Работа, производимая паром в цилиндре при перемещении поршня, называется индикаторной работой, а мощность, развиваемая при этом, — индикаторной мощностью.

Индикаторная мощность это такая фиктивная (условная) мощность* которую развивала бы паровая машина при отсутствии механических

потерь. Индикаторная мощность машины обозначается N{ и выра­жается в л. с.

Механические потери в паровой машине представляют собой потери иа трение: 1) поршня о стенки цилиндра, 2) в сальниках, 3) ползуна при движении по направляющим, 4) в сочленениях кривошипно-шатун­ного и парораспределительного механизмов и 5) в подшипниках.

Часто к механическим потерям относят затрату мощности на привод, вспомогательных устройств машины, например, маслопресса высокого давления, масляного насоса для циркуляционной или центральной смазки, мокровоздушного насоса, питательного насоса котла и др.

Это допущение нельзя считать вполне правильным, так как оно не позволяет правильно оценить качество самой машины. Однако в прак­тике такое прибавление затраты мощности на вспомогательные устрой­ства к механическим потерям получило распространение ввиду труд­ности определения мощности, потребляемой отдельными устройствами.

Мощность, затрачиваемая на преодоление механических потерь и на привод вспомогательных устройств, обозначается как NM л. с.

Эффективной мощностью паровой машины называется та действительная мощность, которая с учетом всех механических потерь передается машине-орудию, соединенному непосредственно с паровой машиной. Эффективную мощность иногда называют мощностью на валу машины.

Можно записать следующее выражение, связывающее значения эффективной и индикаторной мощностей:

Ne = Nt- NM л. с.

Отношение эффективной мощности к индикаторной называется меха­ническим к. п. д. машины и выражается следующим отношением:

(292)

Механический к. п. д. учитывает механические потери машины и затрату мощности на вспомогательные устройства. Его величина в боль­шой мере зависит от типа машины, условий ее работы и конструкции отдельных ее деталей, например, от подшипников скольжения и качения, качества их смазки, кратности расширения пара, наличия и мощности вспомогательных устройств и т. д.

Так как в крупных машинах, т. е. в машинах большей мощности, легче выполнить более совершенное устройство поверхностей трения и смазки и затрата энергии на вспомогательные устройства относительно меньше, то механический к. п. д. в них достигает более высоких зна­чений, чем в машинах малой мощности.

Во всякой машине, в том числе и паровой, при повышении числа оборотов механические потери возрастают и механический к. п. д. уменьшается. При специальном конструировании машины для большого числа оборотов размеры машины и ее деталей получаются значительно меньшими и механические потери не превышающими обычных норм.

Нагрузка в очень большой степени влияет на величину механического к. п. д. При отсутствии нагрузки, т. е. при холостом ходе машины, гм = 0, так как эффективная мощность равна нулю. С увеличением нагрузки механический к п. д. также увеличивается и достигает наи­большего значения при максимальной нагрузке машины.

При номинальной нагрузке значения механического к. п. д. для па­ровых машин лежат в следующих пределах:

т)м = 0,80 — 0,93.

Вертикальные машины имеют несколько более высокое значение механического к. п. д., чем горизонтальные, за счет уменьшения трения поршня и ползуна. Машины многократного расширения показывают несколько меньшие величины 1м, чем одноцилиндровые.

Величину индикаторной мощности можно определить следующим образом.

Если индикаторную работу пара в одной полости цилиндра за один оборот вала машины обозначить через Lt кгм, то выражение индикатор­ной мощности всей машины двухстороннего давления будет равняться

=- (Ч*6£Т5 — (293)

где Li к и Lie — индикаторная работа пара в полости цилиндра со сто­роны крышки и вала в кгм; п — число оборотов вала машины в минуту.

Величину индикаторной работы в цилиндре определяют по индика­торным диаграммам, снятым с обеих полостей машины.

Площадь индикаторной диаграммы, записанной в координатах р — S (давление — перемещение поршня), пропорциональна индикаторной ра­боте пара, если рабочая площадь поршня равна 1 см2.

Учитывая все это, можно записать, что работа пара в одной полости цилиндра равна

L;= Pp-ps-f-F кгмIоб вала, (294)

кгісм2

где хр — масштаб давлений индикаторной диаграммы в ■ ^ ;

[as — масштаб перемещений индикаторной диаграммы в м)мм;

/—площадь индикаторной диаграммы в мм2;

F — рабочая площадь поршня в см2.

Рабочая площадь поршня различна для разных полостей цилиндра и может быть подсчитана по формулам (279) и (280).

Для более простого подсчета значений индикаторных работы и мощ­ности вводится понятие о среднем индикаторном давлении.

Индикаторная диаграмма, имеющая длину I мм (соответствующую Ходу поршня) и площадь / мм2, заменяется равновеликим по площади прямоугольником с основанием, равным длине диаграммы I мм. Тогда

высота такого прямоугольника, равная h = - j - мм, будет изображать

в масштабе давления некоторое среднее давление пара в одной полости цилиндра. Это давление, перемещая поршень, за один ход его выполнит
ту же работу, которую пар в этой полости совершает за один оборот вала. Это фиктивное среднее давление называется средним инди­каторным давлением данной полости цилиндра и выражается уравнением

Pi = V-ph — кг/см2. (295)

Необходимо иметь в виду, что масштаб давлений индикаторной диаграммы определяется по масштабу индикаторной пружины, который представляет величину вертикального перемещения карандаша пишущего прибора индикатора в мм при изменении давления на 1 кг! смг. Этот

масштаб отмечается на каждой пружине и обозначается т или

1 кг/см2 — т мм. Сравнивая масштаб давлений и масштаб индикатор­ной пружины, можно установить, что масштаб давлений представляет собой обратную величину масштаба пружины, а именно:

Например, если масштаб индикаторной пружины т = 4 > т0

это значит, что карандаш пишущего прибора переместился вверх на 4 мм при увеличении давления на 1 кгісм2. Масштаб давлений по формуле (296) будет составлять

0, 25 ^ мм

-V кгісм2. ml [20]

Возвращаясь к выражению работы по формуле (294), можно под­ставить вместо площади индикаторной диаграммы равное ей произведе­ние /= Ы. Тогда

Lt = pphpsPF KtMjo6 вала.

Так как рp-h=pi кг/см2 и р$/ = 5 м — ходу поршня, то выраже­ние для определения индикаторной работы примет вид

Lt = ptSF кгм[об вала. (298)

Отмечая индексом к величины, относящиеся к полости стороны крышки, ив — к полости стороны вала и подставляя выражение инди­каторной работы в уравнение (293), можно получить общее выражение индикаторной мощности одноцилиндровой машины двухстороннего да­вления, т. е.

60-75 к^к "f - Pi в Ft) Л- £■

Если паровая машина двухстороннего давления имеет і параллельно работающих цилиндров, то полная мощность всей машины будет равна

(pi kFk + Pi eFe) л. c. (300)

Для паровой машины одностороннего давления формула принимает следующий вид:

Nt = Lm-pf л-с (301>

Так как поршень за один оборот вала проходит путь, равный двум ходам поршня, т. е. 2S м, то средняя скорость поршня выразится сле­дующим образом:

2Sn S-П. ,опп

Сср = ~W = ~W м! сек - (302)

Используя формулу (302), можно написать новое выражение для индикаторной мощности паровой машины с і цилиндрами двухсторон­него давления, а именно:

"«“тЯлЛ+л/.) і303)

Итак, в зависимости от имеющихся исходных данных можно опре­делять индикаторную мощность по формулам (300) или (303).

Для определения эффективной мощности можно написать два соот­ношения:

М - - ТЯГ - (А Л + Ри F.) *■ <зм>

И

М = (р, Л + р, Л) *■ *■ (3°3)

Необходимую для определения среднего индикаторного давления площадь индикаторной диаграммы можно находить следующими спосо­бами.

Наиболее простым и точным способом определения площади / мм2 является планиметрирование. Планиметрирование производится спе­циальным прибором — планиметром. Для определения величины искомой площади необходимо обвести острием иглы планиметра контур диаграммы в направлении хода часовой стрелки. Разность показаний планиметра после обводки и до нее дает величину площади диаграммы в мм2.

Чтобы исключить случайные ошибки, площадь диаграммы определяют 3 раза, и если все три отсчета показывают небольшие расхождения, то величина искомой площади будет равна среднему арифметическому из всех трех отсчетов.

После получения величины площади индикаторной диаграммы по формуле (295) или (297) находится среднее индикаторное давление.

При отсутствии планиметра для определения среднего индикаторного давления можно применить приближенный графический метод (фиг. 140).

20 Гарькуша и Юшина. 649

= 6,36 кг/см[21] [22] [23].

Для этой цели делим длину индикаторной диаграммы I мм на 10

равных частей. Длина каждого деления равна Ь — мм. Через точки

деления проводим перпендикуляры к атмосферной линии. Кроме основ­ных девяти перпендикуляров, проводим еще два дополнительных на

Ь

расстоянии — мм от концов

диаграммы. Измеряем длины всех перпендикуляров в преде­лах диаграммы. На фиг. 140 эти длины отмечены размер­ными линиями и обозначены буквами h. В результате об­мера получены 11 отрезков h. Из них hx, k2, •. •, h9 прове­дены по основным делениям диаграммы, а й0 и й10 — по дополнительным.

Средняя высота диаграммы, равная высоте равновеликого по пло­щади прямоугольника h, будет

0,5Лц Н~ йі + йг - f - Лз + Й4 - j - йв + h§ -)- Щ - j - hg 4- Й9 + 0,5йю

машинах, большие — в машинах малой мощности). Новые типы верти­кальных машин работают с n = 500-f-1000 об/мин. Число оборотов в машинах, предназначенных для непосредственного соединения с элек­трическими генераторами переменного тока, должно быть согласовано с числом оборотов генератора.

3. Число цилиндров машины і устанавливается в зависимости от мощности и типа машины. Для машин однократного расширения наиболее желательное число цилиндров — один, но в быстроходных машинах воз­можное число цилиндров д^а, три, четыре и даже шесть (в зависимости от мощности машины). Минимальное число цилиндров машин двукрат­ного расширения два (один — высокого, второй — низкого давления), в быстроходных машинах возможно применение и большего количества цилиндров, но обязательно кратное двум.

4. Среднее индикаторное давление р{ определяется по индикаторным диаграммам.

При точном расчете для всех рабочих полостей машины строят предположительные индикаторные диаграммы и, планиметрируя их, находят средние индикаторные давления.

При ориентировочном расчете ограничиваются построением теорети­ческой индикаторной диаграммы и определением по ней теоретического среднего индикаторного давления. Для получения вероятного значения р{ величину теоретического среднего индикаторного давления умножают на величину степени полноты индикаторной диаграммы.

Степенью полноты индикаторной диаграммы а назы­вается отношение площади действительной диаграммы к площади соот­ветствующей теоретической диаграммы. Значение а зависит от типа и конструкции машины, от числа оборотов вала и от качества выполне­ния парораспределительных органов и уплотнений.

С увеличением числа оборотов значения а уменьшаются. Для машин многократного расширения величина степени полноты диаграммы не­сколько меньше, чем для однотипной машины однократного расшире­ния. Пропуски и утечки пара из цилиндра вызывают уменьшение коэфициента а. Значения степени полноты индикаторной диаграммы колеблются в пределах а = 0,60 -5-0,96.

Используя опытный материал завода по ранее построенным машинам, необходимо уточнить значения а для машин различных типов.

Перед построением предположительных или теоретических индика­торных диаграмм выбирают параметры пара перед и за машиной. Па­раметры пара перед машиной согласовываются с параметрами пара при выходе его из котла, а давление пара за машиной — с давлением среды, куда направляется отработавший пар.

5. Значение механического к. п. д. выбирается в зависимости от типа и размеров машины. Пределы изменения величины механического к. п. д. приведены в предыдущем параграфе.

При всех расчетах должен быть широко использован опыт конструк­торского бюро и завода.

Определение размеров цилиндра производится по уравнениям (304) или (305) после некоторого их преобразования.

При определении размеров цилиндра берут среднюю величину ра­бочей площади поршня:

—1,' Р* СМ2

F =

‘ ср

и выражают ее через диаметр цилиндра, считая, что наличие штока уменьшает рабочую площадь поршня в среднем на 3°/0. Таким образом, средняя площадь поршня равна

Fcp = 0,97 ^ см*. (307)

Среднее индикаторное давление также принимается одинаковым с обеих сторон поршня, т. е.

PlK=PlB = Pr

После этих подстановок выражение эффективной мощности примет следующий вид:

2rM-i s-n tzD%

А/ — °'97x71 H-i-D*-S-prn e~ 9000

4500 Pl 4

В уравнении (308) два неизвестных: диаметр цилиндра D и ход п ршня S.

При определении размеров цилиндра необходимо, чтобы величина средней скорости поршня была в допустимых пределах и чтобы было выдержано наиболее благоприятное соотношение диаметра цилиндра и хода поршня.

Чаще всего применяются следующие значения средней скорости поршня: сср = 2 — 5 м/сек. В некоторых случаях, когда увеличение диаметра цилиндра становится невозможным, допускают увеличение средней скорости поршня до 7 м/сек.

Соотношение между диаметром цилиндров и ходом поршня зависит от типа машины, расположения цилиндров и числа оборотов вала машины. Эги соотношения выражаются как отношение длины хода поршня к диаметру цилиндра:

(309)

Значения 5 в формулу (309) подставляются в м, a D — в см.

Значения коэфициента С для вертикальных машин меньше, чем для горизонтальных; для быстроходных машин меньше, чем для тихоходных; для ц. н. д. машин двукратного расширения меньше, чем для машин однократного расширения.

Наиболее часто встречающиеся значения коэфициента С следующие: С = 0,8 ~ 2 для машин однократною расширения, С = 0,7-:-1,2 для ц. н. д. горизонтальных машин двукратного расширения, С = 0,5 - f - 0,9 для ц. н. д. вертикальных машин двукратного расширения.

Для определения по уравнению (308) диаметра цилиндра ход поршня выражается через диаметр, и полученное уравнение с одним неизвестным решается.

После преобразований расчетное уравнение принимает следующий вид:

(310)

После определения диаметра цилиндра величину хода поршня на­ходят по формуле

■$ = ШМ (311)

и по формуле (302) проверяют, не превосходит ли полученная величина допустимого предела значения средней скорости поршня.

Возможен и несколько другой порядок определения основных раз­меров цилиндра, а именно: задаваясь величиной средней скорости поршня, находят длину хода поршня, а затем, используя уравнение (308), и диаметр цилиндра.

При таком способе труднее получить благоприятные соотношения между диаметром цилиндра и ходом поршня.

Пример. Определить размеры цилиндра одноцилиндровой паровой машины однократного расширения для передвижного локомобиля марки П-26 по сле­дующим данным: эффективная мощность машины при номинальной нагрузке Ne — 25 л. с.; число оборотов вала машины п = 300 в минуту; число цилин­дров і = 1.

Учитывая тип и мощность машины, принимаем: механический к. п. д. гм = = 0,86; отношение хода поршня к диаметру цилиндра £ = 1,65; по предполо­жительной диаграмме была определена величина среднего индикаторного да­вления pi = 6,36 кгі см2.

Все эти значения подставляем в формулу (3101 и получаем диаметр цилиндра

9-Ю* 2т

86-1,65-1 6,36 300

Ход поршня находится по уравнению (311):