Для того чтобы правильно оценить тепловые качества паровой ма­шины, необходимо сравнить показатели ее работы с некоторой образ­цовой машиной. За такой образец принимается машина, работающая по идеальному циклу без потерь и имеющая органы действительной машины.

Идеальный цикл (с совершенным расширением) паровой машины, предложенный инж. Ренкиным, заключается в следующем.

Питательный насос подает в котел некоторое количество холодной воды (например 1 кг) с температурой t" °С. В котле вода сначала на­гревается до температуры t °С, потом происходит ее испарение при постоянном давлении рк и температуре tH, а затем образовавшийся пар перегревается до температуры tne.

Пар из котла без всякой потери тепла и давления поступает в ци­линдр машины (фиг. 133).

19 Гарькуша и Юшина. 649

Идеальная паровая машина отличается от действительной отсутствием потерь и характеризуется следующими особенностями:

1) поршень, сальники и распределительные органы машины являются полностью непроницаемыми для пара;

2) все перемещения пара совершаются без потери давления, т. е. происходят обратимые процессы;

3) стенки цилиндра выполнены из материала, не проницаемого для тепла, поэтому расширение пара происходит адиабатически, т. е, без

обмена тепла со стенками;

4) расширение пара доводится до давления пара в холодильнике (кон­денсаторе), т. е. является совершен­ным;

5) цилиндр не имеет вредного про­странства, т. е. при выпуске весь пар вытесняется в конденсатор, так как поршень вплотную подходит к крышке.

Вследствие отсутствия потерь впуск пара в цилиндр происходит при постоянном давлении р кгісмі2 абс. и отмечается на диаграмме р — S (перемещение поршня пропорционально объему, описанному поршнем) горизонтальным отрезком В1. В точке / происходит отсечка (в цилиндр поступило все количество образовавшегося пара — 1 кг) и начинается адиабатическое расширение до давления рп — давления в конденсаторе (точка 11 диаграммы). Выталкивание пара в холодильник происходит при постоянном давлении и изображается на диаграмме линией ПО. Точки В к О расположены на оси ординат.

Величина площади B111QB на диаграмме пропорциональна работе идеальной машины.

В конденсаторе пар полностью конденсируется, конденсат по вы ходе из него охлаждается до температуры t" и снова поступает в котел, замыкая цикл.

Адиабатическое расширение пара характеризуется уравнением

pvk = const, (286)

где р — давление пара в цилиндре в кг/см2 абс.;

v—удельный объем пара в м2кг при давлении р в кг/см2-,

k — показатель адиабаты.

Показатель адиабаты равен:

1) для насыщенного пара по формуле (240)

k = 1,035+ 0,1л:,

где х — паросодержание в долях единицы;

2) для перегретого пара

k = 1,3.

После ознакомления с идеальным циклом необходимо рассмотреть процесс действительной паровой машины (фиг. 134), представленный в виде действительной индикаторной диаграммы. Чтобы было удобнее Фиг. 134. Индикаторная диаграмма действительного процесса.

Впуск пара. Впуск пара (предварение впуска началось в точке 4 в действительной машине начинается в мертвом положении механизма (крайнее положение поршня). Соответствующее положение поршня от­мечается прямой, проведенной параллельно оси ординат на расстоянии S0 от крышки (50 — приведенная длина вредного пространства). Давление пара в цилиндре при мертвом положении механизма равно р'х кг (см2 абс. (точка b диаграммы), причем всегда р’х < рр так как пар теряет свое давление вследствие потерь на трение при протекании впускного вентиля, золотниковой или клапанной коробки и паровых каналов, а также теплообмена с более холодными стенками золотниковой коробки и паровых каналов.

При перегретом паре в период впуска происходит передача тепла более холодным стенкам, вызывающая понижение температуры пара и уменьшение величины удельного объема, а следовательно, и давления Особенно интенсивный теплообмен происходит при поступлении в ци­линдр насыщенного пара и сопровождается сильной конденсацией пара с осаждением конденсата на стенки каналов и цилиндра. Это явление носит название начальной конденсации и вызывает значительное увеличение расхода пара.

Перегрев пара в зависимости от его величины частично уменьшает или полностью уничтожает начальную конденсацию.

Линия впуска на диаграмме изображена линией Ы. Первой части впуска пара соответствует максимальное открытие окон и ускоренное движение поршня, двигающегося от крайнего положения.

Потери давления от мятия и трения на этой части впуска будут невелики, но ускоренное движение поршня вызывает ускоренное дви­жение и потока пара, увеличение же кинетической энергии пара возможно только за счет превращения части его потенциальной энергии в кинетическую, что связано с уменьшением давления пара (наклон­ная прямая в начале линии впуска).

Величина открытия паровых окон после достижения максимального значения уменьшается, так как золотник или клапан начинают двигаться в обратную сторону, уменьшая проходные сечения для пара Это умень­шение сечения, вначале незначительное, постепенно увеличивается, вызы­вая все большее и большее сопротивление проходу пара. Давление пара за счет мятия начинает быстро уменьшаться. На диаграмме это падение давления характеризуется выпуклой кривой во второй части линии впуска. В положении поршня, отмеченном на диаграмме точкой /, паровпускной орган распределения полностью закрывает канал, проис­ходит отсечка и начинается расширение пара.

Расширение пара. Закономерность изменения давления в цилиндре машины в период расширения изображается кривой 1—2 (фиг. 134). Вследствие потерь при впуске пара линия расширения действительной индикаторной диаграммы 1—2 располагается ниже, чем кривая I—II, характеризующая расширение в идеальной машине.

В отличие от идеального процесса в действительной машине проис­ходит непрерывный теплообмен между паром и стенками цилиндра. Темпе - тура пара по мере его расширения уменьшается. Температура стенок цилиндра также непостоянна и колеблется около некоторого среднего значения, так как при впуске пара и в начале его расширения, когда температура пара выше температуры стенок, тепло передается от пара к стенкам, а в конце расширения — в обратном направлении, потому что температура пара становится ниже температуры стенок. Величина колебания температуры стенок значительно меньше, чем колебание тем­пературы пара.

Интенсивность теплообмена, т. е. количество тепла, переходящее от пара к стенкам и обратно, зависит от целого ряда причин, из кото­рых основные: 1) величина поверхности стенок, через которые проис­ходит передача тепла; 2) величина колебания температуры пара; 3) время, в течение которого каждая порция пара, поступившая в цилиндр, уча­ствует в теплообмене; 4) качество внешней изоляции цилиндра.

Помимо теплообмена на процесс расширения оказывают влияние перетекание пара через уплотнения поршня, органов парораспределения и утечки пара.

Наличие теплообмена указывает, что процесс расширения в действи­тельной машине не адиабатический, а политропический по уравнению

pvп = const, (287)

где л — показатель политропы.

Линия расширения в машинах, работающих насыщенным паром, соответствует уравнению

pv — const, (288)

(равноосная гипербола), представляющему собой политропу с показа­телем л = 1.

Из исследований действительных индикаторных диаграмм паровых машин, работающих перегретым паром, вытекает, что величина показа­теля политропы расширения:

1) всегда больше единицы и в неко­торых случаях приближается к показателю адиабаты k

2) зависит от степени перегрева пара, т. е. от разности температур М = tne — tH, и увеличивается с увеличением степени перегрева;

3) увеличивается с увеличением числа оборотов машины (уменьшается теплооб­мен со стенками).

Исследование диаграмм подтвердило, что показатель л имеет большее значение в начале процесса расширения (л = 1,1-г 1,4 т. е. превосходит в некоторых случаях показатель адиабаты k = 1,3) и мень­шее— в конце расширения (л = 0,9—г—1,1). Такое изменение величины показателя политропы соответствует тому, что в начале расширения при л > k пар отдает тепло стенкам, а позже при л < k тепло пере­дается в обратном направлении — от стенок пару. Одновременно по мере расширения пара происходит уменьшение степени перегрева М.

Итак, расширение перегретого пара в действительной машине про­исходит по уравнению политропы с переменным показателем.

Для упрощения исследования и проектирования паровых машин обычно принимается, что процесс расширения протекает по политропе с некоторым средним значением показателя л.

На фиг. 135 и в табл. 26 даны приводимые проф. Л. П. Смирно­вым [19] значения показателя политропы расширения л в зависимости от степени перегрева пара М при впуске.

Приведенные в табл. 27 опытные данные характеризуют величину изменения показателя политропы во время процесса расширения для различных степеней наполнения машины Sj и температур пара и позволяют

Таблица 26 Значения показателя политропы расширениями в зависимости от степени перегрева пара Дt° при впуске дг° п j Д/J п п 24 1.000 | 80 )! 1,125 | 140 1,217 40 1,042 100 1,159 |' 160 [ 1,241 60 1,086 120 1,189 180 1,262

Таблица 27 Значения показателей политропы в начале расширения пив конце расширения пі в зависимости от температуры пара FС и величины степени наполнения ег при р = 10 ати Серия t °С е, п л» опытов 204,3 0,168 1,063 1,027 233,6 0,181 1,106 1,076 1 263,9 0,187 1,175 1,078 303,1 0,187 1,191 1,113 286,0 0,096 1,170 1,040 ■> 278,2 0,270 1,320 1.150

сделать заключение о незначительности изменения показателя поли­тропы и о возможности пользования средними значениями показателя. Так как п < k, то это указывает, что в процессе расширения про­исходит переход тепла от стенок цилиндра в пар. Это вполне подтвер­ждает прежние рассуждения.

В положении поршня, соответствующем точке 2 индикаторной диа­граммы, паровыпускной орган открывает паровой канал — расширение пара прекращается и начинается предварение выпуска.

Давление пара в конце расширения р2 выше, чем давление в кон­денсаторе, следовательно, в действительной машине расширение несо­вершенное или неполное.

Несовершенное расширение уменьшает полезную работу действи­тельной машины по сравнению с идеальной.

Преднарение ныпуска. Предварение выпуска, как уже отмечалось выше, предназначено для подготовки парового тракта к выпуску отра­ботавшего пара. За время, когда поршень проходит путь, равный 52 (фиг. 134), происходит открытие парового окна для выпуска пара из цилиндра. В мертвом положении поршня окно должно быть открыто не меньше чем на 70°/0 своего сечения.

Давление пара во время предварения выпуска должно снизиться до давления, которое будет поддерживаться в цилиндре во время выпуска. Выполнение этого условия зависит от величины степени предварения выпуска е2. Чем больше степень предварения выпуска, тем раньше да­вление пара в цилиндре снизится до требуемой величины. На диаграмме фиг. 134 изменение давления дается выпуклой линией 2/. В точке 2 линия 2/ должна быть касательна политропе расширения.

Фиг. 136. Влияние величины предварения выпуска на работу машины: а — отсутствие предварения выпуска; £ — чрезмерно большое предварение выпуска*

Выбор слишком больших значений степени предварения выпуска, как и слишком малых, приводит к увеличению потерь действительного процесса (фиг. 136). Так, отсутствие предварения выпуска (фиг. 136, а) приводит к увеличению площади индикаторной диаграммы, полученной при правильном подборе величины є2, на величину площадки, отмечен­ной знаком плюс, и одновременно к уменьшению на величину площадки, отмеченной знаком минус. Сравнение площадок показывает, что отсут­ствие предварения выпуска вызывает уменьшение полезной работы машины.

Совершенно такой же результат получается при чрезмерно большом предварении выпуска (фиг. 136, б).

В зависимости от типа машины, степени наполнения и величины числа оборотов машины степень предварения выпуска бывает равна s2 = 2ч-20°10. Меньшие значения s2 встречаются у тихоходных машин и при больших степенях наполнения, большие значения — у быстроход­ных машин и при малых степенях наполнения. В машинах е золотни­ковым распределением с увеличением степени наполнения предварение выпуска уменьшается.

В крайнем положении поршня (точка / на фиг. 134) кончается пред­варение выпуска и начинается собственно выпуск.

Выпуск пара. Выпуск пара производится в среду (атмосферу, кон­денсатор, приемник или распределитель пара, предназначенных для технологических надобностей) с давлением рц KzjcM2 абс.

Как бы ни были совершенны паровыпускные органы распределения, все же они создают известное сопротивление проходу отработавшего пара, и давление его в цилиндре во время выпуска будет всегда выше, чем давление ри.

В тихоходных машинах давление в цилиндре во время выпуска остается постоянным и изображается линией /3, параллельной оси абсцисс.

В машинах среднеходных (л == 200-—500 об/мин) наблюдается по­вышение давления в цилиндре, когда поршень двигается сам с наиболь­шей скоростью и ускоряет поток пара, проходящий каналы.

В быстроходных машинах (л > 500 об/мин) Получается заметное повышение давления в цилиндре в конце выпуска, когда паровыпускной орган начинает уменьшать сечение для прохода пара перед полным его закрытием в точке 3.

Кроме того, на величину давления пара в цилиндре оказывает влия­ние нагрузка машины. Чем больше нагрузка, тем большее количество пара поступает в машину, тем больше скорость протекания пара и тем выше будет давление в цилиндре.

Если обозначить среднее давление пара в цилиндре во время вы­пуска через рвып, то при правильно сконструированном парораспреде­лении потеря давления пара при проходе парораспределительных орга­нов равна

дРц = Рвып — Ри = °’1 кг/см2

При выпуске пара через окна в цилиндре (прямоточные машины) потеря давления составит

Арц = 0,05 - г - 0,15 кг/см2

Учитывая это, можно записать, что среднее давление пара в цилин­дре во время выпуска равно

Рвып = Ри + АЛі Кг1СМ2 абС - (289>

На индикаторной диаграмме (фиг. 134) линия /3 представляет линию выпуска. В машинах с золотниковым распределением продолжительность выпуска увеличивается вместе с увеличением степени наполнения.

Если выпуск пара осуществляется только через окна в цилиндре, то продолжительность выпуска и продолжительность предварения вы­пуска равны между собой.

Сжатие пара. Сжатие пара начинается в точке 3 на действительной диаграмме, когда паровыпускной орган полностью закроет паровые каналы, и продолжается до начала предварения впуска в точке 4. На действительной диаграмме линия 3—4 представляет процесс сжатия, кото­рый является политропическим (с переменным показателем), как и про­цесс расширения [уравнение (287)].

Из исследований действительных диаграмм вытекает, что значение показателя политропы сжатия в машинах, работающих насыщенным и слабо перегретым паром, равно и = 1, а в машинах с высокоперегре­тым паром п > 1 и по своим значениям приближается к показателям политропы расширения, особенно в быстроходных машинах.

Степень сжатия в зависимости от типа и конструкции паровой машины получает различные значения є3 = 6—г—90°/0.

Необходимо отметить, что паровые машины, работающие с конден­сацией пара, должны иметь степень сжатия меньшую, чем машины, рабо­тающие без конденсации.

Это требование объясняется следующим образом.

Давление в конце сжатия (точка 4 диаграммы) зависит от величины начального давления и степени сжатия. Во время пуска машин с кон­денсацией давление в конденсаторе будет равно атмосферному, так как разрежение устанавливается только во время работы машины. Поэтому давление пара в конце сжатия при пуске машины будет в несколько раз выше, чем при нормальной работе, может превысить давление пара перед машиной и тем самым затруднить ее пуск.

Всякую машину, рассчитанную на работу с конденсацией, необхо­димо проверить на возможность работы с выпуском пара в атмосферу при выключенном конденсаторе.

Необходимо также отметить, что наличие сжатия пара несколько уменьшает потери, вызываемые вредным пространством. Кроме того, наличие сжатия способствует более плавному ходу машины, так как давление пара на поршень облегчает остановку поршня при подходе его к крайним положениям

Предварение впуска. Предварение впуска в действительной машине необходимо для подготовки паровпускных органов к впуску пара в цилиндр с минимальными потерями. К моменту прихода поршня, в крайнее положение паровпускные органы должны обеспечить доста­точную величину открытия окон для впуска пара в цилиндр с мини­мальными потерями и своевременное заполнение свежим паром вредного* пространства, т. е. свежий пар, поступая во вредное пространство, должен поднять в нем давление с р4 до р'у

Выполнение этих заданных условий зависит от правильного выбора величины степени предварения впуска. Если выполнить распределение пара без предварения впуска, то в мертвом положении механизма паро­вые окна будут еще закрыты и давление пара во вредном пространстве будет равно рА (фиг. 137, а). При движении поршня от крайнего поло­жения паровые окна начнут медленно открываться, и поступление пара будет происходить с большим запозданием и потерями, что вызовет понижение мощности машины и ухудшение ее экономичности. Чрезмер­ное увеличение степени предварения впуска (фиг. 137,6) приводит к тем же результатам, т. е. к уменьшению отдаваемой мощности и к. п. д.

Величина степени предварения впуска обычно бывает равной є4 = = 0,5-4%.

Большую величину степени предварения впуска необходимо назна­чать: 1) быстроходным машинам, 2) машинам с большим вредным про­странством и 3) машинам с малой степенью сжатия (с невысоким да­влением pi).

В крайнем положении поршня предварение впуска заканчивается и начинается собственно впуск.

Итак, были рассмотрены все отдельные элементы действительного процесса машины. Теперь необходимо подвергнуть анализу всю действи­тельную диаграмму и сопоставить ее с идеальной.

Фиг. 137. Влияние величины предварения впуска на работу машины: а — отсутствие предварения впуска; б — чрезмерно большое предварение впуска.

Если продолжить вверх политропу расширения 12 (фиг. 134) до пересечения в точке Г с прямой, проведенной через точку Ь парал­лельно оси абсцисс, то отрезок Ы' будет представлять условную линию впуска пара при постоянном давлении, равном давлению пара в мертвом положении. Условная теоретическая степень наполнения е)7- находится по величине перемещения поршня 5)7- по формуле (281):

Условная теоретическая степень наполнения $17- позволяет, отвлекаясь от величины падения давления во время впуска, сравнивать процессы отдельных машин и упрощает построение предположительной диаграммы.

Сопоставляя диаграммы идеальной и действительной машин, построен­ные для одного и того же количества поступающего в цилиндр пара,

можно оценить качество действительной машины, так как площади диаграмм пропорциональны индикаторной работе машины.

Индикаторная диаграмма действительной машины Ы2/34Ь помещается внутри диаграммы идеальной машины BIIIGB, следовательно, площадь диаграммы действительной машины меньше площади идеальной машины.

Причины, вызывающие потери энергии в действительной машине, следующие.

1. Наличие вредного пространства, вызывающего дополнительный расход пара для его заполнения и увеличивающего поверхность, омы­ваемую паром.

2. Падение давления пара в трубопроводе, впускном вентиле, золот­никовой или клапанной коробке при проходе паровпускных органов и паровых каналов за счет трения, местных сопротивлений, мятия пара яри проходе через малые сечения и отдачи тепла во внешнюю среду (в цилиндре действительной машины дабление в начале впуска р'{ вместо pi). Эти потери увеличиваются при увеличении давления посту­пающего пара, при увеличении скорости протекания пара, при уве­личении тепловоспринимающей поверхности и ухудшении ее ИЗОЛЯЦИИ.

3. Теплообмен со стенками каналов и цилиндра и внешнее излуче­ние. При работе с насыщенным или слабоперегретым паром теплооб­мен приводит к начальной конденсации поступающего в цилиндр пара. Эта потеря частично возвращается в конце расширения, когда тепло передается от стенок к пару. Наличие хорошей изоляции цилиндра уменьшает потери на излучение во внешнюю среду, а наличие паро­вой рубашки уменьшает потери от теплообмена.

4. Несовершенное (неполное) расширение пара только до давле­ния р2, значительно более высокого, чем рц, вызывает также значитель­ное уменьшение полезной работы машины. Для осуществления полного расширения в действительной машине потребовалось бы значительное увеличение объема и размеров цилиндра и веса движущихся частей, а это вызвало бы увеличение потерь от теплообмена и трения движу­щихся частей, которые и поглотили бы все увеличение полезной ра­боты.

Таким образом, допущение несовершенного расширения в паровой машине имеет свое техническое обоснование.

5. Сопротивление проходу пара через паровыпускные органы вызы­вает потерю полезной работы, так как давление пара в цилиндре при выпуске выше, чем давление рц.

6. Сжатие пара, оставшегося после окончания выпуска в цилиндре и вредном пространстве, дает уменьшение полезной работы действитель­ной машины, но, как указывалось выше, способствует более плавной работе машины.

7. Утечки пара через неплотности парораспределительных органов, поршневых колец, уплотнений и арматуры уменьшают количество пара, производящего работу, и тем самым уменьшают полезную работу.

Значительные утечки пара из цилиндра во время расширения ска­зываются на увеличении показателя политропы расширения; наоборот, дополнительное количество пара, поступающего в цилиндр во время
расширения через неплотности паровпускных органов, уменьшает зна­чение показателя.

Таким образом, всякое значительное отклонение величины показателя политропы от нормы дает возможность установить наличие утечек или дополнительного притока пара.

Так как ведется сравнение процесса действительной паровой машины с процессом машины идеальной, а индикаторная диаграмма не учиты­вает механических потерь, то эти потери не могли войти в перечень потерь действительного процесса в цилиндре.

Влияние предварения выпуска учитывается потерями от несовер­шенного расширения и при вы­пуске пара.

Проведенный анализ показы­вает причины, вызывающие потери в действительной машине по сра­внению с идеальной.

При вычерчивании индикатор­ных диаграмм обычно пользуются графическими методами построе­ния политропы и ее частных слу­чаев — адиабаты и гиперболы, по­этому ниже приводятся общеупо­требительные графические методы построения равноосной гиперболы по уравнению (288) и политропы по уравнению (287).

Построение равноосной гиперболы, проходящей через заданную точку 1 (фиг. 138) в системе координат р—5 производится следую­щим образом. Через заданную точку 1 проводятся прямые — горизонталь­ная АВ и вертикальная 1C. Отрезок горизонтальной прямой 1В делится на произвольное число равных или неравных частей, и точки деления обозначаются буквами а', Ь', с' и т. д.

Через начало координат (точку О) проводятся лучи Оа , Ob', Ос', ... и ОБ. Точки пересечения этих лучей с прямой 1C отмечаются буквами а", Ь", с" и т. д. Через точки а’, Ь', с', . . . проводятся вер­тикальные, а через точки а", Ъ", с" . . . — горизонтальные лучи. Пере­сечение лучей, проходящих через отмеченные одинаковыми буквами точки, дают точки а, Ь, с... , принадлежащие гиперболе. Через полу­ченные точки проводится плавная кривая 12, представляющая собой равноосную гиперболу — линию расширения насыщенного (влажного) пара.

Построение политропы с заданной постоянной величиной показателя (фиг. 139) заключается в следующем.

Из начала координат точки О проводятся прямые: 1) ON под про­извольным углом а к оси абсцисс Ох и 2) ОМ под углом к оси ординат Оу. Величина угла р определяется уравнением

l+tgP = (l+tga)« (290)

Через точку /, принадлежащую политропе, проводят прямые: гори­зонтальную А1 и вертикальную 1В и отмечают точки пересечения ли-

точки политропы. Соединение точек 1, а, b и последующих плавной кривой дает искомую политропу с заданным средним показателем п.

Угол а для построения политропы очень часто принимается равным 30°. Вычисленные для этого случая значения второго угла f) по формуле (290) приведены в табл. 28.

Таблица 28

Значения угла р в зависимости от величины показателя политропы п при а — 30° п 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 р 30° 31°30' СО СО о 34°30' 36° 37°30' 39°

Следует напомнить, что при п = 1 построение даст равноосную гиперболу, а при п = 1,3—адиабату.