mica ne-cesar:l pentru ca elicea s~ functioneze eficient.

Pe navele marl, In locul unui singur rotorde turbin~ lung, se pot instala una lang~ cea-lalt~ dou~ rotoare mai scurte, legate la aceea$isurs~ de aburl. Astfel se reduce lungimea tota-l~ a motorului, iar rotoarele de acest fel sespune c~ sunt compuse In cruce.

Centrale energeticeTurbinele imense folosite In .centralele ener-getice actioneaz~ generatoare de electricitate.Pentru puterl de pan~ la 300 MW (300.000kW), un singur $ir de rotoare de turbin~ actio-neaz~ un generator. Pentru o putere mai mare,dou~ rotoare compuse In cruce actioneaz~generatoare separate.

Generatoarele din centralele energetice

4

presiunemare in

centru presiune scazutala periferie

admisiunea aburilor

PRINCIPIUL TURBINEI RADIALE3

2O Aceast3 turbin3cu excita~ie mixt3(sus) are dou3sec~iuni cu vitez3compus3. La turbinaradial3 (mai jos),aburii ies spreexterior.

O O turbina cu

viteza compusa, cu

o singura faza

s

6

TURBINA CUVITEZA COMPusA.CU O SINGURAFAZA

7

1. mecanism de reglare asupapei de admisiune

2. supapa de admisiune3. ajutaj pentru aburi4. reductoare pentru

aburi5. palete mobile (prima

garnitura)6. palete mobile (a doua

garnitura)7. palete fixe

intermediare8. evacuarea aburilor

.5tiint~ ~i tehnologie 12 -TRENURI .5tiint:I ~i tehnologie 55 -ENERGIA NUCLEARA44