Построение в процессе проектирования паровой машины предполо­жительной индикаторной диаграммы должно сопровождаться построе­нием золотниковой диаграммы и определением элементов парораспреде­ления, так как только при этом условии можно реализовать жела­тельный процесс в цилиндре паровой машины.

Выбрав наиболее подходящие для данного процесса машины фазы распределения, характеризуемые степенями наполнения, сжатия и пред­варения впуска и выпуска, необходимо путем построения золотниковой диаграммы проверить возможность их осуществления и внести необхо­димые уточнения и исправления. Только после окончательного согла­сования фаз и определения размеров внутренних органов парораспре­деления можно правильно подойти к такому ответственному моменту проектирования, как построение индикаторной диаграммы. Ввиду слож­ности процесса втекания пара в цилиндр приходится пользоваться эмпи­рическими способами построения отдельных элементов диаграммы. Один из таких способов и будет изложен.

Исходными параметрами пара должны быть давление пара ра в кг/см2 абс. и температура его в °С перед впускным вентилем машины. В некоторых случаях за исходные параметры принимаются давление пара рк в кг/см2 абс. и температура tne в °С при выходе из котельной установки.

В последнем случае необходимо учесть потери давления при про­текании пара от котельной установки до впускного вентиля. Эта по­теря давления Ар может быть определена следующими способами:

1) по формуле

&Р= ^ ^ rwlp кг/см2, (370)

где 1тр— длина трубопровода в м;

dmp — внутренний диаметр трубопровода в м;

Т — удельный вес пара в кг/м[27];

wmp — скорость течения пара в м/сек;

2) для локомобилей с короткой пароподводящей трубой по опыт­ным данным Людиновского и Сызранского заводов, приведенным в виде графиков Ap=f{Sj) в зависимости от величины степени напол­нения (фиг. 162, а); величина Ар в этом случае включает также и потери давления во впускном вентиле и в золотниковой коробке.

При расчете размеров пароподводящего трубопровода принимаются следующие значения скорости течения пара:

1) для насыщенного пара wmp = 20 - г - 30 м/сек;

2) для перегретого пара wmp = 30-f-40 м/сек, но не более 60 м/сек.

Потерю давления при проходе пара через впускной вентиль и золот­никовую коробку (в мертвом положении поршня) на основе практики можно принять в следующих пределах:

Рх—Р = 0,05-г-0,2 кг/см2.

Перед тем как приступить к построению индикаторной диаграммы, необходимо установить целый ряд величин, характеризующих рабочий процесс машины и служащих основой построения.

Величину вредного пространства необходимо выбирать возможно меньшей, учитывая, однако, тип парораспределения, размеры и кон­струкцию машины. Для облегчения выбора в § 4 настоящего раздела приведены проверенные практикой значения относительного вредного пространства е0 для машин с различными типами парораспределения.

Имея значение s0, можно подготовить систему координат, в кото­рой по оси абсцисс будут откладываться отрезки, изображающие при-

.Фиг. 162. Графики опытных зависи­мостей для построения предположи­тельных индикаторных диаграмм:

а — Др — / (є,); б — Дє = F (&,У, в—ДЛ — ф (Ej); 7 — для стационарных локомобилей при рк — 15 ата и п = 150 -4- ЗЮ об/мин; 2 — для пере­движных локомобилей при рк — 13 14 ата

и п = 250 -з - ЗэО об/мии; 3 — для быстроходных машин при рк = 20 24 ата и л = 400

-г - 700 об/мни.

веденную длину вредного пространства S0 и величину хода поршня 5, как это выполнено на фиг. 132 и 163.

Для проведения линии расширения, представляющей собой поли­тропу 12, необходимо иметь начальную точку и величину показателя политропы п.

В табл. 26 приведены значения показателя политропы для перегре­того пара.

В настоящее время применяются два способа построения линии рас­ширения.

По одному способу линию расширения строят сверху вниз, зада­ваясь величиной степени наполнения ег, а по второму — снизу вверх по давлению пара в конце расширения р2.

В обоих случаях основываются на величинах, проверенных долго­летней практикой создания и эксплоатации паровых машин.

Так как к концу впуска давление пара в цилиндре уменьшается (ср. фиг. 134 и 145), а определение его величины в момент отсечки теоретическим путем затруднительно, то для построения предположи-

1мм-р. ркг/см

тельных диаграмм пользуются теоретической степенью наполнения

с

е — г (фиг. 134 и 163) и линию расширения проводят через точку V 6

(давление пара по теоретической линии наполнения Ы' постоянно и, равно р кг/см* абс.).

Теоретическая степень наполнения меньше действительной. Анализ диаграмм, снятых с паровых машин, показывает, что

е1 т =

При расчете локомобильных паровых машин величину теоретической степени наполнения можно получать по следующей формуле:

si г ~ h — ^s - (371)

Значения Де по данным Людиновского и Сьпранского заводов при­водятся в виде графиков Де = /г(е1) на фиг. 162, б.

Формула (371) устанавливает только связь между величинами ет и

Значение степени наполнения при проектировании машины выби­рается в зависимости от того, при какой нагрузке (нормальной, номи­нальной или какой-либо другой) будет производиться расчет, для каких условий работы предназна єна машина и каков! ее конструкция.

Чем выше принимается нагрузка машины, тем большую степень на­полнения приходится брать. Если желательно получить паровую ма­шину небольших размеров, не считаясь с ее экономичностью, то для расчета принимают большие значения степени наполнения. Для повы­шения экономичности необходимо степени наполнения уменьшать по сравнению с предыдущим случаем.

В зависимости от типа распределения пара в паровых машинах при­меняются следующие величины теоретической степени наполнения:

гх т — 5 - г-100/,, для прямоточных машин однократного расширения и с конденсацией пара;

г1Т = 10-г-40°/0 для машин с клапанным распределением пара;

ът =е= 20—г - 50°/0 для машин с золотниковым парораспределением.

Указанные данные позволяют наметить на диаграмме положение точки /' и провести через нее политропу расширения пара, применяя описанные в § 4 настоящего раздела графические способы ее по­строения.

Линия расширения проводится до точки 2 (фиг. 163), изображаю­щей конец расширения и начало предварения выпуска. Положение точки 2 характеризуется величиной степени предварения выпуска є2, зависящей от типа паровой машины, ее быстроходности, а при золот­никовом парораспределении и от величины нагрузки машины.

При золотниковом парораспределении уменьшение степени наполне­ния связано с увеличением степени предварения выпуска и обратно.

В паровых машинах с числом оборотов не выше 300—400 в ми­нуту степень предварения выпуска е2 имеет значения:

бг = 5-г-15°/0 при выпуске отработавшего пара в атмосферу;

е2 = 8-г-2П°/0 при конденсации пара;

е2— 2-г-6°/0 в цилиндрах высокого и среднего давления при много­кратном расширении пара;

е2 = 10 —20°/о для прямоточных машин.

В быстроходных машинах (число оборотов 500—2000 в минуту) значения е2 доходит до 25°/0 для обеспечения достаточно быстрого вы­пуска пара из цилиндра.

При построении линии расширения снизу вверх необходимо за­даться величиной давления пара р2 кг! см2 абс. в конце расширения

(в точке 2'). При выборе давления р’2 необходимо учесть, как и при выборе степени наполнения, условия работы машины в отношении ее габаритов и экономичности. Меньшие значения р2 соответствуют более экономичному рабочему процессу машины, но зато и большим ее раз­мерам.

Следующие проверенные практикой значения давления пара в конце расширения для машин различных типов могут оказать известную по­мощь при выборе исходных данных:

р2 == 1,6 - г - 4,5 кг/смг абс. для одноцилиндровых машин без конден­сации;

р'—0,6-f-1,8 KzjcM2 абс. для одноцилиндровых машин с конден­сацией;

р2 = 1,2-г-2,4 кгісм2 абс. для ц, н. д. машин двукратного расши­рения без конденсации;

р2 = 0,7-ї-1,5 KzjcM2 абс. для ц. н. д. машин двукратного расши­рения с конденсацией;

р2 — 0,4-f-0,9 KzjcM2 абс. для ц. н. д. машин трехкратного расши­рения с конденсацией.

Так как паровая машина локомобиля должна быть компактной, то давления р2 в конце расширения имеют значения, приближающиеся к верхнему пределу.

После нанесения на индикаторную диаграмму линии расширения V 1 2 2’ (фиг. 163) можно провести линию впуска пара Ы.

Для паровой машины локомобиля положение начальной точки линии впуска b определяется, как указывалось выше, давлением пара перед машиной и величиной Ар, которая находится по графику Ар = /(еа) на фиг. 162, а.

Линия впуска при достаточной величине открытия окна изображается прямой с некоторым наклоном к оси абсцисс. Для определения наклона линии впуска проводим на диаграмме прямую (фиг. 163), параллельную оси ординат и делящую ход поршня пополам. На этой прямой от ли­нии bl'd! вниз откладываем отрезок d'd, в масштабе ьр KZ^ изобра­жающий величину Ah в KzjcM2, которая в соответствии со значением находится по графикам Ah = ^ (еа) (фиг. 162, в).

Прямая bd (фиг. 163) дает наклон линии впуска. Пересечение ее в точке q с прямой l'q отмечает примерно начало мятия пара при по - ступлений его в цилиндр. Изменение давления пара в конце впуска характеризуется кривой ql, которая проводится таким образом, что прямая bq в точке q касательна к ней, а в точке 1 она имеет общую касательную с политропой расширения. Таким образом, линия впуска bql состоит из прямолинейной части bq и кривой ql.

Изменение давления при предварении выпуска изображается ли­нией 2/ (фиг. 163), которая проводится от руки на глаз.

Линия выпуска /3 на предположительной диаграмме проводится как прямая, параллельная оси абсцисс.

Величина давления пара в период выпуска выбирается по данным, приведенным в § 4 данного раздела.

Линия сжатия 34 на предположительной диаграмме проводится как политропа, показатель которой выбирается по данным § 4 данного раздела.

Величина степени сжатия е3 обычно определяется при построении золотниковой диаграммы, которая строится по заданным гг, е4 и s2- Однако величина степени сжатия должна быть такой, чтобы обеспечить давление в конце сжатия р4 в следующих пределах:

1) = (0,4-г-0,75) pj KzjcM2 абс. в одноцилиндровых машинах с выпуском в атмосферу и в ц. в. д. машин с многократным расшире­нием пара:

2) р4 = 2-т-2,5 кг/см2 абс. в машинах с конденсацией.

Чтобы осуществить желательные давления в конце сжатия, величина степени сжатия должна лежать в пределах:

е3 = 5 - г-15% для ц. в. д. машин с многократным расширением пара;

е3 = 20-ь60°/0 для одноцилиндровых машин без конденсации пара (большие значения при меньших степенях наполнения);

е3=Ю-ьЗО°/0 для цилиндров, из которых пар поступает в кон­денсатор;

е3 = 80-ь90°/0 для прямоточных машин без дополнительного вы­пуска пара через золотники или клапаны.

В быстроходных машинах необходимо учесть повышение давления пара в цилиндре в конце выпуска за счет уменьшения сечения для про­хода пара. В этом случае можно считать, что

Рз = (1,05 - ь 1,5) ршп кг/см2 абс.

Величина степени предварения впуска выбирается в пределах е4 = 0,5 ~ 3°/0 в зависимости от числа оборотов машины.

Изменение давления во время предварения впуска изображается на диаграмме прямой 4Ь.

Для лучшего усвоения изложенного материала рассмотрим следую­щий пример.

Построение предположительной индикаторной диаграммы для одноцилиндровой машины однократного расширения при номинальной эффективной мощности.

Исходные данные машины:

1) эффективная номинальная мощность Ne = 25 л. с.)

2) число оборотов вала п = 300 в минуту;

3) давление пара в котле рк = 14 ата

4) температура пара при выходе из пароперегревателя (в зависи­мости от рода топлива) tne = 300=340° С;

5) выпуск пара в атмосферу через конус;

6) парораспределение золотниковое — цилиндрический золотник с вну­тренним впуском и приводом от переставного эксцентрика.

В верхней части фиг. 163 располагаем индикаторную диаграмму со стороны крышки, а в нижней — золотниковую.

Отрезок, изображающий длину кривошипа, возьмем равным 100 мм. Следовательно, ход поршня на индикаторной диаграмме изобразится отрезком длиной 200 мм. Линейный масштаб jj,$ м! мм нам неизвестен, так как величина хода поршня еще не определена.

В прямоугольной системе координат р — S для построения индика­торной диаграммы от начала координат вдоль оси абсцисс откладываем отрезок, изображающий приведенную длину вредного пространства S’,, к м. Приняв, согласно данным § 4, для распределения цилиндрическим золот­ея/ 200-8 1С

ником е0 = 8°/0, получим длину отрезка, равную = 16 мм.

Отложив далее по оси абсцисс отрезок длиной 200 мм (ход поршня в масштабе), проведем через оба его конца прямые, параллельные оси ординат. Между этими прямыми расположится индикаторная диаграмма.

Чтобы получить достаточно четкую диаграмму, примем масштаб да­влений равным

Ир = 0,!

Атмосферная линия, изображающая давление атмосферного воздуха, пройдет параллельно оси абсцисс на расстоянии 10 мм от нее. Линия ■давления пара в котле рк = 14 кг/сж2 абс. также параллельно оси абсцисс проводится от нее на расстоянии

14 14 ,,л

— =тт-; = 140 мм.

Е-р 0,1

Для определения необходимых фаз распределения переходим к по­строению совмещенной золотниковой диаграммы.

Между двумя прямыми (фиг. 163), проведенными через концы отрезка, изображающего ход поршня, радиусом ОА = 100 мм из центра О описываем окружность главного кривошипа (поршневую окружность). Горизонтальный диаметр АткАш представляет собой также и траекторию поршня. Так как мы считаем, что сторона крышки обра­щена влево, то с левой стороны окружности наносим схематическое изображение цилиндра. Отмечаем также направление вращения криво­шипа — в направлении часовой стрелки.

конечной длины шатуна ^принимаем, что X = =

используем метод проф. Брикса. Величина поправки,

равная

будет изображаться отрезком, равным

кривошипа (эксцентриситета) г.

Рассмотрим, какие для данного случая значения должны получить степени наполнения, предварения впуска и выпуска.

Так как расчет машины производится по номинальной (максимально длительной) мощности и машина, как указывалось выше, должна иметь небольшие габариты, то значение степени наполнения для стороны крышки может быть принято равным к — 40%. Путь поршня во время впус. а со стороны крышки Sx к выразится при этом отрезком длиной

= 80 мм.

Рассматриваемая паровая машина не является быстроходной, но она все же имеет достаточно большое число оборотов (п — 300 об/мин). Поэтому степень предварения впуска не должна быть меньше 1 — 1,5°/0. Выберем для расчета s4 к = 1,5%. Величину степени предварения выпуска по той же причине возьмем равной е2К=14,5%.

Путь поршня при предварении впуска SiK изобразится отрезком дли-

ной 2П? пт;’- = 3 мм, а при предварении выпуска S2K — длиной 2°°, лтг - = = 29 мм.

Теперь мы имеем достаточно данных и можем приступить к построе­нию золотниковой диаграммы.

Отрезки, изображающие перемещения поршня при впуске пара S1K и при предварении впуска % к, откладываем по оси абсцисс индикатор­ной диаграммы от прямой ЬАтк вправо, а отрезок, представляющий перемещения поршня при предварении выпуска S2K, — от прямой /Атв влево.

Через концы отложенных отрезков проведем прямые, параллельные оси ординат диаграммы, и заметим пересечение их с окружностью главного кривошипа в точках А1К, AiK и Агк. Соединив эти точки с центром вращения кривошипа точкой Р, получим следующее его положение:

1) РА1К — положение кривошипа в момент окончания впуска и начала расширения;

2) РА4 к — конец сжатия и начало предварения впуска;

3) РА2к — конец расширения и начало предварения выпуска.

Точки пересечения этих прямых с золотниковой окружностью FlK,

Рік и Р2 к характеризуют соответствующие положения золотникового кривошипа, совмещенного с главным.

Прямая ММ, делящая угол А4 кРАг к пополам, представляет собой условную траекторию золотника. На левом ее конце условным значком отмечаем расположение золотника с внутренним впуском пара.

Опустив из точки F2 к на прямую ММ перпендикуляр и продолжив его до пересечения в точке Р3 к с золотниковой окружностью, получим положение обоих кривошипов РА3 к и PF3 к в момент конца выпуска и начала сжатия.

Через точку А3 к проведем прямую, параллельную оси ординат, и тем самым отметим на индикаторной диаграмме положение точки 3.

Путь поршня во время сжатия S3K выражается отрезком длиной 68 мм. Это соответствует степени сжатия, равной

= Ц 100 = до­полученное значение е3 к укладывается в допустимые пределы для данного типа машин (г3 = 20 ч - 60°/0).

Ввиду этого можно считать фазы распределения для стороны крышки установленными.

Соединив прямыми точки F4 к и F1 к, а также F2 к и F3 к, получим линии перекрыш впуска и выпуска со стороны крышки, отмеченные размерами ек и гк.

Определим фазы распределения для стороны вала. Как уже изве­стно, фазы для распределения при конечной длине шатуна получаются различными в полостях крышки и вала.

Анализ построенной золотниковой диаграммы показывает, что при еі8 = єік степень предварения впуска со стороны вала получилась бы чрезмерно большой (больше 3%); наоборот, при г4 в = в4 к степень наполнения со стороны вала была бы значительно меньше, чем в4 к. Поэтому установим для в4в наибольшее допустимое значение при дан­ном числе оборотов, равное примерно в4„ — 2,6°/0.

Проведя графическое построение, получим, ЧТО Ej в = 38°/0-

Аналогичным образом, задаваясь величиной s2 „ = 14°/0, находим s38 = 31,4%.

Так как все полученные фазы хорошо укладываются в намеченные пределы и со стороны крышки и вала мало отличаются друг от друга, их можно принять для построения предположительных индикаторных диаграмм и проектирования машины.

Переходим к построению предположительной диаграммы.

Исходным давлением для построения диаграммы локомобильной паро­вой машины служит давление пара в котле рк= 14 кг/см2 абс. Потерю давления пара на пути от котла до цилиндра машины находим

по графику Др—/(£j) на фиг. 162, а. Для машины передвижного локо­мобиля необходимо использовать кривую 2, по которой для Sj = 40°/о‘ находим величину Ар = 0,25 кг/см2.

Давление пара в цилиндре при мертвом положении поршня р' =

— рк — Ар— 13,75 кг'см2 абс.

Эго давление изображается на диаграмме (фиг. 163) прямой b I'd'.

Теоретическая степень наполнения ех т находится по уравнению (371), а величина As — по кривой 2 графика As = F (гг) на фиг. 162,6’.

При £j = 40°/о Де = Ю°/0 и, следовательно, ех т = 40 — 10 = 30°/о.

Перемещение поршня за время теоретического наполнения S1 т

, 210-30 ап

в масштабе выразится отрезком, равным Ы — ~юо~ ~ °0 ММш

Этот отрезок откладывается от дючки b вправо.

Точка Г является началом политропы расширения.

Температура перегретого пара 300—340° С при рк= 14 KtjcM2 абс. соответствует степени перегрева Д^ = 106-г-146° С, что в среднем дает А(ср — 126° С. По графику на фиг. 135 или по табл. 26 находим соответствующее значение среднего показателя политропы расширения, равное п = 1,2.

Графическое построение политропы V 122' проведем по способу, изложенному в § 4 настоящего раздела, приняв угол а = 30° и ^ = 36° (по табл. 28). Давление пара в конце расширения получилось равным р2 = 4,5 кг/см2 абс. При расширении пара до точки 2' давление его станет равным р2 = 3,9 кг[см2 абс.

Полученные значения р2 и р’2 не превышают верхних допустимых

пределов, следовательно, можно считать, что рабочий процесс машины будет протекать в нормальных условиях.

Возвращаемся теперь к построению линии впуска. Пересечение поли­тропы V 22' с прямой, проведенной через точку А1К золотниковой диа­грамм ы параллельно оси ординат, дает точку /, определяющую конец впуска и начало расширения.

От точки d' вниз по средней линии диаграммы откладываем отрезок d'd, в масштабе давлений изображающий величину ДЛТ которая находится по кривой 2 графика ДЛ = ф (Sj) на фиг. 162, в и для нашего расчета равна АЛ — 3,3 кг^см2.

Точки bud соединяем прямой и отмечаем точку q пересечения ее с линией, проведенной через точку /' параллельно оси ординат.

Точки q и 1 соединяем плавной кривой, как указывалось выше, и получаем ожидаемую линию впуска bql.

Линия 2/, проведенная на глаз, дает изменение давления во время предварения выпуска.

Величина постоянного давления в цилиндре в период выпуска может быть принята равной ршп = р3— 1,2 кг’см2 абс. (на 0,2 кг см2 выше среды, куда производится выпуск пара). На диаграмме линия выпуска — отрезок f3.

В точке 3 начинается линия сжатия, которую с достаточной степенью точности можно принять за гиперболу и построить графически по спо­

собу, изложенному в § 4. Конечное давление сжатия оказалось равным /?4 = 5,5 кг/см2 абс. или (при отсутствии предварения впуска) р'к = == 6,2 кг]см2 абс. Эти значения также соответствуют указанным выше пределам:

pi = (0,4 —0,75) кг/см2 абс.

Изменение давления при предварении впуска характеризуется прямой, соединяющей точки 4 и b диаграммы.

Совершенно так же строится и предположительная индикаторная диаграмма для полости стороны вала.

Обе диаграммы планиметрируются, и определяются средние индика­торные давления в обеих полостях цилиндра (см. § 5 настоящего раз­дела).

Имея величины среднего индикаторного давления обеих полостей, необходимо определить диаметр цилиндра и ход поршня.

В примере, приведенном в § 6 настоящего раздела, было произве­дено определение размеров цилиндра и получены следующие результаты (соответствующие построенным индикаторным диаграммам): D = 14 см и 61 = 0,23 м.

Эти данные позволяют теперь определить размеры внутренних орга­нов парораспределения, как это указывалось в предыдущем параграфе.

Диаметр золотника (см. § 18) берется по формуле (361).

Для нашего случая, чтобы не увеличивать размеров золотниковой коробки, можно принять

D30Jl = 0,45D = 0,45-14 = 6,3 ^ 6,5 см.

Определим необходимое проходное сечение паровых окон для впуска и выпуска пара по формулам (357) и (358).

Площадь поршня со стороны крышки равна

Средняя скорость поршня, определяемая по формуле (302), соста­вит

Значение условной скорости пара w* при впуске выбираем по табл. 34. Для перегретого пара рекомендуется принимать w* = 45 м/сек.

Однако для обеспечения возможности работы машины с большими перегрузками, а также на насыщенном паре без значительного ухудше­ния рабочего процесса примем w* = 37 м/сек.

** _ 7* * с си 'шах

Необходимая максимальная величина проходного сечения при этом по формуле (357) будет равна

Длину развернутого парового окна найдем по формуле (360), и это составит

b= 0,67ic-D3tu = 0,67ic-6,5 - 13,68 см.

Величину максимального открытия окна (ширину щели) получим по уравнению (363):

Сопоставляя необходимую максимальную величину открытия окна h’mах с отрезком FnKu', изображающим на золотниковой диаграмме (фиг. 163) это открытие, определяем по формуле (364) величину мас­штаба равную

= 0 0005 /мм_

rs FnKu' 14 '

Зная величину масштаба найдем величины всех перекрыш золот­ника, которые получают следующие значения:

1) перекрыта впуска со стороны крышки ек = p'gPii' = 0,0005-35 = 0,0175 м = 1,75 см = 17,5 мм;

2) перекрыта впуска со стороны вала

ев = 0,0005- 30,6 = 0,0153 м = 1,53 см = 15,3 мм;

3) перекрыта выпуска со стороны крышки

ік = 0,0005-8 = 0,004 м = 0,4 см = 4 мм;

4) перекрыта выпуска со стороны вала

ів = 0,0005-14 = 0,007 м = 0,7 см = 7 мм.

Длина золотникового кривошипа (эксцентриситет эксцентрика) составит

г = PFnK = 0,0005-48 = 0,024 м = 2,4 см = 24 мм.

Угол опережения согласно измерению равен 8 = 59°38

Ширина окна а определяется возможностью обеспечить выпуск пара и находится по формуле (362).

Найдем сначала по формуле (358) необходимое сечение для прохода пара при выпуске. Для возможности работы насыщенным паром и с боль­шой величиной перегрузки возьмем заниженную величину условной ско­рости w** по сравнению с данными табл. 34, а именно w** — 20 м/сек. Тогда площадь проходного сечения окна составит

Ширина паровых окон у передвижного локомобиля П-25 равна 15 мм.