VYBRANÉ KAPITOLY ZO STROJOV A ZARIADENÍ

Transcript

1 UNIVERZITA MATEJA BELA V BANSKEJ BYSTRICI FAKULTA PRÍRODNÝCH VIED Martin KUČERKA VYBRANÉ KAPITOLY ZO STROJOV A ZARIADENÍ 2013

2 UNIVERZITA MATEJA BELA V BANSKEJ BYSTRICI FAKULTA PRÍRODNÝCH VIED Martin KUČERKA VYBRANÉ KAPITOLY ZO STROJOV A ZARIADENÍ 2013

3 Autor: Ing. Martin Kučerka, PhD. Recenzenti: prof. Ing. Ladislav Dzurenda, PhD. doc. Ing. Ondrej Nemčok, PhD. Schválila edičná komisia Fakulty prírodných vied Univerzity Mateja Bela v Banskej Bystrici, dňa ako vysokoškolské skriptá pre študentov bakalárskeho a magisterského štúdia na Katedre techniky a technológií. Za obsah, formu a jazykovú úpravu zodpovedá autor. ISBN

4 PREDHOVOR Predložené vysokoškolské skriptá Vybrané kapitoly zo strojov a zariadení majú čitateľa oboznámiť s najčastejšie používanými mechanizmami, ktoré sú nevyhnutné pri konštruovaní jednotlivých strojov a zariadení, energetickými strojmi a zariadeniami a vybranými strojmi na obrábanie kovov a dreva. Budú slúžiť študentom bakalárskeho štúdia v študijnom programe učiteľstvo technickej výchovy v dennej forme štúdia a študentom magisterského štúdia v študijnom programe učiteľstvo technických odborných predmetov v dennej a externej forme štúdia. Obsah vysokoškolských skrípt je náplňou jedného semestra predmetu stroje a zariadenia s dotáciou 80 minút na jednu prednášku, preto bolo snahou autora popísať čo najstručnejšie vybrané kapitoly a základné rozdelenie jednotlivých strojov a zariadení. Pre lepšiu názornosť a pochopenie fungovania a princípu jednotlivých strojov a zariadení sú skriptá doplnené obrázkami, prípadne kinematickými, alebo principiálnymi schémami. Skriptá sú rozdelené do desiatich kapitol. Prvá kapitola sa zaoberá účelom a rozdelením prevodov a prevodových mechanizmov. V druhej kapitole sú stručne popísané kinematické mechanizmy. Tretia kapitola sa zaoberá čapmi, hriadeľmi a ložiskami. Vo štvrtej kapitole je popísané základné rozdelenie tekutinových mechanizmov a ich výhody a nevýhody. Piata kapitola sa zaoberá energetickými strojmi a zariadeniami a ich samotným rozdelením. V šiestej a siedmej kapitole sú vybrané primárne stroje a zariadenia. V šiestej sú popísané tepelné generátory a to kotly a jadrové reaktory. V siedmej hnacie stroje kde patria parné stroje, parné turbíny, plynové turbíny, spaľovacie motory a vodné motory. V ôsmej kapitole sú popísané vybrané sekundárne stroje a zariadenia generátory a to ventilátory, vývevy, kompresory a čerpadlá. Deviata kapitola sa zaoberá základným rozdelením strojov a zariadení na obrábanie kovov, kde sú popísané iba vybraté stroje a to sústruhy, frézovačky, vŕtačky, hobľovačky, obrážačky, preťahovačky, brúsky, honovačky, lapovačky a superfinišovacie stroje. V desiatej kapitole je popísané základné rozdelenie strojov a zariadení na obrábanie dreva a to píly, frézovacie stroje, vŕtacie stroje, dlabacie stroje, sústruhy, brúsiace a leštiace stroje a kombinované stroje. Podklady pre napísanie skrípt sú čerpané z vysokoškolských skrípt a vysokoškolských učebníc. Odkazy na citované zdroje nie sú uvádzané v texte, ale na konci skrípt v zozname bibliografických odkazov. Obrázky, schémy a charakteristiky vybratých strojov sú čerpané nielen z prospektových materiálov jednotlivých firiem, ale aj z ročníkových prác študentov FPV UMB

5 v študijnom programe učiteľstvo technickej výchovy a v študijnom programe učiteľstvo technických odborných predmetov. Na záver sa chcem poďakovať za cenné rady a pripomienky k napísanému textu recenzentom prof. Ing. Ladislavovi Dzurendovi, PhD. z Drevárskej fakulty, Technickej univerzity vo Zvolene a doc. Ing. Ondrejovi Nemčokovi, PhD. z Dubnického technologického inštitútu v Dubnici nad Váhom. V neposlednom rade patrí moja vďaka aj Silvii Nemcovej z Drevárskej fakulty, Technickej univerzity vo Zvolene za pomoc pri úprave a kreslení niektorých obrázkov. Autor

6 OBSAH PREDHOVOR 1 PREVODY A PREVODOVÉ MECHANIZMY Účel a rozdelenie prevodov Prevody trecími kolesami Ozubené prevody Rozdelenie ozubených prevodov Zobrazovanie ozubených kolies Reťazové prevody Reťazové kolesá Druhy reťazí Remeňové prevody Druhy remeňov Zobrazovanie remeňových prevodov KINEMATICKÉ MECHANIZMY SÚČIASTKY NA PRENOS OTÁČAVÉHO POHYBU Čapy Hriadele Ložiská Klzné ložiská Valivé ložiská TEKUTINOVÉ MECHANIZMY ENERGETICKÉ STROJE A ZARIADENIA PRIMÁRNE STROJE A ZARIADENIA TEPELNÉ GENERÁTORY Kotly Popis a hlavné časti parného kotla Plamencové a žiarorúrkové kotly Vodorúrkové kotly Kotly s núteným obehom vody a prietokové Kvapalinové kotly Armatúra kotlov Jadrové reaktory PRIMÁRNE STROJE A ZARIADENIA HNACIE STROJE Parné stroje Parné turbíny Hlavné časti parnej turbíny Jednostupňová rovnotlaková (Lavalova) turbína Jednostupňová rovnotlaková (Curtisova) turbína Jednostupňová pretlaková (Parsonova) turbína Plynové turbíny Rozdelenie a konštrukcia plynových turbín... 60

7 7.3.2 Rovnotlaková plynová turbína Spaľovacie motory Rozdelenie spaľovacích motorov Hlavné časti piestových spaľovacích motorov Zážihové (piestové) spaľovacie motory Vznetové (piestové) spaľovacie motory Spaľovacie motory s rotačným piestom Vodné motory Vodné turbíny a ich základné rozdelenie Peltonova turbína Bánkiho turbína Francisova turbína Kaplanova turbína Vodné elektrárne SEKUNDÁRNE ENERGETICKÉ STROJE A ZARIADENIA Ventilátory Odstredivé (radiálne) ventilátory Axiálne ventilátory Vývevy Mechanické vývevy Paroprúdiace vývevy Špeciálne vývevy Kompresory Rozdelenie a konštrukcia kompresorov Piestové kompresory Membránové kompresory Lamelové (krídlové) kompresory Skrutkové kompresory Špirálové kompresory Lopatkové kompresory (turbokompresory) Čerpadlá Piestové čerpadlá Zubové čerpadlá Lamelové čerpadlá Skrutkové čerpadlá Membránové čerpadlá Odstredivé (lopatkové) čerpadlá STROJE A ZARIADENIA NA OBRÁBANIE KOVOV Sústruhy Frézovacie stroje - frézky Vŕtačky Hobľovačky, obrážačky a preťahovačky Brúsky Honovačky Lapovačky Superfinišovacie stroje

8 10 STROJE A ZARIADENIA NA OBRÁBANIE DREVA Píly Stolárske pásové píly Kotúčové píly Frézovacie stroje Rovinné frézovacie stroje Profilovacie frézovacie stroje Vŕtacie stroje Dlabacie stroje Sústruhy Brúsiace a leštiace stroje Brúsiace stroje (Brúsky) Leštiace stroje Kombinované stroje ZOZNAM BIBLIOGRAFICKÝCH ODKAZOV

9

10 1 PREVODY A PREVODOVÉ MECHANIZMY 1.1 ÚČEL A ROZDELENIE PREVODOV Prevody sú mechanizmy slúžiace na prenos, alebo rozdelenie energie zo zdroja energie na pracovný stroj. Slúžia na prenos a zmenu otáčok z hnacieho hriadeľa na hnaný, na prevod sily, krútiaceho momentu a pod., pričom energia zostane zachovaná, ak neuvažujeme so stratami (napr. trením). Mechanický prevod je tvorený minimálne dvoma kolesami. Prvé koleso je hnacie, druhé hnané. Rotačný pohyb a točivý moment je prenášaný vždy z kolesa hnacieho na koleso hnané. Hnací stroj Prevod Hnaný stroj Veličiny a rozmery hnacieho kolesa sa označujú indexom 1 otáčky n1, priemer hnacieho kolesa D1. Veličiny a rozmery hnaného kolesa sa označujú indexom 2 otáčky n2, priemer hnaného kolesa D2. Prevody sú charakterizované stupňom, ktorý vyjadruje v technike pomer veličiny vstupnej ku výstupnej. Tento stupeň sa nazýva prevodový pomer. Prevodový pomer je určený pomerom otáčok hnacieho a hnaného kolesa, alebo priemeru hnaného a hnacieho kolesa, príp. počtom zubov hnaného a hnacieho kolesa: i= n 1 n 2 = D 2 D 1 = z 2 z 1 kde: n1 otáčky hnacieho hriadeľa n2 otáčky hnaného hriadeľa D1 priemer hnacieho kolesa D2 priemer hnaného kolesa Ak je prevodový pomer i < 1 prevod do rýchla (n1 < n2), Ak je prevodový pomer i > 1 prevod do pomala (n1 > n2). 9

11 1 VYBRANÉ KAPITOLY ZO STROJOV A ZARIADENÍ Pri prevodoch trecích a remeňových, u ktorých sa prenáša obvodová sila len trením, je obvodová rýchlosť poháňaného kolesa následkom straty rýchlosti preklzovaním menšia ako obvodová rýchlosť hnacieho kolesa. Strata rýchlosti preklzovaním závisí od stavu stykových plôch kolies a remeňa, na vzájomnom tlaku, obvodovej rýchlosti, zaťažení a pod., preto tieto pomery nazývame nepresnými. Naopak presnými prevodmi nazývame také, kde nie je žiadne prekĺznutie, napr. ozubené prevody. n 1 n 2 n 1 n 2 n 3 Ød Ød 1 Ød 2 Ød Ød 2 3 Ød 4 a) b) Obrázok 1.1 Schéma prevodového mechanizmu: a) jednoduchého, b) zloženého Časť mechanickej energie pri prenose členmi prevodu sa vplyvom strát zmení na iný druh energie, väčšinou na teplo. Výkon na výstupe P2 je preto vždy menší než výkon na vstupe P1, ich pomer je účinnosť: η= P 2 P 1 Na obrázku 1.2 sa nachádza základné rozdelenie mechanických prevodov. 10

12 Obrázok 1.2 Základné rozdelenie mechanických prevodov 1.2 PREVODY TRECÍMI KOLESAMI V prevodoch trecími kolesami sa obvodová sila prenáša priamo trením medzi hnaným a hnacím kolesom, ktoré sú upevnené na hriadeľoch. Používajú sa hlavne na prenos malých a stredne veľkých výkonov na blízke rovnobežné, alebo rôznobežné hriadele. Výhody trecích prevodov: - pri preťažení prekĺzne, pôsobí ako poistka proti preťaženiu, alebo tlmič chvenia, - nízka hlučnosť, - možnosť takého usporiadania konštrukcie, ktorá zabezpečí plynulú zmenu otáčok, - niektoré druhy trecích prevodov majú jednoduchú konštrukciu, nenáročné požiadavky na výrobu a z toho vyplývajúcu výhodnú cenu. Nevýhody trecích prevodov: - nepresný prevodový pomer, - prekĺznutie v trecích plochách, tým i nárast tepla a nižšia účinnosť, - opotrebenie (aj nepravidelné) dotykových plôch, - vysoké namáhanie hriadeľov a ložísk v dôsledku pôsobenia nutných veľkých normálových síl na trecie povrchy, - väčšie rozmery v porovnaní s ozubenými prevodmi. 11

13 d 1 n 1 F N Motor Spojka 1 Motor 1 d F A F t n 2 F F N N F d 2 2 Spojka F N F N 1 2 d 2 a) b) Obrázok 1.3 Trecie prevody: a) čelné spájajú rovnobežné hriadele, b) kužeľové spájajú rôznobežné hriadele 1.3 OZUBENÉ PREVODY Ozubené prevody sú v praxi najvýznamnejším a najrozšírenejším druhom prevodových mechanizmov. Používajú sa v najrozličnejšej forme a veľkosti, niekedy jednoduché súkolesia, inokedy komplikované systémy ozubených prevodov najrozličnejších veľkostí a pre najrozličnejšie účely (od hodinového strojčeka s nepatrným výkonom a hmotnosťou niekoľko gramov až po prevodovky spracovateľských strojov s hmotnosťou niekoľko desiatok ton a s výkonom v MW). Základnou funkčnou jednotkou i pre zložitejšie prevodové mechanizmy je dvojica ozubených kolies ozubené súkolesie. Ozubené súkolesie tvorí dvojica funkčne spojených spoluzaberajúcich ozubených kolies, z nich menšie sa nazýva pastorok, väčšie koleso. Charakteristickým prvkom ozubeného kolesa je ozubenie. Pozostáva z jednotlivých zubov presne definovaných tvarov a rozmerov rovnomerne rozdelených po obvode kolesa. Popis základných pojmov ozubeného kolesa je na obrázku 1.4. Pri zábere dvoch ozubených kolies, teda v súkolesí, zapadá zub jedného kolesa do zubovej medzery druhého kolesa. Zaberajúce zuby kolies sa navzájom dotýkajú svojimi bokmi a tlakom zuba na zub prenášajú obvodovú silu a otáčavý pohyb z hnacieho kolesa na hnané koleso. 12

14 s p e b w pata zuba : ha hlava zuba h d f d a h f d b bok zuba d ' hlavovy valec rozstupovy valec ' Obrázok 1.4 Ozubené koleso základné pojmy (da priemer hlavovej kružnice, d - priemer rozstupovej kružnice, df priemer pätnej kružnice, db priemer základnej kružnice, p rozstup zubov, s šírka zuba na rozstupovej kružnici, ha výška hlavy zuba, hf výška päty zuba, h výška zuba, α uhol záberu, e šírka zubovej medzery na rozstupovej kružnici) Rozdelenie ozubených prevodov Ozubené prevody (súkolesia) možno rozdeliť podľa niekoľkých hľadísk (obrázok 1.5): 1. Podľa vzájomnej polohy osí: a) s rovnobežnými osami čelné s priamymi zubami, so šikmými zubami, so šípovými zubami, vnútorné s priamymi zubami, b) s rôznobežnými osami kužeľové s priamymi zubami, so šikmými zubami, so zakrivenými zubami, c) s mimobežnými osami skrutkové, závitovkové, hypoidné, spiroidné. 2. Podľa polohy ozubenia: a) s vonkajším ozubením, b) s vnútorným ozubením. 3. Podľa tvaru bočnej krivky zuba so zubami: a) priamymi, b) šikmými, c) zakrivenými, d) šípovými. 13

15 a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) Obrázok 1.5 Príklady ozubených súkolesí: a) priame, b) šikmé, c) šípové, d) priame vnútorné, e) ozubený hrebeň, f) kužeľové priame, g) kužeľové šikmé, h) kužeľové zakrivené, i) skrutkové, j) závitovkové, k) hypoidné, l) spiroidné Zobrazovanie ozubených kolies Pre zobrazovanie ozubených kolies platia tieto pravidlá (obrázok 1.6): - hlavová plocha ozubenia (valec, kužeľ,...) sa zobrazuje súvislou hrubou čiarou, 14

16 - rozstupová plocha ozubenia sa zobrazuje tenkou bodkočiarkovanou čiarou, - ak ozubenie nie je po celom obvode kolesa (ozubený segment) alebo po celej dĺžke hrebeňa, rozstupová plocha sa zobrazuje len v dĺžke ozubenej časti, - pätná plocha sa zobrazuje v priečnom i osovom reze súvislou hrubou čiarou, v pohľadoch sa zobrazuje len ak je to účelné tenkou súvislou čiarou, - profily zubov sa obvykle nekreslia, ak je to nutné, napr. pri zobrazení koncov ozubenej časti tyče, kreslí sa jeden alebo dva zuby, v mieste, kde nie sú zobrazené, nakreslí sa pätná plocha tenkou čiarou. a) b) Obrázok 1.6 Zobrazovanie ozubených kolies a súkolesí: a) čelné ozubené koleso, b) kužeľové ozubené koleso 1.4 REŤAZOVÉ PREVODY Reťazové prevody sa používajú na prenos menších výkonov medzi hriadeľmi, ktoré majú väčšiu osovú vzdialenosť (v porovnaní s ozubenými prevodmi). Sú vhodné pre vlhké a prašné prostredie, alebo pre prostredie s vyššími teplotami. Hriadele sú najčastejšie vodorovné. Dĺžku reťazí treba voliť podľa rozstupu a počtu článkov reťaze. Jednou reťazou je možné poháňať aj viac hriadeľov. Na obrázku 1.7 je zobrazenie reťazového prevodu v pohľade a reze. Na výkresoch zostavenia sa reťaz kreslí tenkou bodkočiarkovanou čiarou. Zuby kolesa sa zobrazujú len ak je to nutné, napríklad kvôli zoradeniu. V pohľade sa hlavová plocha kreslí plnou hrubou čiarou, rozstupová tenkou bodkočiarkovanou, pätná plocha sa spravidla nekreslí. V reze sa hlavová a pätná plocha kreslí hrubou čiarou, rozstupová plocha tenkou bodkočiarkovanou čiarou. 15

17 a) b) Obrázok 1.7 Zobrazovanie reťazového prevodu: a) zuby sa zobrazujú len ak je to nutné, napr. z montážnych dôvodov, b) schematické zobrazenie reťazového prevodu (symbol nad hornou vetvou označuje valčekovú reťaz) Výhody reťazových prevodov: tvarová väzba, ktorá zamedzuje preklz kolies. Odolnosť voči teplotám, prachu, môžu byť krátkodobo preťažované, ich účinnosť je vysoká (až 98 %). Nevýhody reťazových prevodov: hlučný chod, obmedzené obvodové rýchlosti (do 15 m.s -1 ), nerovnomernosť chodu. Prevod je náročný na presnosť nastavenia hriadeľov a správne napnutie reťaze. Aspoň jedno z kolies musí byť radiálne nastaviteľné, aby bolo možné reťaz napnúť, alebo použiť nastaviteľnú kladku. Obťažné je mazanie kĺbov reťaze Reťazové kolesá Podľa druhu reťaze závisí aj reťazové koleso, okolo ktorého je reťaz opásaná. Existuje viacero druhov reťazí a preto i toľko druhov reťazových kolies. Po obvode majú ozubenie, ktoré zabezpečuje navíjanie a odvíjanie reťaze. Musia zabezpečiť aj prenos zaťaženia. Rozmery ozubenia reťazového kolesa musia byť presne určené a vyrobené. Výkres reťazového kolesa obsahuje okrem úplného zobrazenia reťazového kolesa tabuľku údajov umiestnenú v pravom hornom rohu výkresu. Tvary normalizovaných ozubení sa zobrazujú zjednodušene. 16

18 e 360 /z VYBRANÉ KAPITOLY ZO STROJOV A ZARIADENÍ Na výkrese reťazového kolesa sa musí kótovať (obrázok 1.8): 1- šírka zuba bf1, 2- šírka venca, 3- veľkosť zaoblenia (zrazenia) boku zuba, 4- uhol zrazenia zuba, 5- polomer boku zuba re, 6- priemer hlavovej kružnice da, 7- priemer pätnej kružnice df, 8- najväčší priemer venca, 9- priemer rozstupovej kružnice d, 10- drsnosť povrchu boku zuba. r 1 d 1 p r d d f d a 2 Obrázok 1.8 Rozmery ozubenia reťazového kolesa pre valčekové a puzdrové reťaze Druhy reťazí Podľa použitia poznáme reťaze zdvíhacie (na zdvíhanie bremien), hnacie (prevodové) a dopravné (reťaz je ťažný element na ktorý sa pripoja nosné orgány napr. korýtka). Reťaze sú typizované a normalizované. Gallova reťaz (obrázok 1.9a) sa skladá z rovných oceľových pásov 1 (vonkajších a vnútorných), ktoré sú otočne uložené na oceľových čapoch 2. Dotyková plocha medzi čapom a pásom je malá, namáhanie reťaze je veľké. Je vhodná do rýchlostí 0,5 m.s -1. Puzdrová reťaz (obrázok 1.9b) má väčšie oceľové pásy 1 pevne spojené s čapmi 2, pričom vnútorné pásy sú pevne spojené s puzdrami 3. Touto úpravou sa zväčšuje dotyková plocha medzi čapom a puzdrom, otlačenie medzi týmito časťami je menšie. Je vhodná pre rýchlosti 0,7 1 m.s

19 Valčeková reťaz (obrázok 1.9c) je podobná puzdrovej, na puzdre má ešte voľne nasadený dutý valček 4. Týmto valčekom sa dosiahne zmenšenie trenia medzi reťazou a zubami reťazového kolesa, pretože valček sa voľne odvaľuje po boku zuba. Sú vhodné pre rýchlosti od 5 20 m.s a) b) c) Obrázok 1.9 Konštrukcia reťaze: a) Gallovej, b) puzdrovej, c) valčekovej a) b) c) d) Obrázok 1.10 Reťaze: a) článková, b) Gallova, c) puzdrová, d) valčeková 18

20 1.5 REMEŇOVÉ PREVODY Pomocou nich sa prenášajú menšie krútiace momenty prostredníctvom trenia medzi remenicou a remeňom, kde je väčšia osová vzdialenosť hriadeľov a prekĺzavanie nespôsobí technickú chybu. Použitie: pri prenose menších a stredných výkonov. Výhody: pružný záber, nehlučný chod, ľahká údržba, možnosť súčasného pohonu niekoľkých hriadeľov. Výroba súčastí prevodu je jednoduchá a relatívne lacná. Pri preťažení prekĺzava, čím spĺňa funkciu poistky proti preťaženiu. Nevýhody: nepresný prevodový pomer v dôsledku sklzu, veľké zaťaženie hriadeľov od síl potrebných na predpätie remeňa, menšia odolnosť voči vysokým teplotám, vlhkosti, prachu, nečistotám a oleju. b) a) c) Obrázok 1.11 Rôzne usporiadania remeňových prevodov: a) s mimobežnými osami, b) s napínacou kladkou, c) pohon viacerých hriadeľov jedným remeňom Druhy remeňov Podľa tvaru: - ploché remene: kožené, textilné, oceľové, z vysokopevnostných plastov, - klinové remene: s klasickým prierezom, úzke pre priemyselné použitie, variátorové, násobné a žliabkové, 19

21 - ozubené remene: lichobežníkové (klasické, štandardné), parabolické, - zvláštne remene: okrúhle, dopravné a iné. Ploché remene (obrázok 1.12) sa obyčajne vyrábajú z niekoľkých vrstiev. Na spodnej časti v mieste styku s remenicou je vrstva s vysokým súčiniteľom trenia. V strede je ťahová vložka, ktorá prenáša ťažné sily, je vyrobená z vysokopevnostného plastu alebo vlákien (textilných, kovových). Najvrchnejšia vrstva je krycia, chráni spodné vrstvy. Obrázok 1.12 Stavba plochého remeňa Klinové remene (obrázok 1.13) majú profil rovnoramenného lichobežníka s vrcholovým uhlom β = Prierez je tvorený gumovým jadrom, v ktorom je zavulkanizovaná ťažná časť (napr. kordová tkanina navinutá na seba v niekoľkých vrstvách). Prierez je obalený gumovotextilným obalom. Klinový tvar remeňa zapadá do klinového žliabku na obvode remenice. Tvar klinového žliabku spôsobuje rozklad síl, čím zlepšuje silové pomery medzi remeňom a remenicou a umožňuje znižovať hodnotu potrebnej napínacej sily. a) b) c) d) Obrázok 1.13 Druhy najpoužívanejších klinových remeňov: a) úzky klinový remeň pre priemyselné použitie, b) hnací klinový remeň klasického prierezu, c) úzky odľahčený klinový remeň, d) žliabkovaný klinový remeň Prevody s ozubeným remeňom (obrázok 1.14) spájajú výhody remeňových a reťazových prevodov. Obvodová sila sa prenáša tvarovým 20

22 stykom zubov remeňa so zubami remenice s odpovedajúcim tvarom zubov použitého remeňa. Prevody nemajú sklz, majú presný prevodový pomer a tichý chod. u s h a) s r r h t p a r r p t u r b b h g a d d b) c) Obrázok 1.14 Časti prevodu s ozubeným remeňom: a) lichobežníkový profil zubov, b) odpovedajúci tvar profilu zubov kolesa, c) konštrukcia remenice pre ozubené remene vodiace lišty Aspoň jedna z remeníc pre prevod ozubeným remeňom musí mať nákružky pre bočné vedenie remeňa Zobrazovanie remeňových prevodov Schematické zobrazenie remeňového prevodu je na obrázku Pre spresnenie je možné zadať i druh remeňa. Úplné tvary zubov remeňa a remeníc sa kreslia len zriedka (ak je to účelné). a) b) c) Obrázok 1.15 Remeňový prevod: a) plochý remeň, b) klinový remeň, c) ozubený remeň 21

23 Remenica (obrázok 1.16) pozostáva z venca, na ktorom je opásaný remeň, náboja, pomocou ktorého sa remenica upevňuje na hriadeľ a disku, prípadne ramien, ktoré ich navzájom spájajú. Veniec remenice je prispôsobený použitému druhu remeňa. Veniec remenice pre ploché remene je mierne vypuklý. Táto úprava a elastické vlastnosti remeňa zabezpečujú dobré vedenie remeňa na remenici. Veniec pre klinové remene je žliabkovaný. B b f e e w r 1 p r 1 a) b) Obrázok 1.16 Remenice: a) pre plochý remeň, b) pre klinové remene Ra3,2 Ra6,3 Ra1,6 H h r 2 R D d e 65 15± 0,3 +0,2 10-0,1 2x45 Ra6,3 Ø60 1,6x45 1,6x45 +1,0 0 Ø76 Ø100 Ø105,5± 0,2 Ra1,6 R0,6 m ax Ra6,3 +0,2 41,3 + 0,1 R2,5 Ra1,6 34 ± 1 11 R1 70 R0,8 (2,75) 1x45 0,22 A A Ø38H7 10P9 0,016 A 0,04 A 0,008 Obrázok 1.17 Príklad zobrazenia a okótovania remenice pre klinové remene na výkrese súčiastky 22

24 2 KINEMATICKÉ MECHANIZMY Kinematické mechanizmy sú jednotky strojov zložené z pohyblivých členov s jedným stupňom voľnosti, so stanoveným jednoznačným pohybom. Slúžia na prenos mechanickej energie s možnosťou meniť rýchlosť alebo druh pohybu. Skrutkové mechanizmy Skrutkový mechanizmus slúži k zmene otáčavého pohybu na pohyb posuvný. Pritom dochádza k zmene vstupného krútiaceho momentu Mk na výstupnú osovú silu FQ. Pákový mechanizmus (obrázok 2.1) Rovnomerný otáčavý pohyb sa mení na pohyb vratný kývavý, alebo posuvný rôznymi variantmi pákového mechanizmu. V jednoduchom pákovom mechanizme je hnacia kľuka (1) spojená s tiahlom (3) s pákou (2). Pri rovnomernom otáčaní kľuky (1) uhlovou rýchlosťou ω páka (2) vykonáva vratný nerovnomerný kývavý pohyb. Obrázok 2.1 Pákový mechanizmus Kľukový mechanizmus (obrázok 2.2) Používa sa na zmenu priamočiareho pohybu na rotačný, alebo naopak. Príkladom je v prvom prípade spaľovací motor, v druhom prípade kľukový lis. Skrátený kľukový mechanizmus má časti: 1 - valec, 2 - piest, 3 - ojnica, 4 - kľuka a 5 - hriadeľ. 23

25 Obrázok 2.2 Kľukový mechanizmus Vačkový mechanizmus (obrázok 2.3) Vačkové a výstredníkové mechanizmy menia otáčavý pohyb na posuvný vratný s malým zdvihom. Vačka je nasadená na hriadeli. Cez vačkový mechanizmus sa pohyb a sila z hnacieho hriadeľa prenáša na pracovný člen. Žiadaný priebeh rýchlosti a dráhy sa dosiahne tvarovaním vačky. Obrázok 2.3 Vačkový mechanizmus 24

26 3 SÚČIASTKY NA PRENOS OTÁČAVÉHO POHYBU Súčiastky, ktorými sa prenáša a rozvádza otáčavý pohyb a mechanická energia z hnacieho na poháňaný stroj sa nazývajú: hriadele, hriadeľové spojky, ozubené, reťazové, trecie a lanové kolesá a zariadenia. Pri prenose energie týmito vhodne usporiadanými súčiastkami sa môže meniť rýchlosť, zmysel otáčania, niekedy aj druh pohybu (napr. otáčavý pohyb na posuvný). Týmto zmenám zodpovedajú aj zmeny veľkosti a zmyslu prenášaných síl a momentov. 3.1 ČAPY Časť hriadeľa, ktorá je uložená v ložisku sa nazýva čap. Sú to vlastne časti hriadeľov, ktorými sa hriadeľ opiera o rám stroja. Podľa tvaru klzných plôch čapy rozlišujeme: valcové, kužeľové, prstencové, guľové, pätné a hrebeňové. Niektoré čapy môžu zachytávať len sily kolmé na os rotácie čapu (radiálne sily, napr. valcový čap), iné čapy len sily pôsobiace v osi čapu (axiálne sily, napr. pätný čap) a niektoré čapy sily pôsobiace v obidvoch smeroch (napr. kužeľový a hrebeňový čap). Guľový čap umožňuje malé výchylky hriadeľa v ľubovoľnom smere. Vodorovne uložené hriadele s valcovými čapmi sa proti osovému posunutiu v ložiskách zabezpečujú tzv. hriadeľovými nákružkami vyhotovenými na hriadeli, alebo pevne na hriadeľ uloženými (nalisovanými) prstencami, alebo nastavovacími krúžkami, ktoré musia zabrániť posuvu čapu hriadeľa na obidve strany. a) b) c) d) Obrázok 3.1 Tvary radiálnych čapov: a) valcový, b) kužeľový, c) prstencový, d) guľový 25

27 Obrázok 3.2 Axiálne čapy Materiál čapov je väčšinou konštrukčná oceľ, ktorú možno obrábať a tepelne spracovať. Povrchy čapov sú jemne brúsené, povrchovo kalené, cementované, alebo nitridované. Dynamicky vysoko namáhané čapy majú povrchy aj mechanicky upravované (napr. pieskovaním) pre zvýšenie ich únavovej pevnosti. Pri prechodoch z jedného na druhý priemer treba brať na zreteľ prechodové polomery tak, aby nenastala koncentrácia napätia v prechodoch, čím sa predíde únavovým lomom. 3.2 HRIADELE Základnou súčiastkou, ktorá umožňuje rotačný pohyb a prenos krútiaceho momentu, je hriadeľ. Je to súčiastka konštruovaná na prenos výkonu. Má tvar oceľovej tyče kruhového prierezu, alebo má prierez odstupňovaný. Odstupňovanie prierezu môže byť po vonkajšom obvode, alebo vo vnútri hriadeľa. Na hriadeľoch sú upevnené prevodové kotúče (remenice, reťazové kolesá, ručné kľuky a páky, excentre, náboje hriadeľových spojok, ozubených kolies a pod.). Spojenie náboja a týchto častí s hriadeľom je: - rozoberateľné spojenie pomocou pozdĺžneho klina, tesného alebo vodiaceho pera, resp. žliabkovaním, - nerozoberateľné napr. spojenie zváraním. Otočné uloženie hriadeľov v ráme stroja býva v klzných alebo valivých ložiskách. Podľa použitia ich rozdeľujeme do dvoch skupín: - nosné hriadele otáčajú sa alebo sú nehybné, sú namáhané len na ohyb, lebo nesú bremeno, remenice, kladky a pod., (obrázok 3.3), 26

28 Obrázok 3.3 Nosný hriadeľ s koncovými čapmi - hybné hriadele prenášajú otáčavý pohyb a krútiaci moment. Sú namáhané najmä na krut a ohyb spôsobený ťahom remeňov a pod. Aby namáhanie ohybom bolo čo najmenšie upevňujú sa čo najbližšie k ložiskám (obrázok 3.4). Obrázok 3.4 Žliabkový hriadeľ s ozubeným kolesom a jeho uloženie 3.3 LOŽISKÁ Ložiská umožňujú pohyblivým súčiastkam strojov a mechanizmov vykonávať najčastejšie otáčavý pohyb a prenášať pritom sily a momenty z pohybujúcich sa častí na časti nehybné. Pri vzájomnom relatívnom pohybe častí ložiskového uzla vzniká odpor proti pohybu trenie. Úlohou ložísk je zmenšiť toto trenie vzájomne sa pohybujúcich súčiastok a tak umožniť chod stroja, prístroja, zariadenia a jeho hospodárnu prevádzku. 27

29 Podľa druhu relatívneho pohybu sa rozlišuje: - trenie klzné je rozhodujúcou zložkou trenia v klzných ložiskách. Trenie hladkých plôch sa zmenšuje výdatným mazaním a vhodnou voľbou materiálov, - trenie valivé je rozhodujúcou zložkou trenia vo valivých ložiskách. Otáčavý pohyb sa umožňuje pomocou valivých teliesok guľky, valčeky, súdky, kužele, alebo ihly. Podľa smeru pôsobiacej sily rozdeľujeme ložiská na: - radiálne sila je kolmá na os hriadeľa, - axiálne sila je v smere osi hriadeľa Klzné ložiská Prevádzku ložísk v jednotlivých oblastiach klzného trenia určujú rôzne prevádzkové parametre (napr. druh a množstvo použitého maziva, hodnota klznej rýchlosti, spôsob a hodnota zaťaženia klzného ložiska, konštrukčné usporiadanie a pod.). Sú to puzdrá, ktoré sa vyrábajú z ložiskových kovov, alebo puzdrá, ktoré sa skladajú z dvoch vrstiev nosná (oceľ) a výstelka (ložiskový kov). Tieto puzdrá môžu byť delené, alebo celé z ložiskového kovu nedelené. Puzdrá sa nalisujú do zosilnených stien prevodových skríň, alebo upevnia v ložiskových telesách. Výhody klzných ložísk: - sú lacné, najmä pre veľké priemery, - znesú nárazy a preťaženie, - ľahko sa montujú, demontujú a opravujú, - ak pracujú v oblasti tekutinového trenia, je ich opotrebenie nulové, - umožňujú presné uloženie hriadeľa, - majú pokojný a tichý chod. Nevýhody klzných ložísk: - pri rozbehu a dobehu vznikajú straty trením, menšia účinnosť, - väčšia spotreba mazadla, - pri nedostatočnom mazaní vzniká nebezpečenstvo zadretia. Na uloženie čapov hriadeľov, ktoré konajú veľký počet otáčok a sú viac namáhané, používame ložiská s puzdrom, alebo s puzdrom a výstelkou (obrázok 3.5). 28

30 a) b) Obrázok 3.5 Klzné ložiská: a) ložisko s puzdrom, b) ložisko s puzdrom a výstelkou Najjednoduchšie klzné ložisko, ktoré sa vyskytuje pri mnohých strojoch a zariadeniach je rúrkové ložisko (obrázok 3.6). Obrázok 3.6 Rúrkové ložiská Podľa smeru zaťažujúcej sily možno klzné ložiská rozdeliť na: a) ložiská radiálne (obrázok 3.7) prenášajú sily kolmé na os ložiska, b) ložiská axiálne (obrázok 3.8) prenášajú sily rovnobežné s osou ložiska, c) ložiská kombinované prenášajú radiálne i axiálne sily. Obrázok 3.7 Radiálne ložisko (1,2 spodok a veko ložiska, 3 puzdro, 4 mastenička, 5 skrutka, 6 matica, 7 pružná podložka) 29

31 Obrázok 3.8 Axiálne ložisko Klzné ložiská sú oproti valivým konštrukčne jednoduchšie, výrobne menej náročné a lacnejšie. Majú však menšiu životnosť, väčšie straty trením a väčšie požiadavky na mastenie. Používajú sa hlavne pre stroje spracovávajúce potraviny, pre stavebné stroje a pri ostatných aplikáciách v ktorých použitie oleja nie je žiaduce, alebo mazanie nie je možné. Obrázok 3.9 Samomastiace ložiská (1 prídavný olej, 2 vata, alebo plsť napustená olejom, 3 puzdro) Valivé ložiská Vo valivých ložiskách sa vytvára valivé trenie vplyvom valivých teliesok (guľky, valčeky, súdky, kuželíky, alebo ihly). Valivé ložisko sa skladá spravidla z vonkajšieho krúžku (skriňového), vnútorného krúžku (hriadeľového), valivých teliesok a klietky. Úlohou klietky je zabezpečiť stály rozstup valivých teliesok. Podľa tvaru valivých telies delíme ložiská na guľkové, valčekové, ihlové, súdkové a kuželíkové. 30

32 Podľa smeru pôsobiacej sily sa rozdeľujú na ložiská radiálne (sila pôsobí hlavne v smere kolmom na os ložiska), axiálne (sila pôsobí v smere osi ložiska) a kombinované. Podľa konštrukčného usporiadania valivých telies môžu byť valivé ložiská jednoradové, dvojradové a viacradové. Výhody valivých ložísk: - pomerne malé rozmery a hmotnosť, - použitie aj pri vysokých otáčkach, - vyžadujú nepatrnú obsluhu, - spotrebujú málo mazadla, - straty trením sú malé. Nevýhody valivých ložísk: - nie sú vhodné pre veľmi vysoké obvodové rýchlosti, - sú hlučné, - nemajú schopnosť tlmiť vibrácie. Na výkresoch sa valivé ložiská zobrazujú: - zjednodušene s vynechaním zobrazenia klietky a ďalších podrobností (obrázok 3.10a). Ložiská sa obvykle zobrazujú v reze vo funkčnej polohe plnou hrubou čiarou, - schematicky osovým krížom kresleným súvislou hrubou čiarou v mieste valivého elementu (obrázok 3.10b), - schematicky s vyznačením počtu valivých elementov, príp. s vyznačením tvaru valivých plôch, napr. radiálne guľkové ložisko dvojradové (obrázok 3.10c), - kombináciou zjednodušeného a schematického zobrazenia (obrázok 3.10d). a) b) c) d) Obrázok 3.10 Zobrazenie valivých ložísk Jednoradové guľkové ložiská (obrázok 3.11) sú najrozšírenejším typom valivých ložísk a ich využitie predstavuje 70 až 80 % z celkového počtu 31

33 použitých valivých ložísk. Majú hlboké žliabky. Môžu prenášať radiálne aj malé axiálne zaťaženia v obidvoch smeroch. Obrázok 3.11 Jednoradové guľkové ložisko Jednoradové guľkové ložiská s kosouhlým stykom (obrázok 3.12) majú obežné dráhy zhotovené tak, že spojnica dotykových bodov guliek s obežnou dráhou je odklonená od kolmice na os ložiska o stykový uhol α = 40. To umožňuje zachytávať radiálne zaťaženia pôsobiace súčasne s relatívne veľkými axiálnymi silami, v jednom smere pohybu. Preto sa montujú spravidla dve ložiská proti sebe, aby bolo zabezpečené axiálne vedenie a prenos síl v obidvoch smeroch. Uloženie v dvoch ložiskách sa nahradí použitím dvojradového guľkového ložiska s kosouhlým stykom. Obrázok 3.12 Jednoradové guľkové ložisko s kosouhlým stykom Dvojradové naklápacie guľkové ložiská (obrázok 3.13) majú dva rady guliek a guľovú obežnú dráhu vo vonkajšom krúžku. Tým je umožnené určité naklopenie vnútorného krúžku voči vonkajšiemu. Sú vhodné na vyrovnanie malých nesúosovostí spôsobených montážou, priehybom hriadeľov a pod. 32

34 Obrázok 3.13 Dvojradové naklápacie guľkové ložisko Axiálne guľkové ložiská sú normalizované ako jednosmerné (obrázok 3.14a) a obojsmerné (obrázok 3.14b). Skladajú sa z plochých krúžkov s obežnými dráhami pre guľky. Môžu prenášať len axiálne sily v jednom, resp. v obidvoch smeroch. Nie sú vhodné pre uloženia s vysokou frekvenciou otáčania, pretože vplyv odstredivých síl guliek nepriaznivo ovplyvňuje ich chod. a) b) Obrázok 3.14 Axiálne guľkové ložiská: a) jednosmerné, b) obojsmerné Jednoradové valčekové ložiská (obrázok 3.15) sa zhotovujú v rovnakých rozmerových radoch, ako jednoradové guľkové ložiská. Sú rozoberateľné a vyrábajú sa v rôznych konštrukčných vyhotoveniach. 33

35 Obrázok 3.15 Jednoradové valčekové ložisko Dvojradové naklápacie valčekové ložiská (obrázok 3.16) majú možnosť naklápania podľa polohy osi hriadeľa. Môžu prenášať veľké radiálne aj axiálne zaťaženia. Obrázok 3.16 Dvojradové naklápacie valčekové ložisko Jednoradové kuželíkové ložiská (obrázok 3.17) majú kužeľový tvar obežných dráh (namiesto valčekov zrezané kužele), ktorých povrchové priamky sa pretínajú v spoločnom bode na osi ložiska. Vonkajší krúžok je oddeliteľný. Môžu prenášať axiálnu silu v jednom smere a preto uloženie tvorí spravidla vždy dvojica ložísk. Axiálna vôľa u dvojice ložísk, prípadne požadované predpätie sa nastavuje pri montáži. Kuželíkové ložiská majú vysokú únosnosť v radiálnom i v axiálnom smere. 34

36 Obrázok 3.17 Jednoradové kuželíkové ložisko Jednoradové ihlové ložiská (obrázok 3.18) majú ihlové valčeky vedené v axiálnom smere nákružkami vonkajšieho krúžku. Vnútorný krúžok nemá príruby a ložiská môžu prenášať len radiálne zaťaženie. Pôvodné konštrukcie ihlových ložísk boli bez klietky. V súčasnosti sa zhotovujú všeobecne s kovovou, alebo s plastovou klietkou, ktorá zabezpečuje lepšie vedenie ihiel. K dispozícii je rad špeciálnych ihlových ložísk úplných a neúplných (bez vnútorného krúžku, klietky s ihlami), viacradových, kombinovaných a pod. Obrázok 3.18 Jednoradové ihlové ložisko Dvojradové súdkové ložiská (obrázok 3.19) majú dva rady valivých telies súdkového tvaru a spoločnú guľovú obežnú dráhu vo vonkajšom krúžku. To umožňuje naklápanie krúžkov voči sebe pri priehybe hriadeľa, alebo pri nesúosovosti uloženia krúžkov ložiska. Môžu prenášať veľké radiálne a súčasne aj axiálne zaťaženie v obidvoch smeroch. Zhotovujú sa s valcovou dierou (obrázok 3.19a), alebo s kužeľovou dierou (obrázok 3.19b). Ložiská 35

37 s kužeľovou dierou sa upevňujú na kužeľovom čape pomocou upínacích, alebo sťahovacích puzdier. a) b) Obrázok 3.19 Dvojradové súdkové ložisko: a) s valcovou dierou, b) s kužeľovou dierou a s upínacím puzdrom Axiálne súdkové ložiská (obrázok 3.20) majú veľký počet symetrických súdkov. Sú vhodné na prenos veľkého axiálneho zaťaženia a aj určitého menšieho radiálneho zaťaženia pri relatívne vysokej frekvencii otáčania. Guľová obežná dráha vonkajšieho (telesového) krúžku umožňuje vyrovnať nesúosovosť medzi hriadeľom a ložiskovým telesom. Obrázok 3.20 Axiálne súdkové ložisko 36

38 4 TEKUTINOVÉ MECHANIZMY Pojem tekutinové mechanizmy je spoločným názvom pre: Pneumatické mechanizmy mechanizmy využívajúce ako pracovné médium stlačený vzduch. Pneumatické mechanizmy sú väčšinou využívané pre zabezpečenie malých až stredných výkonov. Určujú to ich konštrukčné vlastnosti a hlavne nositeľ energie vzduch, ktorý je stlačiteľný. Hydraulické mechanizmy mechanizmy využívajúce ako pracovné médium stlačenú kvapalinu. Tekutinové mechanizmy môžeme rozdeliť: 1. Podľa druhu nositeľa energie, t. j. fyzikálnej podstaty tekutiny na: a) hydraulické, b) pneumatické. 2. Podľa formy prenosu energie, t. j. prevládajúcej zložky energie na: a) hydrostatické, resp. pneumostatické, b) hydrodynamické. 3. Podľa charakteru pohybu nositeľa energie, t. j. pohybu tekutiny: a) s jednosmerným prúdom pohybu tekutiny, b) so striedavým prúdom tekutiny. 4. Podľa požiadaviek technologického procesu, t. j. vyžadovaných funkcií v stroji a zariadení na: a) posuvné mechanizmy, keď motor vykonáva priamočiary pohyb a pritom sa vracia do východiskovej polohy, b) prevodové mechanizmy, keď motor po výkone pracovného úkonu sa nevracia do východiskovej polohy. Ide o motory s rotačným pohybom, c) servomechanizmy, pri ktorých sa okrem prenosu energií používa aj prenos informácií. Obidve používané médiá sú si v istých svojich vlastnostiach podobné, iné vlastnosti ich zase rozlišujú. Niektoré jednotiace a rozlišujúce znaky určuje obrázok

39 Obrázok 4.1 Jednotiace a rozdeľujúce vlastnosti tekutinových mechanizmov VÝHODY A NEVÝHODY OBOCH MÉDIÍ Výhody pneumatických mechanizmov: - vzduch: médium využívané na stlačenie sa nachádza všade okolo nás, - spôsob dodávky: doprava stlačeného vzduchu sa realizuje jednoducho potrubím aj na veľké vzdialenosti. Spätné vedenie nie je potrebné, - akumulácia: nie je nutné, aby kompresor pracoval nepretržite. Stlačený vzduch je možné akumulovať v tlakovej nádobe. V takejto nádobe je možné stlačený vzduch aj prepravovať (v tlakových fľašiach), - teplota: použitie stlačeného vzduchu nie je ovplyvnené zmenami teploty. Tým je zaručená spoľahlivá činnosť týchto zariadení aj pri extrémnych teplotách, - nebezpečenstvo výbuchu: stlačený vzduch nie je ani výbušný a ani nehorí. Pneumatické zariadenia nemusia byť istené proti výbuchu, - čistota: stlačený vzduch je čistý, pri úniku netesnosťami nedochádza k znečisťovaniu okolia, - montáž: jednotlivé prvky sú jednoduchej konštrukcie - pre montáž veľmi výhodné, - rýchlosť: stlačený vzduch umožňuje značné rýchlosti prenosu, a z toho vyplývajúce vysoké pracovné rýchlosti (rýchlosť piesta valca je 1-2 m.s -1 ), - riadenie: plynulé nastavovanie rýchlosti a síl, - preťažiteľnosť: nástroje a prvky je možné preťažiť až k zastaveniu ich činnosti bez toho, aby došlo k ich poškodeniu. 38

40 Nevýhody pneumatických mechanizmov: - úprava vzduchu: musia sa odstrániť všetky nečistoty (prach, a pod.) a obsiahnutá voda (aby nedošlo k nadmernému opotrebeniu prvkov). Úprave sa venuje veľká starostlivosť, - stlačiteľnosť: je pomerne veľká; nie je možné dosiahnuť rovnomerný pohyb piesta pneumatického motora, - dosiahnuteľná sila: hranica zaťažiteľnosti, pri bežnom tlaku 0,7 MPa, v závislosti na dráhe a rýchlosti piesta leží na hranici N, - hluk: vzduch unikajúci z prvkov do ovzdušia (pri odľahčení) spôsobuje hluk. Dnes je už zmiernený použitím tlmičov hluku, - náklady: stlačený vzduch je relatívne drahý nositeľ energie. Vyššie náklady za energiu sú kompenzované relatívne nízkou cenou prvkov a vyšším stupňom využitia (počtom pracovných taktov). Výhody hydraulických mechanizmov: - jednoduchý rozvod energie: aj do ťažko prístupných miest strojov a zariadení, - výhodný pomer sila/rozmery: pri relatívne malých rozmeroch je hydraulický mechanizmus výkonnejší, ako pneumatický rovnakých rozmerov, - transformácia pohybu: relatívne najjednoduchší prevod rotačného pohybu na priamočiary a naopak, - regulácia: jednoduchá a plynulá, aj stupňovité riadenie parametrov (rýchlosť, otáčky, výkon, moment sily, smer pohybu a pod.), - preťažiteľnosť: jednoduchá možnosť zaistenia proti preťaženiu, - vysoká životnosť: samotné pracovné médium zabezpečuje mazanie komponentov, čím sa znižuje opotrebenie, - nízka hlučnosť: pomerne malá hlučnosť pri samotnej práci hydroprvkov (okrem generátora). Nevýhody hydraulických mechanizmov: - čistota média: značná chúlostivosť na nečistoty, - teplota: značná citlivosť na kolísanie teploty pracovného média, - straty: tlakové aj prúdové, vplyvom trenia v kvapaline, - znečisťovanie okolia: značná náročnosť pri pretesňovaní, následné znečisťovanie okolia unikajúcou kvapalinou, - náklady: pomerne drahá výroba komponentov z dôvodu dodržiavania vysokých presností pri výrobe. 39

41 5 ENERGETICKÉ STROJE A ZARIADENIA Činnosť energetických strojov je spojená s premenou jedného druhu energie, alebo jednej formy energie na iný druh a inú formu energie. Podľa druhu energiu môžeme rozdeliť takto: - mechanická energia prejavuje sa pohybom hmoty (látky) po určitej dráhe (kinetická energia), alebo energiou polohy hmoty (potenciálna energia), - teplo prejavuje sa pohybom molekúl, - elektrická energia prejavuje sa pohybom elektrónov, - jadrová energia prejavuje sa pri štiepení, alebo zlučovaní atómových jadier, - energia poľa - prejavuje sa zmenami elektrického, elektromagne - tického, alebo gravitačného poľa, - chemická energia prejavuje sa premenou molekúl hmoty na mechanickú prácu. Forma energie je určená druhom a nositeľom energie. O energii v určitej forme hovoríme, ako o zdroji jedného z druhov energie. Napr. palivá sú formou a zdrojom energie, teplo zostáva určitým druhom (či formou) energie, ak jej nositeľom je napr. para, alebo horúca voda, elektrická energia a energia poľa sú súčasne druhom a formou energie a preto nepotrebujú nositeľa energie. Pojmy druh a forma energie sa často zamieňajú a vo svete nie je jednotnosť v poňatí ich náplne. Priame zužitkovanie energetických zdrojov je možné len v zriedkavých prípadoch (napr. využitie tepelného žiarenia Slnka na ohrev látok). Zvyčajne energiu určitého zdroja meníme na vhodnejšiu formu energie. Energiu v surovej forme nám poskytuje príroda. Sú to prírodné zdroje energie, ktoré pochádzajú z: - činnosti Slnka a Mesiaca, - jadrových štiepnych reakcií, - geofyzikálneho tepla, - kozmického žiarenia. Zásoby chemickej energie vo fosílnych palivách predstavujú vyčerpateľné a neobnovujúce sa prírodné zdroje energie. Vyčerpateľným zdrojom energie sú aj zásoby štiepnych látok, ktoré umožňujú jadrové reakcie. Fosílne palivá a zdroje jadrovej energie sú po vyťažení schopné dopravy na miesto spotreby, alebo spracúvania. 40

42 V súčasnosti niektoré energetické zdroje využívame bežne, iné sú len v štádiu výskumu a niektoré vôbec nevyužívame. Možnosť a rozsah využitia prírodných energetických zdrojov alebo surovej energie závisí od úrovne rozvoja techniky, ekonomických podmienok, zemepisnej polohy a od klimatických pomerov. Premenou energií na vhodnejšie formy uskutočňujeme zušľachťovanie energií. Toto zušľachťovanie je vždy spojené s vynaložením ľudskej práce a nákladov. Pri zušľachťovaní energií a pri premenách prírodných primárnych alebo prvotných zdrojov energií na sekundárne zdroje, vznikajú iné nežiaduce formy energií. Potom hovoríme o rozptyle energie a o strate energie, hoci vieme, že nemôže ísť o konkrétnu stratu energie. Energetické zariadenie je každé technické zariadenie na zabezpečovanie výroby, ťažby, prenosu, rozvodu a spotreby energií všetkých druhov. Najdôležitejšou časťou energetických zariadení sú stroje, ktoré: - menia prírodné formy energie na ďalej využiteľné formy sú to napr. parné generátory, vodné motory, spaľovacie motory a pod., - menia už raz upravené druhy energie medzi sebou, napr. elektrické generátory, elektromotory a pod., - menia parametre toho istého druhu energie, napr. elektrické transformátory, tepelné výmenníky a pod. Energetické stroje premieňajú primárne a sekundárne zdroje energií a preto hovoríme o primárnych a sekundárnych energetických strojoch, ktoré ďalej členíme na generátory, hnacie stroje a meniče parametrov podľa obrázka 5.1. Obrázok 5.1 Členenie energetických strojov 41

43 6 PRIMÁRNE STROJE A ZARIADENIA TEPELNÉ GENERÁTORY 6.1 KOTLY Kotly sú energetické zariadenia, v ktorých sa chemická energia palív uvoľňuje a ako teplo odovzdáva plynom (spalinám) vznikajúcim pri spaľovaní, ktoré ju opäť odovzdávajú kvapalinám, ktoré sa vyparujú, alebo len ohrievajú na vyššie teploty. Kotly delíme na parné, ak dodávajú paru s vyšším tlakom ako atmosférickým a kvapalinové, ak dodávajú horúcu kvapalinu. Najčastejšou kvapalinou, ktorá sa ohrieva alebo vyparuje je voda Popis a hlavné časti parného kotla Parný kotol je technické zariadenie na výrobu prehriatej pary požadovaného tlaku a teploty. Je to uzatvorená nádoba zvyčajne z ocele, do ktorého je privádzaná voda. Kotol sa ohrieva teplom získaným spaľovaním paliva - dreva, zemného plynu, nafty, mazutu atď., alebo elektrickým ohrevom. Prehriatím vody pod zvýšeným tlakom vzniká prehriata para, ktorá ďalej slúži ako nosič tepla pre vykurovanie, alebo ako zdroj energie pre parnú turbínu. Súčasti parného kotla popíšeme na valcovom kotle (obrázok 6.1), ktorý je najjednoduchší a jedným z najstarších používaných typov parných kotlov. Obrázok 6.1 Valcový kotol (1 valcový kotol, 2 kúrenisko s rovinným roštom, 3 odber pary, 4 napájacia voda, 5 vodný priestor, 6 parný priestor, 7 spaliny) 42

44 Kotol (1) má tvar valca uzatvoreného na obidvoch stranách guľovými dnami, ktorý je čiastočne naplnený kvapalinou a čiastočne parou. Tým vzniká v kotle kvapalinový priestor a nad hladinou parný priestor. Para sa odoberá zo zberača pary, ktorý je umiestnený v hornej časti kotla. Palivo sa spaľuje na rošte, ktorý je umiestnený v kúrenisku (2). Palivo sa prikladá ručne alebo mechanicky. Nad roštom je spaľovací priestor a pod roštom popolník, v ktorom sa zhromažďuje prepadnutý popol. Škvára vzniknutá spálením uhlia sa vyhŕňa dvierkami kúreniska. Vzduch potrebný na spaľovanie sa do kúreniska privádza dvierkami popolníka z okolia, prechádza medzerami roštu a prichádza do styku s palivom. Mostík na konci roštu zužuje prierez na prietok splodín spaľovania, vznikne rozvírenie a dobré premiešanie, ktoré umožní dodatočne spáliť nezhorené plyny. Spaliny ďalej prechádzajú z kúreniska k telesu kotla. Prúdenie dymových plynov alebo ťah je vyvolaný komínom. Ťah sa reguluje otvorením dvierok popolníka, alebo niekedy hradidlom umiestneným pred vstupom do komína a ovládaným kuričom. Intenzita ťahu je určená rozdielom tlaku v určitom mieste vedenia dymových plynov a tlaku vonkajšieho (atmosférického) vzduchu. Kvapalinový kotol sa vyhotovením zásadne nelíši od parného kotla. Kotly môžeme rozdeliť podľa rôznych hľadísk. 1. Podľa konštrukcie kotla na: a) plamencové kotly pre malé výkony a tlaky, sú to valcové kotly, v ktorých telese je uložených jeden alebo viac plamencov. Plamenec je valcová zvlnená rúrka umiestnená vnútri plášťa kotla, b) žiarorúrkové kotly, ktoré sa skladajú z valcového telesa s jedným alebo viacerými zväzkami rúrok, ktorými prúdia spaliny. Často sa kombinujú s plamencom, c) vodorúrkové kotly, ktorých výhrevná plocha sa skladá z rúrok s obiehajúcou kvapalinou, okolo ktorých prúdia spaliny. Zväzky rúrok sú buď šikmé, alebo zvislé, d) sálavé kotly s vysokou spaľovacou komorou, vyloženou zvislými varnými rúrkami s obiehajúcou kvapalinou. Horiace palivo sála na steny rúrok. 2. Podľa konštrukcie spaľovacieho zariadenia na: a) roštové kotly, v ktorých sa palivo spaľuje na pevných alebo mechanických roštoch, b) práškové kotly, v ktorých sa práškové palivo spaľuje vo vznose. Majú granulačnú komoru, z ktorej troska vychádza v pevnom stave, alebo výtavnú komoru, z ktorej odchádza tekutá troska. 43

45 3. Podľa použitého paliva na kotly na spaľovanie tuhých, tekutých a plynných palív. 4. Podľa tlaku na: a) kotly s tlakom podkritickým, ktoré rozdeľujeme na nízkotlakové do 1,6 MPa, strednotlakové 1,6 až 5 MPa, vysokotlakové 5 až 13 MPa a kotly s veľmi vysokým tlakom 13 až 22,5 MPa, b) kotly s tlakom nadkritickým vyše 22,5 MPa. 5. Podľa obehu kvapaliny na: a) kotly s prirodzeným obehom, b) kotly s núteným obehom, vyvodzovaným umelo čerpadlom. Patria sem prietokové kotly. 6. Podľa obsahu kvapaliny na: a) kotly s veľkým obsahom kvapaliny (valcové), b) kotly s malým obsahom kvapaliny (rúrkové). 7. Podľa stavu dodávaného média na: a) parné kotly, b) kvapalinové kotly. 8. Podľa účelu na: a) kotly priemyselné pre zásobovanie výrobných zariadení energiou a pre vykurovacie priestory, b) kotly energetické pre elektrárne Plamencové a žiarorúrkové kotly Plamencové kotly sú jednými z prvých významnejších konštrukčných zdokonalení valcových kotlov. Plamenec je zvlnená rúrka umiestnená vo vnútri valcového plášťa kotla. Býva v ňom obvykle umiestnené ohnisko, alebo plynový či olejový horák. Prstencové vlny na plamenci ho vystužujú proti namáhaniu vonkajším pretlakom vody a zaisťujú jeho potrebnú pozdĺžnu pružnosť, vzhľadom k rozdielnej teplote plamenca a plášťa kotla. Ak má kotol len jeden plamenec, tak tento je umiestnený mimo osi kotla, aby sa zlepšila cirkulácia vody a zjednodušilo čistenie kotla. Najčastejšie sa vyrábajú kotly s dvoma plamencami. Najnižšia hladina vody musí byť vždy dostatočne nad plamencom. Pretekajú ním spaliny od ohniska na jeho koniec, potom sa obracajú a prieduchmi po bokoch plášťa prúdia dopredu a prieduchom pod plášťom opäť dozadu kotla a do komína (obrázok 6.2). 44

46 Obrázok 6.2 Plamencový kotol (1 kotol, 2 plamenec, 3 cesta spalín, 4 - ohrievač napájacej vody, 5 prehrievač pary, 6 odber pary) Žiarorúrkové kotly (obrázok 6.3) v pôvodnej konštrukcii vychádzajú z valcových kotlov. Vo vnútri valca sú pod vodnou hladinou usporiadané pozdĺžne rúrky, ktorými prúdia spaliny späť k prednej časti kotla, tu sa obracajú a po bokoch valca prúdia späť k zadnej časti kotla a do komína. Kúrenisko so stupňovitým roštom zväčšuje účinnosť kotla. Žiarorúrkové kotly sa najčastejšie kombinujú s plamencovými. Obrázok 6.3 Žiarorúrkový kotol (1 kotol, 2 žiarové rúrky, 3 - cesta spalín, 4 spaľovací vzduch, 5 odber pary, 6 kúrenisko so stupňovitým roštom, 7 zberač kalov, 8 prístroje) 45

47 6.1.3 Vodorúrkové kotly Vodorúrkový kotol umožňuje stavbu kotlov od najmenších výkonov až po najvyššie výkony. Para sa vyvíja v rúrkach priemeru cca Ø 76 mm, ktoré tvoria výhrevnú plochu a okolo ktorých prúdia horúce plyny. Rúrky menšieho priemeru sú výhodné z hľadiska namáhania vnútorným pretlakom (malá hrúbka steny i pri vysokom tlaku média). Nebezpečenstvo explózie je pri týchto kotloch oveľa menšie ako pri valcových kotloch. Rúrky sú napájané vodou zo spoločného valcového telesa, tzv. bubna, ktorý je súčasne zberačom pary. Najdôležitejšou okolnosťou, od ktorej závisí výkon kotla je obeh vody, podľa ktorého rozoznávame: - kotly s prirodzeným obehom vody, ktoré sa delia na kotly so šikmými rúrkami a kotly so strmými rúrkami, - kotly s núteným obehom vody a prietokové. Kotly so šikmými rúrkami (obrázok 6.4) majú varné rúrky zavalcované do zadnej a prednej komory (3), ktoré sú pripojené na horný bubon spájacími rúrkami, ktorého spodná časť ešte zostáva vykurovaná spalinami a tvorí stále teplo-výmennú plochu kotla. Komory sú skriňového tvaru a tvoria buď spojitý priestor so všetkými rúrkami zväzku varných rúrok (kotly veľkokomorové), alebo sú komory delené na sekcie (kotly sekčné). Sekcie sú zvlnené, aby sa rúrky vystriedali a zmenšil sa nános popolčeka. Varné rúrky majú sklon, aby bubliny pary ľahšie prechádzali. Prehrievač pary (6) je umiestnený za prvým ťahom, aby nedostával príliš horúce plyny. Prístup do rúrok je možný otvormi vo vonkajších stenách komôr alebo sekcií uzatvorených zátkami. Sekčné kotly sú výhodné, pretože rúrky sú rovné, rovnako dlhé, ľahko prístupné na čistenie a výmenu. Ľahko sa však zanášajú popolčekom, čím klesá účinnosť kotla. Výkonné sekčné kotly majú priečny bubon, ktorý umožňuje podstatne zväčšiť výhrevnú plochu a výkon. 46

48 Obrázok 6.4 Vodorúrkový článkový kotol (1 valcová nádoba, 2 spájacia rúrka, 3 komory (články) s varnými rúrkami, 4 kúrenisko s reťazovým roštom, 5 cesta spalín, 6 prehrievač pary, 7 odber pary) Ťažšie a drahšie článkové kotly boli vytlačené kotlami so strmými rúrkami. Tieto sú tvorené dlhými zvislými rúrkami, ktoré sa dajú spájať do rôznych útvarov, vytvárať steny alebo zväzky, takže kotol sa dá podľa tvaru prispôsobiť optimálnej funkcii ohniska. Poloha rúrok je strmá až zvislá, čím sa dosiahne veľmi dobrý obeh vody, ktorý zabraňuje usadzovaniu vodných nánosov v rúrkach (obrázok 6.5). 47

49 Obrázok 6.5 Strmorúrkový kotol (1 zberné valce, bubny, 2 varné rúrky, 3 zberače pary, 4 predhrievač pary, 5 rošt, 6 ohrievač vzduchu, 7 ohrievač vody, 8 cesta spalín) Kotly s núteným obehom vody a prietokové Výroba pary s tlakom vyše 10 MPa robila v začiatkoch pri kotloch s prirodzeným obehom vody ťažkosti, pretože pri vysokých teplotách a tlakoch sa zmenšuje rozdiel hustoty pary a vody. Zmenšoval sa výkon a trpela spoľahlivosť a bezpečnosť prevádzky. Preto sa výroba vysokotlakovej pary riešila núteným obehom vody, ktoré obstaráva obehové čerpadlo umiestnené mimo kotla. Výhodou núteného obehu je podstatné zväčšenie súčiniteľa prechodu tepla a zväčšenie zaťaženia výhrevnej plochy. Preto má kotol malé rozmery pre veľké výkony a tlaky. Niekedy sa pre tieto kotly používa i názov La Mont. Obeh vody obstaráva čerpadlo, ktoré tlačí vodu z bubna do sústavy varných rúrok, ktorých usporiadanie je ľubovoľné. Príklad kotla s núteným obehom vody je na obrázku 6.6. Napájacia voda sa privádza do ohrievača vody (6) a z neho sa vedie do bubna kotla (1). Cirkuláciu vo výparníku (3) zaisťuje obehové čerpadlo (2). Sýta para z bubna (1) sa predhrieva v predhrievači pary (4 a 5). Za kotlom je zaradený 48

50 regeneratívny ohrievač vzduchu (7). Ďalší rozdiel je i v tom, že výparník kotla s núteným obehom vody nemusí byť nutne zhotovený zo zvislých rúrok, ale môže byť zhotovený z vodorovných rúrkovitých hadov (typické pre kotly využívajúce teplo odpadových spalín). Obrázok 6.6 Kotol s núteným obehom vody (1 bubon, 2 obehové čerpadlo, 3 výparník, 4,5 predhrievač pary, 6 ohrievač vody, 7 ohrievač vzduchu) Iným riešením sú prietokové kotly (obrázok 6.7), ktorými voda pretečie len raz rúrkami kotla, pričom sa premení na paru. Pri týchto kotloch nie sú potrebné bubny, kotly sú jednoduchšie a lacnejšie. Obrázok 6.7 Prietokový kotol (1 čerpadlo, 2 ohrievač vody, 3 odparovacie rúrky, 4 prehrievač vody, 5 ohrievač vzduchu, 6 kúrenisko, 7 cesta spalín) 49

51 6.1.5 Kvapalinové kotly V kvapalinových kotloch sa ohrievajú kvapaliny určené na priame vykurovanie. Sú vyplnené ohrievanou kvapalinou úplne, niekedy okrem malého parného priestoru, ktorý slúži ako expanzný. Podľa druhu ohrievanej kvapaliny máme vodné kotly, ktoré sú najčastejšie, kotly na ohrievanie iných kvapalín, ďalej kotly s parným priestorom alebo bez neho, s prirodzenou alebo nútenou cirkuláciou, s veľkým alebo malým obsahom kvapaliny. Ich konštrukcia je podobná ako pri parných kotloch Armatúra kotlov Pri prevádzke sa chod kotla sleduje pomocou prístrojov, ktoré súhrnne nazývame armatúrou kotla. Tieto prístroje, ktoré sú dôležité pre kontrolu bezpečnosti prevádzky a sú predpísané zákonom sa nazývajú zákonitá armatúra a musí ju mať každý kotol. Ostatné prístroje tvoria doplňujúcu armatúru. Zákonitú armatúru kotla tvoria tieto prístroje: vodoznaky každý kotol musí mať najmenej dva samostatné vodoznaky, so zreteľne označenou výškou najnižšieho vodného obsahu. tlakomery (manometre) každý kotol musí mať dva spoľahlivé tlakomery ukazujúce tlak pary. Jeden je pripojený na priestor nasýtenej pary, druhý na výstup pary z prehrievača. Na tlakomeroch musí byť zreteľne vyznačený najvyšší dovolený pracovný tlak. poistné ventily zamedzujú prekročenie najvyššieho dovoleného pracovného tlaku. Každý kotol musí mať dva od seba nezávislé poistné ventily zaťažené závažím. napájacie prístroje musia byť najmenej dva spoľahlivé s pohonmi od seba nezávislými. Každý napájací prístroj musí byť schopný dodať najmenej 1,6-krát väčšie množstvo vody, ako je potrebné pre normálny výkon kotla. Spravidla býva jeden napájací prístroj poháňaný elektromotorom a jeden parnou turbínou. Okrem zákonitej armatúry má každý kotol ešte doplnkovú armatúru kotla: parný ventil na odber pary z kotla, odkalovací ventil na vypúšťanie kalu z kotla, odfukovacie zariadenie na čistenie výhrevných plôch od popolčeka, prielezy na čistenie a kontrolu vnútornej časti kotla, meracie prístroje - paromer, vodomer, teplomer, ťahomer a analyzátor dymových plynov. 50

52 6.2 JADROVÉ REAKTORY Jadrový reaktor je zariadenie, v ktorom prebieha kontrolovaná štiepna reakcia. Z uvoľnenej jadrovej energie sa pre energetické účely využije len tepelná energia. Reaktor má v jadrovej elektrárni podobnú funkciu ako parný kotol (generátor) v tepelnej elektrárni. Jadrové elektrárne sú v podstate tepelné elektrárne, ktoré používajú namiesto parného kotla jadrový reaktor s parným generátorom. Rozdiel je iba v použitom druhu paliva a spôsobe jeho premeny na teplo. Reaktor využíva väzbovú energiu jadra, ktorá sa uvoľňuje pri štiepení jadier ťažkých prvkov. Opakom je uvoľňovanie energie pri fúzii (spájaní) jadier ľahkých prvkov. V energetických jadrových elektrárňach sa štiepi urán, ktorý sa v prírode nachádza ako minerál smolinec (uraninit). Jadrové palivo je veľmi efektívne v porovnaní napr. s uhlím, biomasou alebo obnoviteľnými zdrojmi energie. Z 1 gramu 235 U vznikne úplným štiepením až MJ tepelnej energie. Pre energetické účely sa využíva štiepna reakcia. V jadrových reaktoroch sa ako štiepny materiál používa izotop uránu U. 235 U sa záchytom neutrónu mení na 236 U, ktorý je nestabilný v dôsledku čoho sa jeho jadro štiepi najčastejšie na dve časti (fragmenty). Najväčší diel uvoľnenej energie odnášajú fragmenty, ktorých kinetická energia sa zrážkami s inými atómami znižuje a uvoľňuje v podobe tepla. Táto energia sa teplonosnou látkou napr. H2O, CO2 odvádza do výmenníka tepla (parogenerátora) a z neho do parnej turbíny. Časť voľných neutrónov je zachytená v štiepnom materiáli, ktoré zabezpečujú kontinuitu procesu, časť v konštrukčných materiáloch - obal palivového prútika, nádoba reaktora, a časť v moderátore a absorbátore. Časti jadrového reaktora: 1. Palivo palivové články: a) obohatený 235 U, neobohatený 238 U, b) 235 U sa nazýva štiepnym (energetickým) materiálom - záchytom neutrónu dochádza k rozštiepeniu na dve časti, c) 238 U sa nazýva množivým materiálom - záchytom neutrónu nedochádza k rozštiepeniu. 2. Moderátor - moderátorom je látka, ktorá spomaľuje sekundárne neutróny. Ako moderátor sa používa ľahká voda H2O alebo ťažká voda D2O deutérium. 51

53 3. Riadiace (regulačné) tyče - vsúvajú sa do prostredia jadrového štiepenia, ich úlohou je pohlcovať sekundárne neutróny. Regulačné tyče sú zliatiny ocele a kadmia Cd alebo bóru B. 4. Bezpečnostné (havarijné) tyče - majú rovnakú funkciu ako regulačné tyče, využívajú sa na zastavenie štiepnej reakcie predovšetkým v nebezpečných situáciách. 5. Reflektor neutrónov - látka, ktorá obklopuje reakčné prostredie reaktora, býva zhotovená prevažne z grafitu, dokáže odrážať neutróny. 6. Betónové tienenie - chráni okolie jadrového reaktora v prípade havárie, straty kontroly nad štiepnou reakciou a následným únikom ionizujúceho žiarenia. Jadrové reaktory rozdeľujeme podľa rôznych hľadísk: 1. Podľa účelu na: a) výskumné reaktory na výrobu štiepiteľného materiálu, b) energetické reaktory na výrobu elektrickej energie reaktory na výrobu energie a štiepiteľného materiálu. 2. Podľa rýchlosti neutrónov na: a) pomalé (tepelné) reaktory, kde dochádza k štiepeniu pomalými neutrónmi s energiou do 0,1 ev, b) rýchle reaktory, kde dochádza k štiepeniu rýchlymi neutrónmi. 3. Podľa vyhotovenia na: a) heterogénne reaktory, kde je palivo (najčastejšie v tvare tyčí) oddelené od moderátora, b) homogénne reaktory, kde palivo aj moderátor tvoria homogénnu zmes. 4. Podľa druhu použitého paliva na: a) reaktory s prírodným uránom, b) reaktory s obohateným uránom. Popis a schéma atómovej elektrárne V atómovej elektrárni sa mení jadrová energia v reaktore na tepelnú energiu, ktorá sa v turbíne mení na mechanickú energiu a tá v elektrickom generátore na elektrickú energiu. Atómová elektráreň má reaktor, v ktorom pri štiepení vzniká nebezpečné rádioaktívne žiarenie. Toto žiarenie komplikuje konštrukciu a prevádzku reaktora. Ochrana pred žiarením zvyšuje investičné a prevádzkové náklady. Na obrázku 6.8 je zobrazená schéma atómovej elektrárne. Elektráreň má dva reaktory. Palivom je oxid uraničitý obohatený uránom. Moderátorom je destilovaná voda, ktorá je súčasne chladivom a obehovou látkou. Reaktory sú v samostatnej hale elektrárne. Palivové články sa vkladajú špeciálnym plniacim zariadením umiestneným na žeriave, ktorý sa ovláda diaľkovo. 52

54 Vyhorené články sa ukladajú na dno vodnej nádrže (na jeden aj viac rokov). Pri poklese rádioaktivity sa spracovávajú (získava sa z nich plutónium a urán). Elektráreň pracuje nasledovne: Tlaková voda sa v reaktore ohreje na 275 C a odchádza hornými hrdlami reaktora do primárneho okruhu. Vo výmenníkoch (parných generátoroch) sa odovzdáva teplo vode sekundárneho okruhu. Obeh v primárnom okruhu zabezpečuje čerpadlo (za hodinu dodáva cca m 3 vody). Vo výmenníkoch vzniká sýta para s tlakom 3,2 MPa a teplotou 250 C. Para sa privádza k turbogenerátoru, ktorý má výkon 70 MW. Celkový užitočný výkon elektrárne je 420 MW. Ďalšiu cestu pary sekundárnym okruhom je vidieť z obrázka 6.8. Obrázok 6.8 Schéma atómovej elektrárne (1 reaktor, 2 nádrž, 3 vyhorené palivové články, 4 žeriav na dopravu článkov, 5 potrubie obehovej látky primárneho okruhu, 6 výmenník (parný generátor), 7 obehové čerpadlo, 8 parná turbína, 9 generátor, 10 cesta obehovej látky sekundárneho okruhu, 11 kondenzátor výfukovej pary z parnej turbíny, 12 chladič) Jadrová energetika má nesporne veľkú budúcnosť. Zásoby fosílnych palív sa však rýchlo míňajú a obnoviteľné zdroje po vyťažení ropy, uhlia a zemného plynu s veľkou pravdepodobnosťou nebudú schopné tieto zdroje zastúpiť bez drastického nárastu cien energií, kým nebude objavený alebo dostupný iný spôsob výroby. 53

55 7 PRIMÁRNE STROJE A ZARIADENIA HNACIE STROJE 7.1 PARNÉ STROJE Parný stroj je tepelný piestový motor meniaci tepelnú a tlakovú energiu vodnej pary na mechanickú prácu. Rozvodovým mechanizmom (ventilom) sa para privádza kanálom do pracovného priestoru valca medzi piest a veko. Tlakom pary sa piest posúva striedavo vpravo a vľavo a poháňa priamo alebo cez kľukový mechanizmus pracovný stroj. V dnešnej dobe parné stroje väčšinou nahradili parné turbíny. Obrázok 7.1 Jednovalcový dvojčinný ležatý parný výfukový stroj Na obrázku 7.1 je znázornený princíp jednovalcového dvojčinného ležatého parného výfukového stroja. Rozvodový mechanizmus parného stroja reguluje vstup pary do parného valca a výstup pary. Rozvodom parného stroja sa ovláda jeho výkon, otáčky a zmysel otáčania. Posúvač striedavo odkrýva a zakrýva vstupné a výstupné kanály. Ak sa piest pohybuje vpravo, posúvač vzhľadom na predchádzajúci vstup pary odkryje vstupný kanál ešte pred úvraťou piesta, takže čerstvá para prúdi na ľavú stranu a tlačí piest. Posúvač súčasne odkrýva výfukový kanál pravého pracovného priestoru. To sa deje pri každom zdvihu piesta striedavo. Ventily parných strojov sú dvojsedlové liatinové a majú rúrkový tvar. Ich pohyb sa ovláda palcami a rozvodovým mechanizmom. Zotrvačník vyrovnáva nerovnosti hnacej sily a užitočného odporu v priebehu jednej otáčky parného stroja a udržiava nerovnomernosť otáčania hriadeľa v predpísaných medziach. Regulátor vyrovnáva nerovnomernosti medzi výkonom parného stroja a jeho zaťažením pri zmenách výkonu. Regulátorom sa udržujú buď stále otáčky, alebo stály výkon. 54

56 Rozdelenie a konštrukcia parných strojov Parné stroje rozdeľujeme podľa rôznych hľadísk: 1. Podľa tlaku privádzanej pary na: a) nízkotlakové parné stroje do 1 MPa, b) vysokotlakové parné stroje až do 10 MPa. 2. Podľa tlaku vystupujúcej pary na: a) výfukové para sa vyfukuje pri tlaku približne 110 až 120 kpa do atmosféry, b) protitlakové para sa pri tlaku vyššom ako atmosférickom vedie do protitlakovej siete, kde sa ďalej využíva napr. na vykurovanie, c) kondenzačné para sa otvára do kondenzátora s nízkym tlakom, v ktorom kondenzuje s využitím chladiacej vody. 3. Podľa otáčok na: a) pomalobežné asi do 200 l.min -1, b) rýchlobežné. 4. Podľa počtu valcov na: a) jednovalcové, b) viacvalcové parný stroj s dvoma valcami, ktoré pracujú vedľa seba sa nazýva dvojčitý, s troma valcami je trojčitý, viacvalcové parné stroje majú malý zotrvačník a môžeme ich spustiť z ktorejkoľvek polohy kľukového mechanizmu. 5. Podľa expanzie pary na: a) s jednoduchou expanziou, b) s dvojitou expanziou, c) s viacnásobnou expanziou majú menšiu spotrebu pary, vody a paliva ako stroje s jednoduchou expanziou. 6. Podľa účelu na: a) stabilné, b) lokomotívne, c) lodné, d) žeriavové a iné. Parné stroje možno využiť všade tam, kde sa tlakovo redukuje plynné médium, sýta alebo prehriata para, spaliny, vzduch alebo iné neagresívne plyny so vstupnými parametrami: tlak 2,0 MPa a teplota 240 C. Výhody parného stroja v porovnaní s parnou turbínou spočívajú v nasledovnom: - pracuje pri nižších prietokových množstvách pary, - nemusí ísť o prehriatu paru, 55

57 - dosahuje termodynamickú účinnosť až 80 %. Pri pomere vstupného (admisného) a výstupného (emisného) tlaku pary 1,9 potrebuje parný motor pre výrobu elektrického výkonu 60 kw len cca 2,5 t.h -1, - obstarávacie náklady sú nižšie. 7.2 PARNÉ TURBÍNY Parná turbína (obrázok 7.2) je krútiaci tepelný stroj (lopatkový rotačný stroj), transformujúci kinetickú energiu a tepelnú energiu prúdiacej pary na mechanický rotačný pohyb prenášaný na os resp. hriadeľ stroja. Skladá sa z jedného alebo viacerých postupne sa zväčšujúcich lopatkových kolies. Lopatkové kolesá, ktoré sú súčasťou statora stroja, sa nazývajú rozvádzacie. Tie, ktoré sú spojené s rotujúcou osou (resp. sú umiestnené na hriadeli) stroja, sa nazývajú obežné a spolu s osou tvoria rotor. Parná turbína sa využíva predovšetkým v energetike na pohon alternátorov (tepelná elektráreň, jadrová elektráreň), s ktorými býva mechanicky spojená spoločným hriadeľom. Obrázok 7.2 Princíp parnej turbíny Hlavné časti parnej turbíny Rozvádzací mechanizmus: rotor vyrába sa ako hriadeľ alebo bubon, ktorý na obidvoch koncoch vybieha do hriadeľa. Obežné lopatky sú upevnené v drážkach. skriňa turbíny je delená vo vodorovnej rovine. Obidve časti skrine sú stiahnuté k sebe predpätými skrutkami. 56

58 upchávky vonkajšie upchávky sú medzi skriňou a výstupným hriadeľom. Vnútorné oddeľujú jednotlivé tlakové stupne. Používajú sa labyrintové upchávky. ložiská sú dve radiálne a jedno axiálne. Mazanie je tlakové obežné. Treba kontrolovať prevádzkovú teplotu (max. 70 C). Spojky: kotúčová spojka ak sa má prenášať aj axiálna sila. zubová spojka pri vyrovnávaní axiálnej dilatácie. Parné turbíny sa delia podľa rôznych hľadísk: 1. Podľa spôsobu premeny tlakovej energie v obežnom kolese na: a) rovnotlakové tlak pary je pred obežným kolesom aj za ním rovnaký, b) pretlakové tlak pary je pred obežným kolesom väčší ako za ním, c) kombinované v jednom stroji sú aj rovnotlakové aj pretlakové lopatky. 2. Podľa stavu vstupnej pary na: a) vysokotlakové, b) strednotlakové, c) nízkotlakové. 3. Podľa stavu výstupnej pary na: a) kondenzačné, b) protitlakové, c) odberové, d) s prihrievaním pary. 4. Podľa počtu pracovných stupňov na: a) jednostupňové, b) viacstupňové. 5. Podľa vstupu pary do pracovného stupňa na: a) s úplným (totálnym) ostrekom para vstupuje po celom obvode, b) s čiastočným (parciálnym) ostrekom para vstupuje v jednom mieste. Miest môže byť Podľa smeru prúdenia pary na: a) radiálne, b) axiálne Jednostupňová rovnotlaková (Lavalova) turbína Rovnotlakový pracovný stupeň (obrázok 7.3) sa skladá z rozvádzacích lopatiek (dýz) - 1, ktoré sú zabudované priamo do telesa 2 a obežných lopatiek, ktoré sú vsadené do obežného kolesa O. Para, ktorá má tlak p, 57

59 vstupuje do rozvádzacích lopatiek, kde expanduje na nižší tlak p1. Prietoková rýchlosť pary do stupňa c vzrástla pri expanzii na vysokú hodnotu c1. Para preteká ďalej zakrivenými kanálmi obežných lopatiek, ale tlak už zostáva rovnaký (p1 = p2). Para opúšťa stupeň (vzhľadom na nepohyblivý priestor) absolútnou rýchlosťou c2. Hriadeľom 4 sa odvádza práca. Para po expanzii vystupuje z turbíny výstupným hrdlom. Tieto turbíny sa doteraz používajú na pohon lodí s veľkými prevodmi. Sú jednoduché a lacné, ale pracujú nehospodárne. Obrázok 7.3 Jednostupňová rovnotlaková (Lavalova) turbína (1 dýza, 2 skriňa turbíny, 3 ložiská, 4 hriadeľ, O obežné koleso) Jednostupňová rovnotlaková (Curtisova) turbína Skladá sa (obrázok 7.4) z rozvádzacích lopatiek (dýz) - 1, z prvého radu obežných lopatiek obežného kolesa O1, vratných lopatiek pevného kolesa V a z druhého radu obežných lopatiek obežného kolesa O2. Para expanduje len v rozvádzacích kanáloch z hodnoty p na p1 a tento tlak zostane v priebehu ďalšej cesty rovnaký (p1 = p2). V prvom rade obežných lopatiek sa zmenší rýchlosť pary z c1 na c1' ktorou vstupuje do vratných lopatiek pevne pripojených k telesu turbíny, kde sa smer prúdu obracia a vstupuje do druhej rady obežných lopatiek obežného kolesa O2, kde zmenou smeru rýchlosti opäť vykoná prácu. V druhom rade obežných lopatiek sa zmenší rýchlosť na c2. Para uniká veľkou rýchlosťou z dýzy do prvého radu obežných lopatiek, vo vratných lopatkách mení svoj smer a v ďalšom rade obežných lopatiek mení ďalšiu svoju kinetickú energiu na mechanickú energiu. 58

60 Koleso môže mať aj tri rady obežných lopatiek. Takto sa využije veľká rýchlosť, s ktorou para vystupuje z rozvádzacích lopatiek (dýz) a ktorá by sa v jednom rade obežných lopatiek úplne nespracovala. Curtisova turbína sa často používa na pohon čerpadiel. Veľké parné turbíny používajú Curtisovu turbínu ako regulačný stupeň. Obrázok 7.4 Jednostupňová Curtisova turbína (1 dýza, 2 skriňa turbíny, 3 ložiská, 4 hriadeľ, O1 a O2 obežné kolesá, V koleso s vratnými lopatkami) Jednostupňová pretlaková (Parsonova) turbína Rozvádzacie lopatky sú tu umiestnené priamo do skrine turbíny. Ich tvar a činnosť sú rovnaké ako pri rovnotlakovom stupni. Para tu expanduje z tlaku p na p1, rýchlosť vzrastá z hodnoty c na c1. V obežných kanáloch však tlak pary ďalej klesá z hodnoty p1 na p2. Para vystupuje z obežného kolesa rýchlosťou c2. Z funkčného hľadiska prebieha expanzia v rozvádzacích aj v obežných kanáloch. Pretože pred obežnými lopatkami je väčší tlak ako za nimi, vzniká na obežnom kolese pretlak odtiaľ majú názov pretlakový stupeň (obrázok 7.5). 59

61 Obrázok 7.5 Jednostupňová pretlaková (Parsonova) turbína (1 dýza, 2 skriňa turbíny, 3 ložiská, 4 hriadeľ, O obežné koleso) 7.3 PLYNOVÉ TURBÍNY Plynové turbíny sú rotačné motory, v ktorých kinetická energia látky vytekajúcej z dýz pôsobí na obežné lopatky a mení sa na mechanickú prácu. Od parných turbín sa odlišujú tým, že v priebehu pracovného obehu sa skupenstvo pracovnej látky nemení. Výhodou plynových turbín oproti piestovým spaľovacím motorom je, že expanzia prebieha až na tlak okolia. Diagramy pracovných obehov nie sú ukončené izochorickou zmenou ako pri piestových strojoch, čím sa ich plocha bez vynaloženia energie zväčší. Plynové turbíny používané v praxi pracujú výhradne podľa rovnotlakového princípu, pri ktorom sa palivo spaľuje pri stálom tlaku. Obeh môže byť zatvorený alebo otvorený bez využitia, alebo s využitím odpadovej energie výfukových plynov Rozdelenie a konštrukcia plynových turbín Plynové turbíny delíme na: 1. Plynové turbíny, pri ktorých sa teplo privádza do obehu v zmiešavacej spaľovacej komore, alebo v spaľovacej komore vyhotovenej ako povrchový výmenník tepla. 2. Expandéry sú plynové turbíny s vonkajším zdrojom tlakového plynu. Zdrojom môže byť spaľovací motor, ložisko zemného plynu, vysoká pec a pod. Táto turbína nemá kompresor a pokiaľ je použitá spaľovacia komora je to preto, aby expanzia plynu neskončila pod bodom mrazu.

62 Podľa spôsobu spaľovania plynové turbíny delíme na: a) plynové turbíny výbušné, b) plynové turbíny so spaľovaním za stáleho tlaku. Podľa pôsobenia plynu v kanáloch obežného kolesa na: a) rovnotlakové plynové turbíny, b) pretlakové plynové turbíny. Podľa použitia na: a) stabilné plynové turbíny, b) mobilné plynové turbíny Rovnotlaková plynová turbína Rovnotlaková plynová turbína s otvoreným obehom sa nachádza na obrázku 7.6. Axiálny kompresor (9) nasáva vzduch z atmosféry, stláča ho a vytláča do spaľovacej komory (13), do ktorej sa vstrekuje palivo. Horenie sa uskutočňuje za stáleho tlaku a spaliny s vysokou teplotou sa vedú do turbíny kde expandujú a konajú prácu. Ochladené spaliny s približne atmosférickým tlakom sa vyfukujú. Turbína poháňa kompresor a zvyšok výkonu odovzdáva elektrickému generátoru. Pretože sa nemôže sama rozbehnúť (ako parná turbína) musí mať štartovací motor napájaný z cudzieho zdroja. Obrázok 7.6 Spaľovacia turbína s otvoreným obehom (1 skriňa turbíny, 2 rotor turbíny, 4, 5 labyrintová upchávka, 6, 7 ložiská, 8 spojka, 9 skriňa kompresora, 10 rotor kompresora, 11 vzduch nasávaný kompresorom, 12 vzduch vháňaný do spaľovacej komory, 13 spaľovacia komora, 14 palivová dýza, 15 zapaľovacia sviečka) 61

63 Rovnotlaková plynová turbína so zatvoreným obehom je znázornená na obrázku 7.7. Pracovná látka sa nemení, prechádza len kruhovým obehom, podobá sa parným zariadeniam. Hlavné časti sú kompresor, ohrievač plynu, plynová turbína a chladič. Obrázok 7.7 Schéma zapojenia plynovej turbíny so zatvoreným obehom 7.4 SPAĽOVACIE MOTORY Spaľovací motor je tepelný stroj, v ktorom sa chemická energia v palive mení najskôr na tepelnú energiu a potom na mechanickú prácu. Klasický piestový spaľovací motor využíva rozpínavosť plynov vznikajúcich spálením paliva vo valci na uvedenie piesta do pohybu. Priamočiary vratný pohyb piesta sa prostredníctvom ojnice mení na otáčavý pohyb kľukového hriadeľa. Pod pojmom spaľovací motor sa v bežnej praxi rozumie piestový spaľovací motor. V porovnaní s ostatnými tepelnými motormi sa u piestových spaľovacích motorov dosahuje dokonalejšie využitie tepelnej energie paliva. Vysoká účinnosť piestových spaľovacích motorov je daná tým, že pracovný cyklus prebieha priamo v pracovnom priestore valca motora Rozdelenie spaľovacích motorov Spaľovacie motory môžeme rozdeliť do niekoľkých skupín: 1. Podľa spôsobu zapaľovania: a) zážihové (benzínové) motory - nasávajú zápalnú zmes, pri ktorých sa palivo zmiešané so vzduchom v určitom pomere (asi 18:1, pri teplote C) zapaľuje elektrickou iskrou, 62

64 b) vznetové (naftové) motory - palivo sa vstrekuje tryskou priamo do valca naplneného vzduchom, ktorý sa pri stláčaní zohreje približne na teplotu C, kde sa vznieti. 2. Podľa druhu paliva: a) plynové motory - použité palivo je za obvyklých podmienok v plynnom stave (patria sem aj generátorové plyny získané z tuhých palív a skvapalnené uhľovodíkové plyny), b) motory na kvapalné palivá - palivo je privádzané k mechanizmu pre prípravu zmesi v kvapalnom stave (benzín, nafta, petrolej, benzénové zmesi a pod.), c) motory na tuhé palivá - palivo sa spaľuje v tuhom práškovom stave. 3. Podľa počtu dôb (zdvihov piesta) pracovného obehu: a) dvojdobé motory - pracovný obeh prebehne v dvoch po sebe nasledujúcich zdvihoch - pracovnom (expanznom) a kompresnom, teda za jednu otáčku kľukového hriadeľa. Výfuk a plnenie valca sa vykonajú na konci pracovného a na začiatku kompresného zdvihu, b) štvordobé motory - pracovný obeh prebehne v štyroch po sebe nasledujúcich zdvihoch piesta - nasávacom, kompresnom, pracovnom (expanznom) a výfukovom, t. j. za dve otáčky kľukového hriadeľa. 4. Podľa spôsobu vstrekovania: a) motory s priamym vstrekovaním paliva (motory s nedeleným spaľovacím priestorom) - palivo sa vstrekuje do priestoru valca, buď do dutiny v hlave valca, alebo na dne piesta, ktorá však nie je od priestoru valca výrazne oddelená a tvorí podstatnú časť kompresného priestoru, b) motory s nepriamym vstrekovaním paliva (motory s deleným spaľovacím priestorom motory komôrkové) - palivo sa vstrekuje do zvláštnej komôrky, ktorá je od priestoru valca výrazne oddelená. 5. Podľa miesta prípravy zmesi z paliva so vzduchom: a) motory s vonkajším tvorením zmesi - zmes sa tvorí mimo pracovného valca v karburátore, zmiešavači, v nasávacom potrubí, b) motory s vnútorným tvorením zmesi - zmes sa tvorí až vo valci po vstreknutí paliva pred nasávací ventil, alebo priamo do valca. 6. Podľa usporiadania valcov: a) radové motory (stojaté šikmé valce za sebou), b) vidlicové motory (s valcami do tvaru V), c) hviezdicové motory (s protiľahlými valcami). 7. Podľa počtu valcov: a) jednovalcové motory, 63

65 b) viacvalcové motory. Ďalej sa môžu spaľovacie motory podrobne členiť ešte podľa mnohých iných hľadísk Hlavné časti piestových spaľovacích motorov Základné časti spaľovacích motorov sú alebo pohyblivé kľukové a rozvodové ústrojenstvo, alebo sú nepohyblivé motorová (kľuková) skriňa, valec (blok valcov), hlava valcov, veko motorovej skrine. Spaľovacie motory majú okrem toho zapaľovacie, nasávacie, výfukové a regulačné mechanizmy. Obrázok 7.8 Rez šesťvalcového motora Každý piestový spaľovací motor pracuje v určitom cykle. Cyklus prebieha v štyroch alebo dvoch fázach a podľa toho motory pracujú so štvordobým (štvortaktným), alebo dvojdobým (dvojtaktným) pracovným obehom ako zážihové a vznetové motory, čo závisí od druhu spaľovaného paliva. Štvortaktný motor je charakteristický tým, že cyklus prebehne pri štyroch zdvihoch piesta motora, ktorý v súčasnosti s rozvodom zaisťuje výmenu zmesi. U dvojtaktného motora prebehne cyklus na dva zdvihy piesta, ktoré plnia zároveň funkcie rozvodu. Pracovný obeh motora - pracovným obehom motora nazývame súhrn za sebou idúcich dejov periodicky sa opakujúcich v každom pracovnom valci a podmieňujúcich činnosť motora. Doba (takt) - dobou (taktom) nazývame časť pracovného obehu prebiehajúca medzi dvoma krajnými polohami maximálneho a minimálneho objemu, t. j. za jeden zdvih piesta. 64

66 Polohu piesta, pri ktorej objem pracovnej látky dosahuje minima, nazývame polohou minimálneho objemu. Polohu piesta, pri ktorej objem pracovnej látky dosahuje maxima, nazývame polohou maximálneho objemu. Pohybom piesta sa objem pracovného valca mení. Vo štvortaktnom motore sa pracovný obeh uskutočňuje behom štyroch zdvihov piesta: - prvý zdvih nasávanie, - druhý zdvih kompresia, - tretí zdvih expanzia, - štvrtý zdvih výfuk. U dvojtaktného motora prebieha pracovný obeh behom dvoch zdvihov piesta (jednej otáčky kľukového hriadeľa): - prvý zdvih expanzia a voľný výfuk spalín, - druhý zdvih kompresia a nasávanie. Motorová (kľuková skriňa) Motorová (kľuková) skriňa je nosnou časťou motora, v ktorej je uložený kľukový mechanizmus, bývajú v nej uložené valce (bloky valcov) a spravidla tvorí i vodný plášť motora. Motorová (kľuková) skriňa má byť dostatočne pevná a tuhá. Zachytáva a prenáša všetky sily kľukového mechanizmu spôsobené tlakom plynov na piest i sily dynamické a tiež momenty všetkých pôsobiacich síl. Súčasne ju zaťažujú sily rozvodu a všetkých s motorom spojených pomocných strojov. Jej konštrukcia závisí od typu, veľkosti, rýchlobežnosti, spôsobu chladenia, počtu, polohy a usporiadania valcov a účelu motora. Valce Valce spaľovacích motorov sú spravidla z iného materiálu ako kľuková skriňa, preto ich všeobecne nazývame vložky valca. Úlohou vložiek valca je zachytávať tlaky plynov počas pracovného obehu a zvládnuť namáhanie, ktoré vyplýva z týchto tlakov a teplôt plynov. Ďalšou úlohou vložky valca je vedenie piesta. Vložky valcov musia odolávať nielen mechanickému a tepelnému namáhaniu, ale aj opotrebeniu klzných plôch. Majú zásadný význam pre životnosť motora. Plochy vnútorného povrchu musia odolávať koróznemu pôsobeniu spalín a korózii musí odolávať aj vnútorný povrch chladiaceho priestoru motora chladeného kvapalinou. Klzné plochy valca majú mať dostatočnú tvrdosť a dobré trecie vlastnosti (pri ľahkej obrobiteľnosti). Valcová plocha musí byť vyrobená tak, aby piest čo 65

67 najdokonalejšie tesnil spaľovací priestor, a aby pritom odpor proti pohybu bol čo najmenší. Vyžaduje sa teda v prvom rade, aby si valec zachoval čo možno najpresnejší kruhový tvar za všetkých podmienok prevádzky, a aby povrch valcovej plochy bol čo možno najhladší. Hlavy valcov Hlava valcov je v podstate veko motorového valca a zároveň tvorí časť spaľovacieho priestoru. Prenáša plný spaľovací tlak plynov, je tepelne namáhaná a má tlakové predpätie vyvolané spojovacími skrutkami. Je to zložitý odliatok s členitým povrchom. Hlava je tepelne veľmi namáhaná. Z jednej strany až 2000 ºC a z druhej len 30 až 90 ºC, pri tlaku až 10 MPa. Hlavy valcov majú rôzne konštrukcie. Bývajú buď samostatné pre každý valec alebo spoločné pre dva až šesť valcov. Pri konštrukčnom návrhu je rozhodujúca veľkosť priemeru valca a druh spaľovacieho priestoru. Pri navrhovaní hláv motorov musíme zabezpečiť nasledovné požiadavky: voliť vhodný materiál, používať jednoduché, ale vyhovujúce tvary, všetky časti hlavy usporadúvať súmerne, vhodne upraviť smer prúdenia chladiaceho média. Týmito požiadavkami je určené rozmiestnenie ventilov, výfukových a sacích kanálov, zapaľovacích sviečok alebo trysiek. Veko motorovej skrine Spodné veko motorovej skrine je spravidla zásobnou nádržou pre olej motora. Netvorí obvykle nosnú časť skrine, a preto býva vytvorené ako výlisok z plechu 1 až 1,5 mm. Okraje sú vystužené zahnutím plechu a pozdĺžnymi prelismi alebo pásikom. V týchto prípadoch je použité mäkké tesnenie z korkovej drte alebo umelých hmôt, prípadne z gumy o hrúbke 1,5 až 2,5 mm. Tam, kde tvorí motor nosnú časť podvozku, alebo u veľkých motorov nákladných automobilov, je spodné veko odliate z ľahkých zliatin alebo sivej liatiny. Tesnenie je potom slabšie, obyčajne iba papier asi 0,1 mm. Predné veko motora, ktoré spravidla kryje rozvodové kolesá, býva vylisované z plechu a je utesnené rovnakým spôsobom ako spodné lisované veko. Je opatrené niekoľkými prelismi, aby nerezonovalo a nezosilňovalo hluk rozvodových kolies. Často sa však vyrába predné veko odliate a rebrované, pretože lepšie tlmí hluk. U zložitejších pohonov rozvodov je treba použiť vždy odliate veká. 66

68 Kľukové ústrojenstvo piestových spaľovacích motorov Úlohou kľukového mechanizmu je previesť tlak plynov v spaľovacom priestore na otáčavý pohyb, vyznačujúci sa požadovaným momentom a otáčkami. Do skupiny kľukového mechanizmu motorového vozidla zahŕňame (obrázok 7.9): - piest, - ojnicu, - kľukový hriadeľ, - zotrvačník. Obrázok 7.9 Kľukový mechanizmus a zotrvačník Zážihové (piestové) spaľovacie motory Zážihové spaľovacie motory spaľujú zmes jemne rozprášených kvapalných palív, alebo plynu so vzduchom, ktorá sa v motore zapaľuje elektrickou iskrou z cudzieho zdroja. Konštruujú sa ako štvordobé štvortaktné, alebo dvojdobé dvojtaktné. Pracovný obeh štvortaktného zážihového motora má štyri takty, a to nasávanie, kompresiu, expanziu a výfuk. Každý takt prebehne za jeden zdvih piesta, t. j. za polovičku otáčky kľukového hriadeľa. Nasávanie - Piest sa pohybuje z hornej úvrate (HU) do dolnej úvrate (DU). Otvoreným sacím kanálom (sací ventil v otvorenej polohe) sa nasáva zápalná zmes (obrázok 7.10). 67

69 Kompresia - Pohybom piesta z dolnej úvrate do hornej úvrate sa po uzavretí sacieho kanála sacím ventilom zmes vo valci stláča a zohrieva sa. Sací ventil uzatvára sací kanál niekoľko stupňov za dolnou úvraťou, aby sa využila zotrvačnosť prúdiacej zmesi na lepšie plnenie valca. Teplota zmesi nesmie dosiahnuť zápalnú teplotu, ktorá sa pohybuje v rozmedzí C, aby nevzniklo detonačné horenie. Pred hornou úvraťou v okamihu predstihu zážihu elektrická iskra zapaľovacej sviečky zapáli zmes stláčanú na 0,6 1,2 MPa (podľa stupňa kompresie motora). Stupeň kompresie udáva, koľkokrát sa zmenší objem nasatej zmesi po stláčaní (býva až 9,5 krát). Normálna rýchlosť horenia je asi m.s -1, horením sa uvoľní tepelná energia paliva, ktorá sa prejaví rýchlym zvýšením tlaku spalín vo valci. Obrázok 7.10 Princíp činnosti štvortaktného zážihového motora Expanzia - Piest sa pohybuje z hornej úvrate do dolnej, oba ventily sú v zatvorenej polohe. Tlak spalín 3 4 MPa pôsobí na piest, ktorý vykonáva užitočnú prácu, teplota spalín je C. Expanzný zdvih piesta je pracovným zdvihom, ostatné tri zdvihy sú pomocné. Tlak spalín postupne klesá, pred dosiahnutím dolnej úvrate piesta sa otvorí výfukovým ventilom výfukový kanál, tlak vo valci klesá, dosahuje hodnotu 0,3 0,5 MPa a teplota C. Výfuk - Otvoreným výfukovým kanálom (výfukový ventil v otvorenej polohe) unikajú splodiny horenia cez tlmič výfuku do ovzdušia. Piest ich potom vytláča pri pohybe do hornej úvrate tlakom asi 0,12 MPa. Výfukový kanál výfukovým ventilom sa zatvára tesne za hornou úvraťou piesta. 68

70 Pracovný obeh dvojtaktného zážihového motora prebieha v dvoch taktoch (obrázok 7.11), za dva zdvihy piesta, teda za jednu otáčku kľukového hriadeľa. Je to možné tak, že fázy činnosti motora prebiehajú v priestore nad piestom a súčasne i pod ním. Predpokladom je hermeticky utesnená kľuková skriňa každého valca. Otváranie a zatváranie sacích, výfukových a prepúšťacích kanálov sa ovláda piestom. Spôsob plnenia a vyplachovania valcov je určený usporiadaním kanálov a tvarom piesta. Dvojtaktné motory majú vratné vyplachovanie. Prvý takt - Pri pohybe piesta z dolnej úvrate do hornej najprv piest zatvára prepúšťací kanál, ktorým sa zápalná zmes dostala do priestoru nad piestom. Potom sa zatvára výfukový kanál, takže sa zmes vo valci stláča. Asi za polovicu zdvihu otvorí spodná hrana piesta sací kanál. Do kľukovej skrine sa nasáva zápalná zmes. Pred hornou úvraťou piesta preskočí medzi elektródami zapaľovacej sviečky iskra a zapáli zmes. Druhý takt - Pri druhom zdvihu piesta prebieha nad piestom expanzia, piest sa pohybuje z hornej úvrate do dolnej. Pred polovicou zdvihu sa zatvorí sací kanál a v kľukovej skrini sa mierne stláča zápalná zmes. Tesne pred ukončením expanzie, keď je v spaľovacom priestore ešte tlak asi 0,3 0,35 MPa, piest otvorí výfukový kanál. Tlak vo valci klesne, piest otvorí aj prepúšťací kanál, Zápalná zmes z kľukovej skrine sa dostáva do priestoru nad piestom, vyplachuje miernym tlakom 0,12 0,13 MPa spaliny a plní valce na ďalší obeh. Obrázok 7.11 Princíp činnosti dvojtaktného zážihového motora 69

71 7.4.4 Vznetové (piestové) spaľovacie motory Vznetové spaľovacie motory nasávajú a stláčajú čistý vzduch, do ktorého sa vstrekuje kvapalné palivo, ktoré sa pri vysokej teplote vznieti a zhorí. Pracovný obeh štvortaktného vznetového motora je podobný ako pri zážihovom motore. Hlavné rozdiely sú v tom, že príslušné tlaky a teploty sú vyššie, do valcov sa nasáva čistý vzduch, do ktorého sa po stláčaní a zahriatí vstrekuje čistá nafta rozprášená dýzou a vzniknutá zápalná zmes sa zapaľuje kompresným teplom. Nasávanie - Cez otvorený nasávací kanál sa nasáva čistý vzduch (zbavený prachu a ostatných nečistôt v čističi vzduchu). Teplé časti motora ho zohrejú až na 80 C. Kompresia - Vzhľadom na vyšší stupeň kompresie sa vzduch stláča na 3 4 MPa a zohreje sa na C. Pred hornou úvraťou sa do spaľovacieho priestoru vstrekne tlakom 8,5 20 MPa presne odmerané množstvo rozprášeného paliva (nafty), ktoré sa premieša, odparí a vznieti (obrázok 7.12). Vzniká expanzia. Expanzia - Je pracovný takt, pri ktorom pôsobí tlak až 5 8 MPa, pri prepĺňaných motoroch MPa. Tlak spalín sa prenáša piestom na ďalšie časti kľukového ústrojenstva. Na kľukovom hriadeli pôsobí sila ako krútiaci moment motora, teplota spalín je C. Pred skončením expanzie výfukový ventil otvorí výfukový kanál. Výfuk - Uskutočňuje sa pri pohybe piesta do hornej úvrate, pri ňom sa spaliny vytláčajú výfukovým potrubím cez tlmič výfuku tlakom 0,1 0,13 MPa. Vznetové motory sú v prevádzke spoľahlivé, bezpečné a hospodárne. Mernú spotrebu majú g.kw.h -1, zatiaľ čo zážihové motory majú spotrebu g.kw.h -1 i viac, ich životnosť je vzhľadom na nižšie otáčky vyššia. Nevýhodou vznetových motorov je zložitejšia konštrukcia, väčšia hmotnosť, rozmery aj cena. Sú hlučnejšie, náklady na údržbu a opravy sú vyššie než pri zážihových motoroch. 70

72 Obrázok 7.12 Vstrekovacie jednotky Spaľovacie motory s rotačným piestom Tieto motory vynikajú malými rozmermi, malou hmotnosťou a jednoduchým mechanizmom. Motor s jedným rotorom trojuholníkového prierezu pracuje ako trojvalcový motor, za jednu otáčku motora (piesta) prebehne celý štvordobý cyklus s dvoma zmenami objemu každej komory z minima do maxima. Hriadeľ motora pritom vykoná tri otáčky, na rozdiel od piestového štvordobého motora, ktorého kľukový hriadeľ za jeden štvordobý cyklus vykoná len dve otáčky. Na motoroch s rotačným piestom vykonáva pohyblivá časť len rotačný pohyb, takže ju možno ľahko vyvážiť. K jednoduchosti prispieva aj to, že sa nevyžaduje ventilový rozvod. Pri riešení rozvodu teda odpadajú ťažkosti so zvládnutím zrýchľujúcich sa síl. Jedným z najznámejších spaľovacích motorov s rotačným piestom je Wankelov motor (obrázok 7.13). Jeho princíp je nasledujúci: Pracovný cyklus tohto motora má štyri doby. Základom motora je unikátna konštrukcia piestu a spaľovacej komory. Piest je vlastne akýsi konvexný trojuholník, ktorý excentricky rotuje okolo hriadeľa. Telo valca má zložitý tvar. Ten zaručuje, že všetky vrcholy rotora sú vždy v kontakte so stenou spaľovacej komory. Tým vznikajú vo vnútri motora tri vzájomne oddelené priestory. Otáčaním rotora v každom z nich prebieha vždy práve jedna z fáz klasického štvordobého cyklu. To znamená, že za jednu otáčku rotora motor vykoná tri pracovné cykly. Pracovná zmes vzduchu a benzínu je nasávaná do pracovného priestoru motora vďaka pohybu rotačného piesta. Tým je hnaná ďalej až do priestoru, kde je stláčaná. Potom je zmes zapálená zapaľovacou sviečkou. Plyny expandujú (rozpínajú sa), a tým tlačia na piest, ktorý sa ďalej otáča a dostáva sa do priestoru kde vytláča spaliny do výfukového kanála. 71

73 Výhodou týchto motorov je nízka hmotnosť a kľudný chod. Ďalšou hlavnou výhodou tohto motora je jeho pomer váhy na produkovaný výkon. Nevýhodami sú vysoká spotreba pohonných hmôt, konštrukčne daná nedokonalá tesnosť medzi jednotlivými komorami, spôsobujúca nedosiahnuteľnosť vyššieho kompresného pomeru a spotreba oleja. Obrázok 7.13 Wankelov motor 7.5 VODNÉ MOTORY Vodné motory sú hnacie stroje, ktoré využívajú energiu vody a menia ju na zužitkovateľnú mechanickú energiu. Sú to lopatkové stroje, v ktorých voda prúdi po lopatkách obežného kolesa a tým odovzdáva svoju energiu Vodné turbíny a ich základné rozdelenie Vodné turbíny svojou hospodárnou konštrukciou, vysokou účinnosťou a veľkými výkonmi majú široké uplatnenie najmä pri výrobe elektrickej energie. Všetky vodné turbíny pracujú na rovnakom princípe. Voda tečúca do turbíny na rozdiel od vodného kolesa vstupuje najskôr do rozvádzacieho kolesa, kde sa usmerní jej prúdenie a prechodom cez lopatky obežného kolesa sa energia vody mení na mechanickú energiu. Voda pri prechode cez 72

74 lopatky obežného kolesa vyvolá na ne silové pôsobenie a táto sila uvádza do pohybu obežné koleso. Vodné turbíny môžeme rozdeliť podľa rôznych hľadísk: 1. Podľa polohy hriadeľa: a) turbíny s vertikálne uloženým hriadeľom, b) turbíny s horizontálne uloženým hriadeľom, c) turbíny so šikmo uloženým hriadeľom. 2. Podľa vtoku vody do obežného kolesa: a) turbíny s úplným vtokom, b) turbíny s čiastočným vtokom. 3. Podľa smeru prietoku vody: a) axiálne turbíny - voda tečie rovnobežne s osou turbíny, b) radiálne turbíny - voda tečie v smere kolmom na os turbíny, c) tangenciálne turbíny - voda dopadá na obežné koleso ako lúč (Peltonova turbína). 4. Podľa priebehu tlaku v obežnom kolese: a) rovnotlakové turbíny - rovnotlakové turbíny využívajú rýchlosť prúdenia vody, čo je kinetická energia vody. Rýchlosť prúdenia je závislá na spáde vodného toku. Turbíny tohto typu sú pomalobežné vodné motory, pretože obvodová rýchlosť turbíny je polovičná ako rýchlosť prúdenia vody, čo zabezpečuje optimálne využitie kinetickej energie vody. Tlak vody pôsobiaci na lopatky je rovnaký počas celej cesty vody cez turbínu. Tieto turbíny majú čiastočný (parciálny) ostrek, voda vstupuje do turbíny len čiastočne po jej obvode (Peltonova a Bánkiho turbína), b) pretlakové turbíny - pretlakové turbíny využívajú tlakovú energiu vody. Časť tlaku vody sa v privádzači premení na rýchlosť, čo zabezpečí potrebné plnenie turbíny. Zvyšný tlak sa využije na lopatkách turbíny na jej roztočenie. Na výstupe z turbíny je nízky atmosférický tlak alebo aj podtlak. Tento podtlak spôsobuje kavitáciu (vákuovú bublinu vytvorenú v kvapaline pri prudkom poklese tlaku) a tá zvyšuje opotrebovanie turbíny. Preto sa na výrobu pretlakových turbín používajú veľmi kvalitné materiály. Na zamedzenie podtlaku sa zavádza protitlak, turbína sa umiestňuje pod spodnú hladinu vody. Pretlakové turbíny sú rýchlobežné vodné motory. Ich otáčky sú omnoho vyššie ako je rýchlosť prúdenia vody. Preto majú menšie rozmery ako rovnotlakové turbíny. Tieto turbíny majú úplný ostrek, pretože voda do turbíny vstupuje po celom jej obvode (Kaplanova a Francisova turbína). 73

75 5. Podľa využitého spádu: a) turbíny nízkotlakové (do 20 m), b) turbíny strednotlakové (od 20 m do 100 m), c) turbíny vysokotlakové (nad 100 m). Všetky druhy vodných turbín majú tieto hlavné konštrukčné celky: obežné koleso s hriadeľom, rozvádzací mechanizmus, regulačné zariadenie, skriňu s ložiskami a upchávkami a ďalšie príslušenstvo ako potrubia, plošiny atď. V súčasnosti sú najpoužívanejšie štyri základné druhy vodných turbín Peltonova, Bánkiho, Francisova a Kaplanova Peltonova turbína Tento typ turbíny vychádza z konštrukcie vodného kolesa (obrázok 7.14). V Peltonovej turbíne sa voda na obežné koleso privádza tangenciálne cez jednu alebo viacero dýz. Pri konštruovaní Peltonovej turbíny je pre určitý rozsah výkonov možné navrhnúť priemer obežného kolesa tak, aby zodpovedal menovitým otáčkam generátora. V takom prípade nie je potrebná prevodovka a celý agregát je jednoduchší, spoľahlivejší, lacnejší, a zároveň má aj vyššiu účinnosť, pretože odpadajú straty v prevodovke. Toto riešenie sa však nedá použiť pre celý rozsah výkonov. Lopatiek býva obvykle 12 až 40 a hriadeľ turbíny aj s generátorom môže byť uložený horizontálne, keď je dýza jedna alebo dve. Agregáty so štyrmi až šiestimi dýzami mávajú vertikálnu os hriadeľa. Pre zvýšenie účinnosti sú lopatky kolmé na lúč dopadajúcej vody. Výrez na lopatke slúži na lepšie prerozdelenie vody. Výstupok na lopatke rovnomerne rozdeľuje vodu dopadajúcu na lopatky. Obežné koleso je vždy uložené v turbínovej skrini, ktorá zabraňuje rozstriekavaniu vody a usmerňuje ju do odpadu. Regulácia prietoku vody v dýze a tým aj výkonu turbíny sa robí ihlovým uzáverom v osi dýzy. Regulácia musí byť plynulá, bez skokových zmien, aby nedochádzalo k rázom v prívodnom potrubí. Peltonova turbína sa používa spravidla pri vysokých spádoch a menších prietokoch. 74

76 Obrázok 7.14 Základný princíp Peltonovej turbíny Turbína sa väčšinou buduje ako horizontálna, teda aj obežné koleso je umiestnené horizontálne, takéto usporiadanie je vhodné pre menšie prietoky. Pri takomto usporiadaní je obežné koleso zavzdušnené a aj ložiská sa nachádzajú mimo vodu. Vertikálne sa umiestňujú len najväčšie Peltonove turbíny s výkonmi do 200 MW a priemerom obežného kolesa až 5 m. Takéto veľké turbíny majú okrem hlavných dýz aj pomocné dýzy slúžiace na rozbeh a brzdenie obežného kolesa. Hltnosť turbíny sa zvyšuje pridaním ďalších dýz. Pri horizontálnom umiestnení obežného kolesa sa používajú maximálne dve dýzy a pri vertikálnom až 6 dýz. Peltonova turbína sa používa pre spády od 10 m. Používa sa pre prietoky od 1,5 l.s -1 až do l.s -1. Je vhodná na použite v malých vodných tokoch s veľkým spádom. Dokáže spracovať aj mierne znečistenú vodu a vďaka plochej charakteristike turbíny dosahuje dobrú účinnosť pri zmenách prietoku. Celé zariadenie je pomerne zložité a drahé, preto sa táto turbína v malých vodných elektrárňach obvykle nepoužíva Bánkiho turbína Je to rovnotlaková turbína s veľmi jednoduchou konštrukciou. Horizontálne umiestnené zavzdušnené obežné koleso sa skladá z dlhých zahnutých lopatiek na koncoch uzavretých diskami. Obežné koleso sa môže skladať z viacerých takýchto sekcií. Prívod vody do turbíny je uskutočnený cez obdĺžnikové vtokové potrubie. Voda pri prechádzaní cez turbínu dopadne na dlhé lopatky obežného kolesa. Lopatky sa snažia odkloniť vodu smerom k hriadeľu turbíny. Voda zmenou smeru odovzdá väčšinu, asi 79 %, svojej energie obežnému kolesu. Ďalej voda prechádza cez voľný zavzdušnený priestor turbíny. Potom dopadá na lopatky na opačnej strane obežného kolesa a je opäť nútená 75

77 zmenou smeru odovzdať energiu obežnému kolesu. Po opustení lopatiek voľne vyteká pod obežné koleso. Prietok vody cez turbínu sa reguluje pomocou klapky umiestnenej na vstupe vody do turbíny. Ložiská turbíny sú umiestnené v kryte obežného kolesa a celej turbíny a nie sú v kontakte s vodou. Bánkiho turbína je zobrazená na obrázku Obrázok 7.15 Základný princíp Bánkiho turbíny Bánkiho turbína má veľmi široké použitie. Je vhodná pre spády od 1 m až do 50 m s prietokom od 0,5 l.s -1 až do l.s -1. Preto sa používa najmä v malých vodných elektrárňach a je v hodná pre toky s malým a premenlivým prietokom. Použitie na vodných tokoch s premenlivým prietokom je možné vďaka jej plochej charakteristike. V rozsahu plnenia od 30 % do 100 % pracuje s veľmi dobrou účinnosťou. Bánkiho turbína dosahuje účinnosť až 85 %. Jednoduchá konštrukcia a s tým súvisiaca finančná náročnosť turbíny je ďalším dôvodom pre použitie v malých vodných elektrárňach. Bánkiho turbína je schopná spracovať znečistené vodné toky a nie je náchylná ku kavitácii Francisova turbína V súčasnosti je to druhá najpoužívanejšia vodná turbína. Používa sa najmä pre veľké vodné elektrárne. Je vhodná pre prietoky od 600 l.s -1 a pre spády od 10 m. Dosahuje veľké výkony, v súčasnosti najväčšia má výkon 800 MW. 76

78 Účinnosť tejto turbíny býva cez 90 %. Radí sa medzi normálobežné a rýchlobežné vodné motory. Francisova turbína (obrázok 7.16) ja pretlaková, to znamená že voda pri prechode turbínou mení svoj tlak. Voda svoju tlakovú energiu odovzdá lopatkám obežného kolesa. Na nasmerovanie toku vody na lopatky obežného kolesa a získanie rýchlosti slúži rozvádzacie koleso s pohyblivými lopatkami. Voda dopadá na obežné koleso po celom obvode, prechádza cez lopatky obežného kolesa a tu odovzdáva svoju energiu. Po prechode obežným kolesom má voda nízky tlak. Francisove turbíny sa osadzujú s horizontálnym aj vertikálnym umiestnením rotora. Turbíny s vertikálnym rotorom sú vhodné pre malé vodné elektrárne, pretože sú schopné využiť spád od 2 m a prietok od 100 l.s -1. Obrázok 7.16 Základný princíp Francisovej turbíny Kaplanova turbína V súčasnosti je to najpoužívanejší typ vodnej turbíny. Má široký rozsah použitia, používa sa pre malé, stredné ale aj veľké vodné elektrárne. Dosahuje najvyššiu účinnosť zo všetkých typov vodných turbín a to viac ako 90 %. Používa sa pre spády od 1 m až do 80 m a pre prietoky od 200 l.s -1, ale hlavne sa používa pre väčšie prietoky a menšie spády. Kaplanova turbína sa radí do kategórie rýchlobežných vodných motorov, pretože rýchlosť otáčania obežného kolesa je dvakrát väčšia ako rýchlosť vody pretekajúcej cez turbínu. Základné časti turbíny sú pevné rozvádzacie koleso s polohovateľnými lopatkami a obežné koleso s polohovateľnými lopatkami. Práve vďaka polohovateľným lopatkám je turbína veľmi dobre regulovateľná, aj 77

79 pri premenlivom prietoku dosahuje maximálnu účinnosť, čo umožňuje jej použitie na vodných tokoch s premenlivým prietokom. Konštrukcia tohto typu je veľmi zložitá a tým aj drahá. Preto malé Kaplanove turbíny pre malé vodné elektrárne majú pevné lopatky obežného aj rozvádzacieho kolesa, ale dosahujú nižšiu účinnosť. Počet lopatiek obežného kolesa je vždy párny, najčastejšie sa používajú štyri lopatky. Voda je do turbíny privádzaná cez tlakový privádzač k obežnému kolesu. Na lopatkách rozvádzacieho kolesa voda získa potrebný smer a rýchlosť a postupuje na lopatky obežného kolesa, kde odovzdá svoju tlakovú a kinetickú energiu. Kaplanova turbína sa umiestňuje vertikálne v akumulačných a haťových elektrárňach alebo horizontálne v prietokových elektrárňach. Výhodou tejto turbíny je malá stavebná výška a tým nižšie náklady na stavbu elektrárne. V súčasnosti je veľa rôznych modifikácií Kaplanovej turbíny a jej vývoj stále pokračuje. Kaplanova turbína je zobrazená na obrázku Obrázok 7.17 Základný princíp Kaplanovej turbíny Vodné elektrárne Vodná elektráreň (obrázok 7.18) využíva energiu vodného toku (potenciálnu a kinetickú) na výrobu elektrickej energie. Vodná elektráreň je obvykle súčasťou vodného diela. Vodné dielo je stavebné a strojné zariadenie, ktoré je potrebné na využitie vodnej energie v určitom úseku vodného toku a jej premenu na mechanickú energiu. Účelom vodného diela je s maximálnou možnou účinnosťou zužitkovať kinetickú alebo potenciálnu energiu vody na premenu najskôr vo vodnom motore na mechanickú energiu a potom v generátore na elektrickú energiu. Úlohou ostatných častí vodného diela je dopraviť vodu k motoru bez straty energie. 78

80 Vyrobená elektrická energia sa prenáša pomocou elektrických sietí pozostávajúcich z rozvodných zariadení, z transformátorov a cez rozvodné siete až ku konečnému spotrebiteľovi. Základné časti vodných elektrární: - zdrž, - prívodný kanál, - elektráreň, - odpadový kanál. Obrázok 7.18 Schéma vodnej elektrárne Zdrž: Vznikne prehradením vodného toku a sústreďuje prietoky rieky na následné využitie vo vodnej elektrárni, ako zdroj kinetickej energie na pohon turbín. Prívodný kanál: Zabezpečuje potrebný prívod vody, čiže sústreďuje hydraulický spád. Prívod vody pozostáva z vtokov, ktoré sú vybavené hrablicami, hradidlami a rýchlouzáverom. Tie zabraňujú tomu, aby sa nečistoty (pne, konáre) dostali do turbíny. Vodná elektráreň: Premieňa kinetickú alebo potenciálnu energiu vody na elektrickú energiu. Zahŕňa strojovňu, turbíny a generátory. Súčasťou vodnej elektrárne sú aj plavebné komory. Rozhodujúcimi technologickými zariadeniami sú: - generátor - spolu s budiacou súpravou napájanou z pomocného alternátora sa nachádza na osi sústrojenstva, 79

81 - turbína - je spojená s generátorom pevnou prírubou a spojkou. Voda v turbíne preteká rozvádzacím kolesom (dýzou) do obežného kolesa, ktoré sa pôsobením vody otáča a odovzdáva energiu hriadeľu. Odpadový kanál: Odvádza energeticky využitú vodu z vodnej elektrárne a vodu z plavebnej komory späť do rieky. Zároveň tvorí aj plavebnú dráhu. Základné rozdelenie vodných elektrární je podľa toho pre aké spády a akým spôsobom využívajú vodný tok. Podľa toho ich delíme na: - akumulačné - využívajú vodu nahromadenú v nádrži (priehrade). Pracujú s možnosťou postupného spúšťania niekoľkých turbín podľa narastania spotreby elektrickej energie. Slúžia aj ako ochrana proti povodniam, naopak v obdobiach sucha ako zásobáreň vody (Oravská priehrada Kaplanova turbína), - prietokové - pracujú len s prietokom vody, ktorá preteká korytom rieky. Prehradzujú pôvodné alebo nové koryto vodného toku (Gabčíkovo Kaplanova turbína), - prečerpávacie - majú dve prečerpávacie nádrže (hornú a dolnú). Strojovňa je umiestnená pri dolnej nádrži. V čase nízkej záťaže prečerpávajú vodu do vyššie položenej nádrže. V čase vyššej záťaže táto voda potom poháňa hydrogenerátor na výrobu elektrickej energie. Budujú sa v hornatých oblastiach na menších tokoch (Čierny Váh Francisova turbína), - derivačné - majú zanedbateľný vplyv na životné prostredie. Tento typ sa stavia poväčšine na potokoch, kde je väčší spád ako prietok. Vzhľadom na charakter tokov tento typ elektrární nefunguje nepretržite, ale hlavne pri väčšom prietoku. V prípade sucha tak neodoberajú vodu z pôvodného koryta a ponechávajú všetku vodu pre potreby fauny a flóry žijúcej vo vode. Človek svojou činnosťou vplýva na životné prostredie. Takisto aj výstavba a prevádzka vodných elektrární spôsobuje zmeny životného prostredia. Malé vodné elektrárne spôsobujú len veľmi malé zásahy do životného prostredia. Ide hlavne o migráciu vodných živočíchov (čo však nie je problém vyriešiť vybudovaním biokoridorov) a o hlučnosť prevádzky. Väčší problém nastáva pri veľkých vodných elektrárňach s akumulačnou nádržou. Najväčším zásahom do životného prostredia je záber veľkej plochy pôdy. V okolí akumulačnej nádrže nastáva zmena klimatických podmienok, zvýšenie vlhkosti a čiastočné vyrovnávanie teplôt. Ostatné negatívne vplyvy sa dajú vyriešiť pomocou technologicko ekologických opatrení. 80

82 Pozitívne vplyvy vodných elektrární na životné prostredie prevyšujú nad negatívnymi vplyvmi. Vodné elektrárne sú bezodpadovým zdrojom elektrickej energie, vodu nespotrebúvajú ale len využijú jej energiu a neprodukujú žiadne emisie. Vodná energia je primárny energetický zdroj, teda nie je závislý na aktuálnej cene na trhu. Najväčším kladným vplyvom vodných elektrární na životné prostredie je náhrada elektrickej energie za zdroje podstatne viac znečisťujúce životné prostredie. Na 1 MWh elektrickej energie vyrobenej v tepelnej elektrárni treba spotrebovať 1,1 až 1,5 tony uhlia. Pri tom sa vyprodukuje veľa škodlivín. Tiež životnosť tepelnej elektrárne je nižšia ako životnosť vodnej elektrárne, ktorá dosahuje aj vyše 100 rokov. Vodné elektrárne majú oproti iným zdrojom elektrickej energie malý negatívny vplyv na životné prostredie, preto je výhodné zvýšiť využívanie hydroenergetického potenciálu vodnými elektrárňami. 81

83 8 SEKUNDÁRNE ENERGETICKÉ STROJE A ZARIADENIA 8.1 VENTILÁTORY Ventilátory sú rotačné lopatkové stroje slúžiace na dopravu plynov, v ktorých sa mechanická práca z hnacieho motora rotačným pohybom obežného kolesa mení na tlakovú energiu plynu (statický tlak plynu ps) a na kinetickú energiu plynu (dynamický tlak plynu pd). Súčet obidvoch tlakov prúdiaceho plynu tvorí jeho celkový tlak pc. Ventilátory sú podľa konštrukcie a spôsobu práce podobné čerpadlám, ktoré dopravujú kvapaliny. Podľa veľkosti celkového tlaku, ktorý ventilátor danej konštrukcie vytvorí, sú ventilátory rozdeľované do troch skupín: - nízkotlakové ventilátory s celkovým tlakom pc Pa, - strednotlakové ventilátory s celkovým tlakom pc = až Pa, - vysokotlakové ventilátory s celkovým tlakom pc = až Pa. Podľa smeru prúdenia plynu v obežnom kolese ventilátora sa ventilátory rozdeľujú na (obrázok 8.1): - axiálne - prúdenie plynu je rovnobežné s osou ventilátora, - diagonálne - prúdenie plynu je rôznobežné s osou ventilátora, - radiálne - výstup plynu z obežného kolesa je kolmý na os ventilátora. a) b) c) Obrázok 8.1 Smer prúdenia plynu v obežnom kolese ventilátora: a) axiálny ventilátor, b) diagonálny ventilátor, c) radiálny ventilátor 82

84 8.1.1 Odstredivé (radiálne) ventilátory Odstredivé ventilátory nasávajú vzduch lopatkami obežného kolesa v smere osi otáčania tohto kolesa a pôsobením lopatiek ho odstredivou silou vytláčajú radiálnym smerom do špirálovej skrine ventilátora. Smer prúdenia vzduchu sa vo ventilátore mení (otáča) o 90. Schéma odstredivého ventilátora je na obrázku 8.2. Obrázok 8.2 Schéma odstredivého ventilátora (1 - lopatka, 2 - obežné koleso, 3 špirálová skriňa ventilátora, 4 - hriadeľ spojky, 5 - stojan na upevnenie ložísk spojky, 6 - sacie hrdlo ventilátora, 7 - výtlačné hrdlo ventilátora) Vzduch vstupuje do ventilátora nasávacím hrdlom a prúdi do kanálov obežného kolesa, z ktorých je vytláčaný do rozvádzacej špirálovej skrine, z ktorej výtlačným hrdlom vystupuje. Pri niektorých ventilátoroch vzduch z obežného kolesa vystupuje do rozvádzacích lopatiek, v ktorých sa kinetická energia mení na tlakovú a až potom nasleduje špirálová skriňa. Podľa konštrukčného riešenia pripojenia elektropohonu k ventilátoru (obrázok 8.3) sa odstredivé ventilátory rozdeľujú na ventilátory s elektropohonom pripojeným: - priamo - obežné koleso ventilátora je naklinované na hriadeľ elektromotora, používa sa u menších jednotiek a nízkotlakových ventilátorov, - cez remeňový prevod - na voľnom konci hriadeľa elektromotora ako i na voľnom konci hriadeľa obežného kolesa ventilátora je remenica a sila sa prenáša klinovými remeňmi, - cez spojku - hriadeľ obežného kolesa ventilátora je spojený s hriadeľom elektromotora spojkou. 83

85 a) b) c) Obrázok 8.3 Konštrukčné riešenie prenosu sily z elektromotora na obežné koleso ventilátora: a) pohon priamo, b) pohon cez remeňový prevod, c) pohon cez spojku Podľa účelu, na ktorý použijeme odstredivý ventilátor, navrhujeme príslušné tvary lopatiek. Na vetranie priestorov budov, priemyselných závodov, ktoré je často spojené s ohrievaním alebo vlhčením vzduchu, sa používajú nízkotlakové odstredivé ventilátory, ktoré majú väčšinou veľa krátkych lopatiek zakrivených dopredu alebo radiálne. Na sušiace a vlhčiace zariadenia sa zvyčajne používajú nízkotlakové a strednotlakové odstredivé ventilátory s lopatkami zakrivenými radiálne. Na nepriamu dopravu plynu sa odporúčajú vysokotlakové ventilátory so 6 až 10 lopatkami zakrivenými radiálne, alebo môžu byť zakrivené dozadu. Na priamu dopravu plynov, pri ktorej plyn prechádza ventilátorom sa používa 6 až 10 rovných alebo málo zakrivených lopatiek. Ventilátory na dopravu materiálu majú väčšinou radiálne usporiadané rovné lopatky. Lopatky sú často mierne zakrivené, čím sa zväčšuje ich odolnosť proti poškodeniu hrubým kusovým materiálom. Na zadných stranách sa zvyčajne vystužujú. Lopatky sú súčasťou obežného kolesa, ktoré je zvyčajne pri menších obežných kolesách ventilátorov priamo spojené (spojkou) s hriadeľom elektromotora. Týmto spojením sa podstatne zmenšujú mechanické straty. Ventilátory s väčším priemerom obežného kolesa sú hnané elektromotorom cez prevod Axiálne ventilátory Axiálne (osové) ventilátory (obrázok 8.4) sú vhodné na dopravu veľkého objemového množstva vzduchu pri malých tlakových rozdieloch. Vzduch vstupuje do ventilátora v smere osi obežného kolesa a vystupuje rovnakým smerom. Pri otáčaní obežného kolesa ventilátora vzniká tlakový rozdiel medzi dvoma stranami nosnej lopatky, ktorý vyvolá prúdenie 84

86 a zvýšenie statického tlaku. Axiálne ventilátory sa používajú v oblasti malých tlakových rozdielov po hodnotu maximálne Pa. Obrázok 8.4 Osový ventilátor Axiálny ventilátor (obrázok 8.5) sa skladá z elektromotora (1), na ktorom je pripevnené obežné koleso ventilátora (2) so skrutkovito usporiadanými lopatkami (3). Elektromotor s obežným kolesom je pripevnený na kozlíkoch, ktoré sú upevnené na bubne ventilátora (4). Na usmernenie prívodu a odvodu vzduchu a súčasne zabránenie tvorenia vírov sa dávajú pred obežné koleso s lopatkami kolesá z prívodných lopatiek (5). Podobne sa za obežné koleso umiestňuje rozvádzacie koleso (6). Na zväčšenie účinnosti sa výtoková časť predlžuje. Obrázok 8.5 Schéma axiálneho (osového) ventilátora (1 elektromotor, 2 obežné koleso ventilátora, 3 lopatky, 4 bubon ventilátora, 5 kolesá z prívodných lopatiek, 6 rozvádzacie koleso) 85

87 Lopatky axiálnych ventilátorov môžu byť rovné, vyduté (z plechu), alebo profilované. Lopatky prekĺzavajú prúdiacim plynom, tlačia na plyn, odkláňajú a zrýchľujú prúd. Profilované lopatky zväčšujú účinnosť ventilátora. Lopatky s nábojom do ktorého sú vsadené, tvoria obežné koleso. Môžu byť pohyblivé, alebo nepohyblivé. Podľa požiadaviek, lopatky niektorých typov možno natáčať, čím sa zväčšuje účinnosť ventilátora. Natáčaním lopatiek sa môže meniť smer prúdenia. 8.2 VÝVEVY Vývevou sa vysáva plyn z uzavretého priestoru, kde má vzniknúť podtlak a nasatý plyn sa stláča na atmosférický tlak. Nasávací tlak sa postupne znižuje s pribúdajúcim podtlakom, kým výtlakový tlak pri výveve zostáva stále rovnaký, čiže atmosférický. Podľa činnosti a konštrukcie delíme vývevy na mechanické, paroprúdiace a špeciálne Mechanické vývevy Základným funkčným znakom vývev je, že ich čerpací efekt je založený na periodicky sa opakujúcom zväčšovaní a zmenšovaní objemu pracovného priestoru vývevy. Počas jeho zväčšovania je objem pracovného priestoru spojený s odčerpávaným systémom. Keď je objem pracovného priestoru maximálny, odčerpávaný priestor sa automaticky oddelí od pracovného priestoru a začne sa opäť zmenšovať. Plyn, ktorý vnikol do pracovného priestoru počas zväčšovania objemu, sa teraz začne stláčať. Keď tlak plynu dosiahne atmosférický tlak, otvorí sa výfukový ventil vývevy a plyn unikne do okolitej atmosféry. Podľa spôsobu zväčšovania a zmenšovania pracovného priestoru poznáme nasledujúce typy vývev: Piestové vývevy - ich princíp je rovnaký ako v prípade púmp na duše pneumatík alebo lôpt. Vo vnútri valca sa pohybuje piest. Ak sa objem zväčšuje, otvorí sa sací ventil a plyn sa nasáva. Výfukový ventil je uzavretý. Pri zmenšovaní objemu sa otvorí výfukový ventil a sací ventil sa uzavrie. Periodický pohyb piesta sa odvodí od otáčavého pohybu kľukového hriadeľa, ktorý je poháňaný elektrickým motorom. Sériovým zapojením dvoch piestových vývev vznikne dvojstupňová piestová výveva. Týmito vývevami možno získať hraničný tlak okolo 150 Pa. Majú značnú čerpaciu rýchlosť, nie sú chúlostivé na obsluhu a majú dlhú životnosť. Preto sa s výhodou používajú v ťažkých prevádzkach chemického a potravinárskeho priemyslu. 86

88 Vodokružné vývevy majú vo valcovom statore excentricky uložený lopatkový rotor. Tento rotor sa otáča pomerne vysokými otáčkami, takže voda, ktorá je vo vnútri statora, vytvorí pod vplyvom odstredivej sily prstenec pozdĺž obvodu valcového statora. Pri otáčaní rotora sa jeho lopatky striedavo ponárajú do tesniaceho vodného prstenca. Tým sa medzi lopatkami vytvára séria čerpacích komôrok, pričom voda v každej z nich má úlohu piesta. Komôrky sa pri otáčaní rotora dostávajú striedavo pred nasávací (keď majú najväčší objem) a výfukový otvor (minimálny objem), čím sa súčasne nahrádza funkcia mechanických ventilov. Najnižší tlak získaný vodokružnými vývevami je ohraničený tlakom nasýtených pár vody, čo pri teplote vody 15 C je asi 1,7 kpa. Výhodou týchto vývev je necitlivosť na vniknutie mechanických nečistôt a kondenzovateľných pár. Používajú sa preto s výhodou v chemickom priemysle, v sušiacich a destilačných aparatúrach. Čerpacia rýchlosť je vysoká, väčšia ako m 3.h 1. Mnoholopatkové vývevy - svojou konštrukciou sa trocha podobajú vodokružným vývevám. Vo valcovom statore je excentrický uložený rotor tak, že sa dotýka povrchu statora v jednej povrchovej priamke. V rotore sú drážky, v ktorých sú zasunuté lopatky. Pri otáčaní rotora sú lopatky pod vplyvom odstredivej sily vysúvané smerom od stredu (osi) k stene valcového statora. Čerpací účinok vzniká analogicky ako pri vodokružných vývevách periodickým zväčšovaním priestorov pracovných komôrok medzi jednotlivými lopatkami. Tieto vývevy majú veľkú čerpaciu rýchlosť a možno nimi získať tlaky 10 Pa. Rotačné olejové vývevy (obrázok 8.6) - sú najčastejšie používané vývevy v bežných vákuových systémoch. Výveva sa skladá z valcovej pracovnej komory, v ktorej sa otáča excentricky uložený valcový rotor. V rotore je medzera, v ktorej sa pohybujú dve lopatky tak, že pomocou pružiny sa pritláčajú k vnútorným stenám valcového statora. Pracovný priestor komory je takto rozdelený na tri časti, ktorých objem sa striedavo zväčšuje a zmenšuje, čím dochádza k nasávaniu a vytláčaniu čerpaného plynu. Celé teleso vývevy je ponorené v oleji. Olej má tesniacu, chladiacu a mazaciu funkciu, súčasne vypĺňa pri nízkych tlakoch mŕtvy priestor a pomáha otvoriť výstupný ventil. Pomocou dodatočného ventilu v pracovnom objeme blízko výstupného ventilu možno do pracovnej komory napúšťať určité množstvo vzduchu, čím sa docieli rýchlejšie otvorenie výstupného ventilu a zamedzí sa kondenzácia čerpaných pár kvapalín. Tým sa však zníži hraničný tlak vývevy i čerpacia rýchlosť. 87

89 Obrázok 8.6 Schematický prierez rotačnou olejovou vývevou Najčastejšie chyby rotačných vývev: - nedostatočné alebo prebytočné množstvo oleja, - nevhodný alebo znečistený olej, - poškodený výfukový ventil, - nesprávne napnutie klinového remeňa, - poškodené tesnenie hriadeľa (na strane remenice), - zlé chladenie vývevy, - prasknuté pero lopatiek alebo zaseknutá lopatka, - vznik živicových povlakov na stenách, čo je príčinou zadrhnutia vývevy a poškodenia vnútorných povrchov vývevy Paroprúdiace vývevy Princípom ich činnosti je využitie nepretržitého prúdu pár pracovnej látky, ktorý strháva molekuly plynu nachádzajúce sa pri nižšom tlaku a prenáša ich do oblasti vyšších tlakov. Tu pary na chladenom povrchu kondenzujú. Uvoľnené plyny odčerpáva pomocná výveva. Podľa spôsobu vytvárania prúdu pár a ich strhávania delíme tieto vývevy na ejektorové a difúzne. V ejektorových vývevách (obrázok 8.7) molekuly získajú hybnosť od prúdu kvapaliny alebo pár v smere ich toku. Princíp činnosti je v tom, že prúd kvapaliny alebo pary prechádza cez dýzu špeciálneho tvaru (Lavalovu dýzu), v ktorej získa veľkú rýchlosť. Za dýzou dochádza k zmiešavaniu a strhávaniu molekúl plynu prúdom kvapaliny alebo pary. 88

90 Obrázok 8.7 Princíp ejektorovej vývevy Difúzne vývevy (obrázok 8.8) sa v súčasnosti najčastejšie používajú na získanie vysokého a za špeciálnych podmienok i ultravysokého vákua. Molekuly plynu môžu byť za účelom čerpania premiestňované prúdom pary usmernenej tryskou do jedného smeru. Para vhodnej kvapaliny (ktorá má nízky tlak nasýtených pár pri izbovej teplote) sa získava ohrievaním kvapaliny na teplotu varu (vo vákuu) na dne valcovej nádoby. Odtiaľ sa vedie k tryske (kužeľového tvaru), z ktorej para prúdi vysokou rýchlosťou (zvuku) k stene nádoby, kde kondenzuje a steká ku dnu, kde je znovu ohrievaná. Rozdiel tlakov (kompresný pomer), ktorý sa dá takto dosiahnuť je malý, preto sa zaraďuje niekoľko (3 až 4) trysiek za sebou. Obrázok 8.8 Difúzna výveva 89

91 8.2.3 Špeciálne vývevy V súčasnosti je tendencia používať také vákuové systémy, v ktorých by sa čo najmenej uplatnil vplyv tlaku pár pracovnej látky vývevy. Preto sa používajú vývevy, ktoré s využitím určitých fyzikálnych princípov tieto požiadavky spĺňajú. Sú to: Molekulárne a turbomolekulárne vývevy - Ich čerpací efekt je založený na prenose hybnosti jednotlivými molekulami plynu v smere čerpania od rýchlo rotujúceho disku. Tým vzniká rozdiel tlakov na vstupnej a výstupnej strane vývevy. Zjednodušená funkčná schéma molekulárnej vývevy je na obrázku 8.9. Vo vnútri valcového statora sa otáča s veľkou rýchlosťou bubnový hladký valec. Molekuly plynu, ktoré sa nachádzajú v medzere medzi statorom a rotorom, získavajú pri náraze na rotor zložku hybnosti v smere jeho otáčania. Veľký odpor úzkej medzery bráni spätnému prúdeniu zo strany výstupného otvoru k vstupnému. Obrázok 8.9 Prierez jednoduchou molekulárnou vývevou (1 rotor, 2 stator, 3 vstupný otvor, 4 výstupný otvor, 5 kvapalinový vákuometer) Iónové vývevy Využívajú pri čerpaní plynu ionizáciu jeho molekúl. Vzniknuté kladné, prípadne záporné ióny sú urýchľované pomocou elektrického poľa v smere k predvákuu. Tu sa ióny buď viažu na elektródu, alebo sú neutralizované a odčerpávané predvákuovou vývevou. 90

92 Sorpčné vývevy Využívajú schopnosť zachytávania molekúl plynu tuhými látkami na povrchu (chemická a fyzikálna adsorpcia) alebo v objeme (absorpcia). Podľa druhu adsorpcie rozoznávame rôzne typy vývev. Kryogénne vývevy - Sú založené na princípe kondenzácie plynov a pár na povrchoch tuhých telies, ktoré sú ochladené na veľmi nízke teploty (4 až 20 K). Pri takej nízkej teplote je tlak nasýtených pár všetkých odčerpávaných plynov okrem hélia, vodíka a neónu omnoho nižší ako tlak potrebný na získanie ultravysokého vákua. Principiálna schéma kryogénnej vývevy je na obrázku Obrázok 8.10 Schéma kryogénnej vývevy (1 medená guľová nádoba plnená kvapalným héliom, vodíkom, alebo neónom, 2 tieniaci medený valec s rebrami chladený kvapalným dusíkom, 3 Dewarova nádoba plnená kvapalným dusíkom) V praxi sa často používajú na získanie ultravysokého vákua vývevy, ktoré využívajú kombináciu fyzikálnych princípov uvedených pri posledných troch typoch vývev. Sú to vývevy iónovo-sorpčné, kryo-sorpčné a pod. Docieli sa tým účinnejší čerpací efekt. Nevýhodou posledných typov vývev je, že odčerpávaný plyn zostáva priamo vo výveve, čím sa znižuje čerpacia kapacita a zároveň hrozí nebezpečenstvo spätného uvoľnenia plynov do vákuového systému. 91

93 8.3 KOMPRESORY Plyny s vyšším tlakom ako je atmosférický sa v technickej praxi vyskytujú veľmi často. Aby sme dopravili plyny z nižšieho tlaku do priestoru s vyšším tlakom, treba ho stlačiť. Pri prúdení plynov potrubím sa prekonávajú odpory, takže plyn musí mať na začiatku vyšší tlak ako na konci potrubia, aby prúdil. Najčastejšie sa stláča vzduch. Stlačený vzduch je používaný vo všetkých odvetviach priemyslu. Je často považovaný za štvrtú energiu (elektrina, voda, plyn) v mnohých zariadeniach. V mnohých prípadoch je tento systém tak závažný, že bez neho nie je možná prevádzka. Priemyselné systémy na výrobu stlačeného vzduchu sú vo veľkostiach od necelého kilowatu až po kw. Stlačený vzduch sa vyrába stlačením atmosférického vzduchu s následnou úpravou tohto vzduchu (filtrácia, sušenie). Zariadenie ktorým stláčame vzduch nasávaný z atmosféry na pretlak vyšší ako 200 kpa sa nazýva kompresor. Kompresia je tepelná zmena a preto stroje, v ktorých sa uskutočňuje sa nazývajú tepelné stroje Rozdelenie a konštrukcia kompresorov Vzhľadom k tomu, že kompresor má v technike mnohostranné použitie, existuje veľa druhov kompresorov. Pre výrobu stlačeného vzduchu slúžia kompresory, ktoré je možné rozdeliť podľa spôsobu premeny energie z mechanickej na tlakovú. Sú to: - dynamické (rýchlostné) kompresory: (lopatkové turbokompresory radiálne a axiálne, prúdové kompresory) pracujúce na princípe stlačenia plynu zmenou rýchlosti prúdenia. Sú určené pre stláčanie nasatého plynu v množstve od m 3.h objemové kompresory: stláčajúce médium zmenou objemu pracovného priestoru. Sú určené pre dodávku malého a stredného množstva plynu do m 3.h -1. Ďalšie rozdelenie objemových kompresorov je na rotačné (lamelové, skrutkové, špirálové, zubové) a s vratným pohybom (piestové, membránové) Piestové kompresory Piestový kompresor je kompresor, ktorého podstatnou časťou je piest vykonávajúci priamočiary vratný pohyb vo valci. Patrí do podskupiny objemových kompresorov. Pri pohybe piesta vo valci sa plyn postupne 92

94 nasáva, stláča a vytláča. Ventily, ktoré plyn prepúšťajú do valca a z valca pracujú samočinne, na základe rozdielu tlakov. Usporiadanie piestových kompresorov a ich konštrukcia sa obecne vyznačujú veľkou rozmanitosťou, ku ktorej vedú nasledovné požiadavky: - rozdielnosť výkonností (desatiny až desaťtisíce m 3.h -1 ), - rozdielnosť výtlačných tlakov (desatiny až stovky MPa), - rôznosť vlastností stláčaných plynov, - rôznosť prevádzkových požiadaviek, - ďalšie rôzne aspekty. Pri polohe piesta v dolnej úvrati je priestor valca naplnený plynom o tlaku približne zodpovedajúcom tlaku pred nasávacím ventilom. Oba ventily sú uzavreté. Za výtlačným ventilom je vyšší tlak. Piest sa začne pohybovať k hornej úvrati a náplň valca sa začne stláčať. Niekde medzi úvraťami dosiahne tlak vo valci rovnakú úroveň ako tlak vo výtlačnom potrubí. Akékoľvek ďalšie nepatrné zvýšenie tlaku spôsobí otvorenie výtlačného ventilu čím sa prepojí priestor valca s výtlačným potrubím. Pri ďalšom pohybe piesta k hornej úvrati dochádza k izobarickému vytláčaniu stlačenej náplne. Po dosiahnutí hornej úvrate piest zmení smer pohybu a priestor nad ním sa začne zväčšovať. Tlak vo valci začne klesať čo má za následok uzavretie výtlačného ventilu. Piest sa pohybuje ďalej k dolnej úvrati a plyn uzavretý v škodlivom priestore (priestor medzi ventilmi a piestom, keď sa piest nachádza v hornej úvrati, čím je tento priestor väčší, tým má kompresor nižšiu účinnosť) sa začne rozpínať. Tlak vo valci sa vyrovná s tlakom v nasávacom potrubí, otvorí sa nasávací ventil a do valca začne izobaricky prúdiť plyn, až kým sa valec nedostane do dolnej úvrate. Obrázok 8.11 Piestový kompresor 93

95 Piestové kompresory sa najčastejšie poháňajú elektromotormi. Tam, kde sa nemôže použiť elektrická energia použije sa spaľovací motor. Najvýhodnejšie usporiadanie motora s kompresorom je priame, niekedy sa používa tandemové usporiadanie piest motora a kompresora sú na jednej piestnici. Pri malom počte otáčok kompresora je priame spojenie s motorom nevhodné. Použije sa prevod klinovým remeňom alebo prevodovkou Membránové kompresory Patria medzi špeciálne druhy kompresorov, pretože zmeny objemu pracovného priestoru sa dosahujú prehýbaním pružnej kruhovej membrány (kovovej, gumovej, plastovej a pod.). Táto membrána je hermeticky upnutá medzi hlavu a skriňu (prehýbaná u malých strojov mechanicky, u väčších hydraulicky). Piest je od sania a výtlaku oddelený, takže vzduch neprichádza do styku s klzne uloženými pohyblivými dielmi a preto nie je znečisťovaný olejom. Výhody týchto kompresorov sú: - bezupchávková konštrukcia, - čistota pracovného priestoru, ktorý nie je znečisťovaný olejom, - malý škodlivý priestor, ktorý umožňuje vysoký kompresný pomer. Nevýhodou je ich väčšia hmotnosť. Membránové kompresory (obrázok 8.12) sa používajú hlavne na stláčanie malých množstiev vzácnych plynov a takisto v prípadoch, kde je únik stláčaného plynu do okolia nežiaduci. Preto sa používajú hlavne v potravinárskom, farmaceutickom a chemickom priemysle. Obrázok 8.12 Membránový kompresor 94

96 8.3.4 Lamelové (krídlové) kompresory Tento typ kompresorov (obrázok 8.13) sa vyznačuje valcovým rotorom, ktorý je excentricky uložený vo valci tak, že sa ho dotýka teoreticky v priamke. V jeho zárezoch sa pohybujú lamely alebo krídla, ktoré sa pri otáčaní rotora odstredivou silou pritláčajú k stene valca. Lamelami sa priestor medzi rotorom a valcom rozdeľuje na niekoľko komôrok. Objem komôrky sa mení v priebehu jednej otáčky, najprv sa zväčšuje až do maxima a potom sa zmenšuje. Ak na nasávacie hrdlo pripojíme časť valca, kde sa komôrky zväčšujú, plyn sa nasáva do komôrok. Pri nasledujúcom zmenšovaní komôrok sa plyn stláča tak dlho, kým lamela uzatvárajúca komôrku neprekročí hranu výtlačného hrdla. Po spojení komôrky s výtlačným hrdlom sa plyn vytláča z kompresora. Odpadajú tu nasávacie a výtlačné ventily. Výtlačný tlak závisí od uhla výstupnej hrany. Každý lamelový kompresor sa vyrába pre určitý kompresný pomer. Obrázok 8.13 Lamelový (krídlový) kompresor Skrutkové kompresory Stlačenie plynu sa dosahuje zmenšovaním objemu párových komôrok medzi skrutkami rotorov. Rotory sú skrutkového tvaru so závitom o veľkom stúpaní. Hlavný (hnací) rotor má najčastejšie štyri zuby, vedľajší má obvykle šesť zubov. Rotory sa otáčajú v opačných smeroch, čím sa objem pracovných komôrok na sacej strane postupne zväčšuje a na výtlačnej strane sa postupne zmenšuje. Existujú suché kompresory, so vstrekovaním vody a mazané olejom. V priemysle sa používajú väčšinou olejom mazané kompresory. 95

97 Obrázok 8.14 Skrutkový kompresor Výhody skrutkových kompresorov: - oproti piestovým kompresorom majú podstatne nižšiu hlučnosť, - pri rovnakom výkone majú menšiu hmotnosť a rozmery, - nezaťažujú svoje okolie vibráciami, - majú menšiu zložitosť a jednoduchšiu montáž, - nepotrebujú ukotvenie ani základ, - majú dlhšiu životnosť a nižšiu pracnosť pri údržbe Špirálové kompresory Špirálové kompresory (obrázok 8.15) sú rotačné bezolejové kompresory určené pre dodávku perfektne čistého vzduchu bez akýchkoľvek nečistôt. Sú určené hlavne pre medicínske, nemocničné a farmaceutické aplikácie, kde sú vyžadované najvyššie nároky na kvalitu stlačeného vzduchu. Obrázok 8.15 Špirálový kompresor 96

98 8.3.7 Lopatkové kompresory (turbokompresory) Tieto kompresory dosahujú zvýšenie tlaku zrýchlením prúdiaceho plynu a po ňom nasledujúcou premenou kinetickej energie prúdiaceho plynu na tlak. Slúžia pre veľké dopravované objemy vzdušniny, radiálne kompresory 3600 až m 3.h -1, axiálne až m 3.h -1. Tieto stroje sa prevažne vyskytujú v ťažkom, hutníckom a chemickom priemysle. Používajú sa tiež pri diaľkovej doprave zemného plynu potrubím (plynovod). V turbokompresoroch prebieha premena energie opačne ako v turbínach. Mechanická práca privádzaná na hriadeľ otáča rotor, ktorý svojimi lopatkami vyvíja tlak na plyn. Plyn takto získava kinetickú energiu, ktorá sa čiastočne mení na tepelnú energiu a pri tomto deji sa stláča. Na rozdiel od turbín, kde je expanzia len prostriedkom umožňujúcim premenu energií, v turbokompresore je hlavné zväčšiť tlak plynu. Hlavnou časťou turbokompresora je obežné koleso s lopatkami. Obežné kolesá sú buď radiálne, v ktorých plyn prúdi kolesom v rovine kolmej na os otáčania, alebo axiálne, v ktorých plyn prúdi rovnobežne s osou otáčania. U radiálneho turbokompresora (obrázok 8.16) je plyn nasávaný sacím hrdlom, v obežnom kolese (rotore). Pri prechode lopatkovými kanálmi je mu udelená kinetická energia. Tá sa v difúzore tvorenom lopatkami opačnej orientácie premieňa na tlakovú energiu, čiže stúpa tlak plynu. Takto stlačený plyn je privedený do nasledujúceho stupňa. Posledným stupňom je špirálová skriňa a výtlačné hrdlo. Hriadeľ je uložený na ložiskách. Dynamické stláčanie vyžaduje vysoké obvodové rýchlosti až 450 m.s -1, čiže i vysoké otáčky ot.min -1. Z toho vyplýva aj požiadavka na vysoko kvalitný materiál lopatiek obežného kolesa. Pre vyššie tlaky je potrebné viac stupňov. Stupeň tvorí obežné koleso, difúzor a vratný kanál. Plyn je nutné po prechode približne troma stupňami chladiť, čím sa zvýši hustota plynu, čo je potrebné pre ďalšie stláčanie. 97

99 Obrázok 8.16 Schéma radiálneho turbokompresora (1 sacie hrdlo, 2 hriadeľ, 3 rotor, obežné koleso, 4 difúzor, 5 vratný kanál, 6 - špirálová skriňa, 7 ložiská, 8 výtlačné hrdlo) Pri axiálnych turbokompresoroch (obrázok 8.17) sa plyn nasáva hrdlom do komory, usmerní sa lopatkami statora, urýchli obežnými lopatkami jednotlivých obežných kolies rotora, v smerovacích lopatkách statora sa zvýši jeho tlak a je presmerovaný do ďalšieho stupňa. Za posledným stupňom je zaradený difúzor. Z neho tečie stlačený plyn do výtlačného hrdla. Pri týchto kompresoroch sa plyn väčšinou nechladí, kvôli zložitosti vedenia plynu. Axiálne kompresory sa vyrábajú pre tlaky okolo 2 MPa. Obvodová rýchlosť obežných lopatiek sa volí až 450 m.s -1, a otáčky ot.min -1. Obrázok 8.17 Axiálny turbokompresor 98

100 8.4 ČERPADLÁ Čerpadlá sú hydraulické stroje, ktoré dopravujú, zdvíhajú a vytláčajú tekutinu do určitej výšky. Z energetického hľadiska sú čerpadlá pracovné stroje, ktoré menia mechanickú energiu hnacieho stroja na energiu tekutiny pozostávajúcu z tlakovej a kinetickej energie. Čerpadlá možno rozdeliť podľa viacerých hľadísk. Podľa zamerania, čerpaného média, podľa umiestnenia v priestore, materiálového vyhotovenia a pod. Podľa spôsobu, akým sa vyvoláva čerpací účinok sa rozdeľujú čerpadlá na dve hlavné skupiny: 1. Objemové (hydrostatické) čerpadlá s priamou premenou mechanickej energie na potenciálnu energiu. Pracujú hlavne s energiou potenciálnou (tlakovou): pri menších objemových prietokoch a vyšších tlakoch: a) s rotačným pohybom dopravujú kvapalinu točivým pohybom činnej časti rotora. Patria sem zubové, skrutkové, lamelové a čerpadlá s rotujúcimi piestami, b) s kmitavým pohybom dopravujú kvapalinu kmitavým vratným pohybom činnej časti v telese čerpadla. Patria sem piestové, membránové a plunžerové čerpadlá. 2. Odstredivé (hydrodynamické) čerpadlá s nepriamou premenou mechanickej energie na potenciálnu energiu. Pracujú hlavne s energiou kinetickou (pohybovou): pri väčších objemových prietokoch a nižších tlakoch: a) radiálne kvapalina vstupuje axiálne (rovnobežne s osou) a vystupuje radiálne (kolmo k osi otáčania), b) diagonálne kvapalina vstupuje axiálne a vystupuje diagonálne (šikmo k osi otáčania), c) axiálne kvapalina vstupuje a vystupuje axiálne. V rámci uvedených skupín sa čerpadlá ďalej rozdeľujú podľa charakteristických prúdových a konštrukčných znakov, materiálového vyhotovenia a prevádzkových parametrov. Využitie čerpadiel: - špeciálne pre potravinársky, farmaceutický a kozmetický priemysel, - papierenský priemysel, cukrovarnícky priemysel, - v stavebníctve, 99

101 - v strojárenskom, hutníckom priemysle a zdravotníctve, chemickom priemysle, - v klimatizačných a vzduchotechnických zariadeniach, - dodávka vody v poľnohospodárstve, dodávka pitnej vody, zvyšovanie tlaku, čerpanie, - v zavlažovaní a v domácnosti Piestové čerpadlá Piestové čerpadlá dopravujú kvapalinu tlakom a pohybom piesta vo valci. Mechanická práca dodávaná motorom sa mení priamo na tlakovú energiu kvapaliny. Vo valci piestového čerpadla (obrázok 8.18) sa priamočiaro-vratne pohybuje piest uvádzaný do pohybu kľukovým mechanizmom. Kvapalina vstupuje do valca a vystupuje z neho otvormi, ktoré sa uzatvárajú ventilmi nasávacím a výtlačným. K nasávaciemu ventilu vedie nasávacie potrubie, od výtlačného ventilu vedie výtlačné potrubie k nádrži. Na spodnom konci nasávacieho potrubia je nasávací kôš so sitom, ktoré zabraňuje vnikaniu nečistôt do čerpadla. V nasávacom koši je spätný ventil, ktorý sa po zastavení chodu čerpadla samočinne uzavrie a udržuje vodu v nasávacom potrubí tak, že čerpadlo sa pred každým spúšťaním nemusí znova plniť. Keď je čerpadlo v kľude, oba ventily sú zavreté. Pri pohybe piesta smerom z valca sa zväčšuje vnútorný priestor vo valci. Pretože voda nemôže zväčšiť svoj objem, ihneď poklesne tlak v pracovnom valci čerpadla. Okolitý vzduch pôsobí na spodnú hladinu vody tlakom 10 5 Pa, preto tlačí vodu nasávacím potrubím do čerpadla, nadvihne nasávací ventil a prúdi do valca. Voda priteká do valca tak dlho, kým sa piest pohybuje von z valca, t. j. počas celého nasávacieho zdvihu. Len čo sa piest začne vracať, ihneď sa uzavrie nasávací ventil a rýchlo stúpne tlak vody vo valci. Tlakom vody sa zdvihne výtlačný ventil a piest vytláča vodu potrubím do nádrže. Keď sa piest zastaví v úvrati, výtlačný ventil sa vlastnou hmotnosťou zavrie. Pri ďalšom zdvihu piesta čerpadlo opäť nasáva a celý proces sa opakuje. 100

102 Obrázok 8.18 Schéma piestového čerpadla Hlavné prvky jednotlivých častí piestového čerpadla: a) sacia časť - sací kôš, spätná klapka, sacie potrubie, sací ventil, b) pracovná časť - pracovná komora v tvare valca, príslušný druh piesta, c) výtlačná časť - výtlačný ventil, výtlačné potrubie, vzdušník tlaková nádoba, ktorá vyrovnáva tlakové rázy kvapaliny vychádzajúcej z čerpadla, d) ostatné zariadenia - pohonná jednotka, spojka, prevodovka, kľukový mechanizmus. Výhody piestových čerpadiel: - samonasávacia schopnosť, necitlivosť voči tlakovým zmenám a možnosť použitia na čerpanie kvapalín s väčšou viskozitou. Piestové 101

103 čerpadlá sa používajú prevažne pre menšie objemové prietoky, ale pre vysoké tlaky. Nevýhody piestových čerpadiel: - majú omnoho väčšie rozmery ako rozmery rovnako výkonných odstredivých čerpadiel a taktiež väčšie obstarávacie a udržiavacie náklady. Rozdelenie piestových čerpadiel: 1. Podľa spôsobu práce: a) jednočinné používajú sa pre malý objemový prietok, pracovný priestor so sacím ventilom a výtlačným ventilom je len na jednej strane piesta, b) dvojčinné - majú pracovný priestor po obidvoch stranách piesta. Nasávanie aj výtlak sa uskutočňuje pri obidvoch zdvihoch, a preto pracuje rovnomernejšie ako jednočinné piestové čerpadlo. Piest pracuje medzi oboma svojimi stranami. Sú tu teda dva pracovné priestory, celkom so štyrmi ventilmi. Beh dvojčinného čerpadla je taký istý ako jednočinného, takže nepotrebuje tak veľký zotrvačník, c) diferenciálne nasáva ako jednočinné čerpadlo, avšak vytláčanie sa uskutočňuje pri obidvoch zdvihoch. Má odstupňovaný piest a dva ventily, sací ventil a výtlačný ventil, d) zdvižné používajú sa pri čerpaní vody z hlbokých studní. Vo valci čerpadla sa pohybuje piest, v ktorom je umiestnený výtlačný ventil. Nasatá kvapalina sa pretláča z priestoru pod piestom nad piest. 2. Podľa počtu valcov: a) jednovalcové, b) dvoj a viacvalcové niekedy sa spája i viac valcov v jeden celok. Používajú sa tiež pri čerpaní vody zo studní Zubové čerpadlá Zubové čerpadlá (obrázok 8.19) patria medzi najvyužívanejšie rotačné čerpadlá. Používajú sa predovšetkým ako technologické čerpadlá, najmä pri čerpaní menších množstiev kvapaliny na veľké dopravné výšky a pre viskózne kvapaliny. Skladajú sa zo statora, v ktorého komorách sa pohybujú dve, resp. tri ozubené kolesá. Zubové kolesá oddeľujú nasávací priestor od výtlačného priestoru. Pri otáčaní vynášajú kvapalinu v medzizubových priestoroch po obvode do výtlačného priestoru. Dopravné množstvo zubových čerpadiel mierne pulzuje a je určené rozmermi medzizubových priestorov a otáčkami. Pri zmene viskozity čerpanej 102

104 kvapaliny sa menia pracovné parametre zubového čerpadla. Tieto čerpadlá sú vhodné len na dopravu veľmi čistých kvapalín. Základné typy zubových čerpadiel - ich konštrukcia sa líši podľa toho, k čomu je čerpadlo využívané: - klasické zubové čerpadlo pozostáva z dvoch totožných ozubených kôl s vonkajším ozubením a používa sa predovšetkým pre čerpanie kvapaliny (oleje) v hydraulických systémoch (napr. stavebné stroje ako bagre, rýpadlá...), - excentrické zubové čerpadlo pozostáva z jedného ozubeného kolesa s vonkajším a z jedného ozubeného kolesa s vnútorným ozubením, pre olejové pumpy v automobiloch a excentrické čerpadlo určené pre čerpanie kvapalín vysokej viskozity. Obrázok 8.19 Schéma zubového čerpadla Lamelové čerpadlá Lamelové čerpadlá sú vhodné na čerpanie olejov a viskóznych kvapalín, ktoré sú dokonale čisté a bez mechanických prímesí. V skrini A na obrázku 8.20 je výstredne uložený rotor R, v ktorom sa v radiálnych výrezoch pohybujú lamely. Keď lamela prejde miestom, kde je rotor najbližšie ku skrini, vytvára so susednou lamelou priestor, ktorý sa pri ďalšom pohybe stále zväčšuje. 103

105 Obrázok 8.20 Schéma lamelového čerpadla Tento priestor sa vypĺňa kvapalinou, t. j. čerpadlo nasáva. Keď kvapalina uzatvorená v tomto priestore minie miesto maximálnej vzdialenosti rotora od skrine, priestory sa rovnomerne zmenšujú a kvapalina sa vytláča. Tlak kvapaliny sa prenáša krídlami, a preto vzniká ich veľké namáhanie v ohybe. Dopravované množstvo kvapaliny sa určuje z obvodovej rýchlosti a veľkosti medzery medzi rotorom a skriňou. Zmenou excentricity e sa mení dopravovaný objem kvapaliny. Lamelové čerpadlá majú pri vyšších tlakoch veľkú účinnosť. Objemová účinnosť predstavuje vyše 90 % a celková účinnosť vyše 60 %. Výhodou týchto čerpadiel je, že pri malom priestore, ktorý zaberajú, sú schopné dopravovať pomerne veľké množstvo tekutiny Skrutkové čerpadlá (obrázok 8.21) Používajú sa v regulačných, ovládacích, alebo v mastiacich sústavách strojov a zariadení, kde dodávajú tlakový olej a na dávkovanie a dopravu veľmi viskóznych kvapalín. Môžu sa používať aj na dopravu heterogénnych zmesí (vlákien a kalov). Pracovný priestor skrutkových čerpadiel je vymedzený skrutkovými plochami, ktoré sa s malou vôľou otáčajú v uzavretom valcovom telese. V tomto pracovnom priestore sa kvapalina posúva v osi skrutkovice (závitovky) do výtlačného potrubia. Rotor čerpadla má tvar jednoduchej skrutky, ktorá sa otáča v telese statora. Rotor i stator sú vyhotovené z materiálov odolných proti agresivite dopravovanej kvapaliny. Pri presnom vyhotovení majú tieto čerpadlá veľkú nasávaciu schopnosť. Podľa počtu skrutiek sú jednoskrutkové, alebo viacskrutkové. Dopravované množstvo kvapaliny je ustálené a mení sa len nepatrne v závislosti od tlaku. Ich princíp práce sa využíva predovšetkým v tekutinových mechanizmoch ako zdroj tlakovej energie.

106 Obrázok 8.21 Skrutkové čerpadlo Membránové čerpadlá (obrázok 8.22) Tieto čerpadlá majú veľmi široké využitie. Používajú sa pre čerpanie agresívnych kvapalín, kvapalín s vysokou viskozitou, ďalej s obsahom veľkých pevných častíc, jedovatých a inak nebezpečných kvapalín. Membrána, ktorá je hlavným pracovným prvkom týchto čerpadiel vytvára tlakovú energiu núteným pohybom a oddeľuje priestor s čerpanou kvapalinou od ostatných prvkov čerpadla. Priehyb membrány môže byť tvorený hydraulicky alebo pneumaticky. Princíp čerpadla spočíva vo vytváraní podtlaku a pretlaku pomocou piesta, v okamihu vzniku podtlaku sa membrána prehne smerom do valca a následne nasaje kvapalinu do pracovného priestoru. Pri pohybe piesta do hornej úvrati sa membrána deformuje v protismere, a tým vzniká tlaková energia a vytlačenie kvapaliny. Hlavným parametrom pre veľkosť prietoku čerpadla za jeden cyklus je priehyb membrány. Materiál membrány sa vyberá vzhľadom na teplotu, tlak a agresivitu pracovnej kvapaliny. Pre vysoké tlaky alebo teploty sa využíva materiál z chromniklových ocelí. Membrány s nižšími nárokmi na pevnosť sa vyrábajú z teflónov, plastov alebo z gumy. Plastické materiály dovoľujú väčšie priehyby a tým aj väčší objem prietoku. 105

107 Obrázok 8.22 Hlavné funkčné časti membránového čerpadla Odstredivé (lopatkové) čerpadlá Priame pôsobenie tlaku piesta na dopravovanú kvapalinu sa v odstredivom čerpadle nahrádza odstredivou silou v lopatkovom kolese čerpadla, ktorá kvapaline udeľuje veľkú rýchlosť. Premenou pohybovej energie na tlakovú energiu difúzorovým pôsobením prevodného kolesa nadobúda kvapalina výtlačný tlak. Premena energie súvisí so zvýšenými stratami a preto celková účinnosť týchto čerpadiel je o trochu menšia ako účinnosť piestových čerpadiel. Odstredivé čerpadlo je zložené z týchto častí (obrázok 8.23): a) hydraulická časť čerpadla: - obežné koleso čerpadla O, - rozvádzacie koleso P, - špirálová skriňa čerpadla T. b) mechanická časť čerpadla: - základová platňa, - ostatné zabezpečovacie časti. 106

108 Obrázok 8.23 Schéma odstredivého čerpadla Radiálne čerpadlá Tieto druhy čerpadiel patria medzi najvyužívanejšie (obrázok 8.24). Používajú sa na veľký rozsah dopravných množstiev a výšok, pri čerpaní kvapalín s rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami. Vyznačujú sa týmito vlastnosťami: a) pracujú s veľkou frekvenciou otáčok, čo umožňuje priamo ich spájať s elektromotormi, b) dopravné množstvo, dopravná výška, účinnosť a príkon daného čerpadla závisia od fyzikálnych vlastností kvapaliny a pracovných otáčok čerpadla, c) prúd vody vychádzajúci z čerpadla je ustálený, d) odstredivé čerpadlá majú malý počet súčiastok, e) hmotnosť je v porovnaní s inými druhmi pre tie isté parametre menšia, f) vyžadujú len jednoduchú obsluhu a montáž. 107

109 Obrázok 8.24 Radiálne čerpadlo Diagonálne čerpadlá V diagonálnych čerpadlách (obrázok 8.25) je vtok kvapaliny do obežného kolesa v axiálnom smere a voda z neho vyteká v smere šikmom k hriadeľu. Používajú sa tam, kde treba dopraviť väčšie množstvo kvapaliny do menšej pracovnej výšky. Tieto čerpadlá nemajú osobitné rozvádzacie koleso a premena kinetickej energie kvapaliny na tlakovú za obežným kolesom prebieha v priestore C. Hriadeľ je uložený v dvoch radiálnych ložiskách. Prechádza dvoma tesniacimi upchávkami tvaru U. Čerpadlá tohto druhu majú väčšie merné otáčky ns = 200 až 500 s -1. Pracovná výška čerpadla je zvyčajne 20 až 30 m. Obrázok 8.25 Schéma diagonálneho čerpadla 108

110 Axiálne (vrtuľové) čerpadlá Pre veľké dopravované množstvá a malé dopravné výšky sa používajú axiálne vrtuľové čerpadlá (obrázok 8.26), ktoré majú veľké merné otáčky ns = 500 až 1200 s -1 a malý počet obežných lopatiek. Konštrukcia vrtuľových čerpadiel sa postupne zdokonaľovala, takže ich účinnosť sa vyrovná účinnosti odstredivých čerpadiel. Určené sú pre pracovné výšky maximálne do 30 m. Lopatky čerpadla pri mnohých typoch možno natáčať. Preto čerpadlo môže pracovať bez zmenšenia účinnosti s rôznym množstvom dopravovaného objemu kvapaliny pri nezmenenej frekvencii otáčok. Obrázok 8.26 Axiálne čerpadlo (1 obežné koleso, 2 prevádzač) 109

111 9 STROJE A ZARIADENIA NA OBRÁBANIE KOVOV Obrábanie časť výrobného procesu, pri ktorom prostredníctvom stroja, nástroja a prípravku vyrobíme súčiastku požadovaného tvaru a kvality na základe odobratia prebytočného materiálu vo forme triesky. Obrábacie stroje sú stroje, ktoré oddeľujú materiál v tvare triesok. Podľa toho, akým nástrojom obrábací stroj pracuje, môžeme ich rozdeliť na: - stroje s určitou geometriou ostria nástroja, kde zaraďujeme obrábacie stroje s hlavným rezným pohybom rotačným (sústruhy, frézovačky, vŕtačky) a obrábacie stroje s hlavným rezným pohybom priamočiarym (obrážačky a hobľovačky, preťahovacie a pretlačovacie stroje), - stroje s neurčitou geometriou ostria nástroja, kde zaraďujeme predovšetkým obrábacie stroje na dokončovacie operácie (brúsky, honovačky, lapovačky), - stroje s nekonvenčným spôsobom obrábania, kde zaraďujeme napríklad superfinišovacie (prehladzovacie) stroje, elektroiskrové stroje, elektrochemické stroje, odleptávacie stroje, omielacie stroje a stroje pracujúce s elektrónovým lúčom, laserom, vodným lúčom a pod. Výrobný stroj v strojárskej výrobe spracováva materiál, resp. polovýrobok (polotovar) do žiadaného tvaru, rozmerov a akosti povrchu rôznymi fyzikálnymi, chemickými, tepelnými a inými pochodmi. Na výrobnom stroji je spravidla nahradená ľudská energia pre vyvodenie pohybov pohonmi. Charakteristickým znakom výrobného stroja je vedenie nástroja mechanizmom. Polotovarom môže byť odliatok, výkovok, výlisok, zvarenec a pod. Spracovanie materiálu alebo polotovarov na súčiastku či výrobok sa týka väčšinou kovových súčiastok a výrobkov a prebieha buď bez oddeľovania častí materiálu, alebo oddeľovaním častí materiálu, príp. i s pridávaním ďalšieho materiálu, polotovarov alebo súčastí. 9.1 SÚSTRUHY Sústruženie je spôsob mechanického obrábania, pri ktorom prídavok z obrobku odrežeme sústružníckym nožom tak, že otáčavý (rotačný) hlavný pohyb vykonáva obrobok a priamočiary plynulý pohyb posuv vykonáva nôž. Sústružením vyrábame rotačné plochy vonkajšie alebo vnútorné, ako aj čelné, na súčiastkach tvaru hriadeľa alebo kotúča. Obrábanie sústružením sa 110

112 robí na sústruhoch rozličných typov. Rastúce nároky na produktivitu práce a efektívnosť obrábania rotačných súčiastok viedli k rôznym konštrukčným riešeniam sústruhov v rôznych veľkostiach s rozdielnym stupňom automatizácie. Sústruhy sa rozdeľujú na: - hrotové, - čelné, - revolverové, - zvislé, - poloautomatické, - automatické, - číslicovo riadené. Základným typom stroja na sústruženie je hrotový sústruh (obrázok 9.1). Tieto stroje sú prednostne určené na obrábanie dlhých valcových obrobkov upnutých medzi hrotmi. Dajú sa na nich tiež obrábať obrobky u ktorých prevláda priemer nad dĺžkou. Hodí sa predovšetkým na obrábanie hriadeľových i kotúčových súčiastok. Umožňuje obrábať plášť a čelné plochy vnútorných i vonkajších rotačných plôch a otvory ležiace v osi otáčania vretena. Základné časti sústruhu sú: a) lôžko, b) vreteník, c) posuvová skriňa, d) suport, e) koník. Obrázok 9.1 Hrotový sústruh klasickej konštrukcie 111

113 Čelné sústruhy sa používajú v kusovej výrobe na sústruženie rozmernejších prírubových súčiastok. Konštrukcia čelných sústruhov je jednoduchá. Obrobok sa upína na lícnu platňu, lôžko so suportom tvoria samostatnú jednotku. Nevýhodou čelných sústruhov je namáhavé upínanie a vyrovnávanie súčiastok. Výhodou je malá hmotnosť a menšia pôdorysná plocha stroja. Revolverové sústruhy sa uplatňujú v sériovej výrobe, najmä pri obrábaní rotačných súčiastok. Na jedno upnutie sa vykonáva viac úkonov, napr.: sústruženie, vŕtanie, vyvrtávanie, rezanie závitov. Charakteristickou časťou revolverového sústruhu je revolverová hlava, do ktorej sa upínajú potrebné nástroje. Veľkosť revolverových sústruhov sa určuje podľa priemeru tyčového materiálu, ktorý prejde otvorom vretena. Poloautomatické sústruhy sú zdokonalené hrotové, čelné, zvislé a revolverové sústruhy. Ich pracovný cyklus je automatizovaný, obsluha len vymieňa sústružené obrobky v upínači a spúšťa stroj aj automatický pracovný cyklus. Automatické sústruhy sa uplatňujú vo veľkosériovej a hromadnej výrobe. Východiskovým materiálom sú tyče, ktorých obrábanie vrátane podávania a upínania prebieha automaticky. Číslicovo riadené sústruhy sa uplatňujú predovšetkým v kusovej, sériovej až stredne sériovej výrobe. Pracujú v automatickom pracovnom cykle a umožňujú rýchly prechod na výrobu iného výrobku (výmenou programu a zaradením iných nástrojov). Číslicovo riadené automaty sa vyrábajú v rôznych vyhotoveniach: hrotové číslicovo riadené sústruhy, revolverové číslicovo riadené sústruhy a zvislé číslicovo riadené sústruhy. Tieto sústruhy sa bežne označujú skratkou NC (z anglického Numerical Control). 9.2 FRÉZOVACIE STROJE - FRÉZKY Frézovanie je spôsob obrábania, pri ktorom materiál odrezávame z obrobku otáčajúcim sa viacklinovým nástrojom frézkou, pričom plynulý priamočiary posuv vykonáva obrobok. Hlavný pohyb je rotačný pohyb nástroja. Stroje na frézovanie sú frézovacie stroje. Pracovné nástroje nazývame frézky a frézovacie hlavy. Frézovacie stroje frézky patria k najuniverzálnejším obrábacím strojom, pretože sa na nich môžu obrábať nielen rovinné plochy, ale aj tvarové a nepravidelné plochy, závitové drážky, ozubenie a rotačné plochy. Preto v súčasnosti majú dôležité miesto vo všetkých strojárskych podnikoch a závodoch. 112

114 Podľa konštrukcie a podľa druhu prác, pre ktoré sú určené sa rozdeľujú frézovacie stroje do troch skupín: - konzolové, - rovinné, - špeciálne. Konzolové frézovacie stroje sú základným a najrozšírenejším druhom frézovacích strojov. Sú určené na bežné frézovacie operácie, na obrábanie rovinných plôch, tvarových plôch malých a stredne veľkých súčiastok v kusovej a malosériovej výrobe. Ich charakteristickým znakom je zvisle prestaviteľná konzola, na ktorej sú priečne sane s pracovným stolom a stojan, v ktorom je uložené vreteno a pohon. Na konzolových frézovacích strojoch poloha vretena nie je prestaviteľná. Vyrábajú sa v troch základných vyhotoveniach: 1. Zvislé (vertikálne) frézky majú vreteno vo zvislej polohe. Vreteno sa otáča okolo zvislej osi a spravidla je zvislo prestaviteľné. 2. Vodorovné (horizontálne) frézky (obrázok 9.2) majú vreteno vo vodorovnej polohe, ktoré je otočné okolo vodorovnej osi. 3. Univerzálne frézky majú rovnakú konštrukciu ako vodorovné frézky, ale pozdĺžny pracovný stôl možno natočiť okolo zvislej osi o 45 stupňov na obidve strany. Obrázok 9.2 Vodorovná konzolová frézka (1 krížový stôl, 2 konzola, 3 stojan, 4 výsuvné rameno s vretenom) Univerzálnosť použitia frézok zvyšuje špeciálne príslušenstvo, ktoré patrí do vystrojenia frézovacích, najmä univerzálnych frézok (univerzálny frézovací prístroj, vertikálny frézovací prístroj, otočný stôl, univerzálny deliaci prístroj a pod.). 113

115 Rovinné frézovacie stroje sú najvýkonnejšími frézovacími strojmi. Ich charakteristickým znakom je stála poloha stola. Stôl s upnutým obrobkom sa môže pohybovať iba v jednej (vodorovnej) rovine. Približovanie nástroja k obrobku sa vykonáva zvislým prisunutím vretenníka. Obrábajú rovinné plochy stredne veľkých a veľkých obrobkov v kusovej i sériovej výrobe. 9.3 VŔTAČKY Vŕtanie je spôsob obrábania, kde rotačný hlavný i priamočiary posuvný pohyb v osi otáčania vykonáva nástroj vrták. Na vŕtačkách vyrábame rotačné plochy vnútorné, najčastejšie valcové v súčiastkach tvaru hranola (skrine). Vnútorné valcové plochy do súčiastok tvaru hriadeľa alebo kotúča vŕtame na sústruhoch, kde rotačný hlavný pohyb vykonáva obrobok, priamočiary posuv nástroj. Ďalšie stroje, na ktorých môžeme vŕtať, sú vyvrtávačky a frézovačky. Podľa druhu rozdeľujeme vŕtačky na: - jednovretenové - stolové, stĺpové (obrázok 9.3), stojanové a otočné, - radové a viacvretenové, - špeciálne. Pre jednovretenové vŕtačky je charakteristické, že zvisle uložené vreteno vykonáva rotačný pohyb a zároveň priamočiary posuv v smere osi. Skladaním hlavného rotačného pohybu a posuvu vretena opisuje každý rezný klin vrtáka skrutkovitú dráhu, tak vznikajú súvislé triesky. Obrázok 9.3 Schéma stĺpovej vŕtačky 114

116 Radová vŕtačka je vlastne niekoľko samostatných stolových vŕtačiek, umiestnených vedľa seba a upevnených na stole. Jednotlivé vretená pracujú nezávisle od seba. Stroj môže pracovať ako viac samostatných stolových vŕtačiek s nezávislým pracovným programom alebo vykonávať postupné vŕtačské operácie rôznymi nástrojmi, z ktorých každý je upnutý v jednom vretene. Používajú sa v sériovej a hromadnej výrobe na obrábanie súčiastok, na ktorých sa majú urobiť rozličné vŕtačské práce. Viacvretenové vŕtačky používame na vŕtanie, vyhrubovanie, zahĺbovanie a rezanie závitov, pri obrábaní viacerých dier naraz v sériovej a hromadnej výrobe. Majú vretená pevné alebo prestaviteľné. 9.4 HOBĽOVAČKY, OBRÁŽAČKY A PREŤAHOVAČKY Hobľovačky pracujú s jednoduchým nástrojom podobným sústružníckemu nožu, pričom hlavný rezný pohyb vykonáva spravidla obrobok. Posuv je prerušovaný, vždy pred začiatkom nového pracovného zdvihu. Hobľovačky sú prednostne určené na obrábanie rovinných plôch, najčastejšie rovnobežných s upínacou plochou. Môžu sa na nich však obrábať i rovinné plochy kolmé a sklonené k upínacej ploche a plochy v priečnom reze zakrivené. Nevýhodou hobľovačiek voči rovinným frézovačkám je menší výkon a horšia pracovná účinnosť spôsobená spätným pohybom stola naprázdno, zrýchľovaním značných hmôt stola s obrobkom pri zmene zmyslu pohybu a značnými stratami trením medzi stolom a lôžkom. Aj napriek týmto nevýhodám majú však hobľovačky svoje uplatnenie a sú obľúbené najmä v kusovej výrobe a vo výrobe v malých sériách, pretože materiál sa odoberá jednoduchým a relatívne lacným nástrojom, ktorý sa dá jednoducho naostriť. Výhodná je i možnosť hobľovania plôch pomerne zložitých tvarov jednoduchým nástrojom, k čomu pri frézovaní potrebujeme špeciálne a drahé nástroje. Hobľovačky sú vhodné na obrábanie dlhých a úzkych plôch, kedy môžu mať aj väčší výkon než frézovačky. Princíp práce obrážačiek je prakticky totožný s hobľovačkami. Aj tieto stroje pracujú s jednoduchým nástrojom podobným sústružníckemu nožu, ale hlavný rezný pohyb vykonáva nástroj a na podstatne kratšej dráhe ako u hobľovačiek. Podľa polohy roviny, v ktorej nástroj koná hlavný rezný pohyb, rozdeľujeme obrážačky na vodorovné a zvislé. Na vodorovných obrážačkách sa obrábajú vodorovné plochy rovnobežné s upínacou plochou stola, zvislé, šikmé i tvarové plochy, drážky v dierach a priebežné drážky pre perá a kliny v hriadeľoch. Pri použití špeciálneho zariadenia sa dajú obrážať napríklad aj plochy rotačné. 115

117 Vodorovné obrážačky sú určené na obrábanie obrobkov malých rozmerov, predovšetkým v nástrojárňach a v kusovej výrobe. Zvislé obrážačky sú vhodné na obrábanie rovinných a rotačných plôch kolmých na upínaciu plochu stola na obrobkoch, u ktorých prevláda dĺžka a šírka nad výškou. Dajú sa na nich pomerne ľahko obrábať obecné valcové plochy rôznych tvarov. Uplatňujú sa v kusovej výrobe, v nástrojárňach a opravovniach. Ich výhodou je veľká univerzálnosť a jednoduchý tvar nástroja. Preťahovanie sa pôvodne používalo na presné obrábanie dier iných obrysov než kruhových, napríklad drážok pre perá v nábojoch, štvorhranných dier, drážkovaných nábojov a podobných tvarov. Dnes vieme preťahovaním bežne obrábať aj vonkajšie plochy tvarové i rovinné. Preťahovacie a pretláčacie výrobné stroje sú relatívne jednoduchej konštrukcie a pracujú s priamočiarym hlavným pohybom bez vedľajších pohybov. Preťahovacie a pretláčacie stroje pracujú s veľkou ťažnou silou. Majú výlučne hydraulické pohony. Pre tieto výhody preťahovanie nahradzuje frézovanie a niekedy aj jemné vyvŕtavanie. Je to jediný výkonný spôsob zhotovovania tvarových otvorov (obrázok 9.4). Používa sa pre priemery dier v rozsahu od 3 do 300 mm. Pre vysokú cenu nástrojov je tento spôsob obrábania hospodárny len pri veľkosériovej a hromadnej výrobe. Preťahovačky sa rozdeľujú podľa smeru rezného pohybu na vodorovné a zvislé, podľa druhu práce na vonkajšie a vnútorné na preťahovanie vonkajších a vnútorných plôch. Hlavné časti preťahovačky sú: mechanizmus rezného pohybu, nástrojové sane, zariadenie na upínanie obrobku, riadiace ústrojenstvo, stojan a chladiace zariadenie. Veľkosť preťahovačiek sa určuje najväčšou prieťažnou silou, t. j. silou, ktorá pôsobí na preťahovací nástroj. Obrázok 9.4 Typické tvary otvorov na preťahovanie 116

118 9.5 BRÚSKY Brúsenie je spôsob obrábania, pri ktorom materiál odrezávame otáčajúcim sa mnohoklinovým nástrojom. Stroje na brúsenie sa nazývajú brúsky (brúsiace stroje). Brúsky sú výrobné stroje pracujúce s nástrojom, ktorý nemá definovanú geometriu rezných klinov. Nástrojom je brúsny kotúč, ktorý má na svojom obvode mnoho nepravidelne rozložených brúsnych zŕn. Zrná sú rozličného tvaru a majú rozličné rezné uhly. Používame ich vtedy, keď požadujeme presný tvar a rozmer obrobku ako aj vysokú kvalitu obrobenej plochy. Ďalšou výhodou je, že môžeme obrábať aj kalené povrchy. Hlavný pohyb pri brúsení je rotačný a vykonáva ho brúsny kotúč. Podľa druhu vykonávaných operácií daných tvarom brúsneho kotúča a konštrukcie stroja ich rozdeľujeme na brúsky: - hrotové, - bezhrotové, - rovinné, - na diery, - nástrojárske, - špeciálne (na ozubenie, na závity, na kľukové hriadele, atď.). Na hrotových brúskach sa obrábajú vonkajšie valcové a kužeľové plochy na súčiastkach upnutých medzi hroty alebo v skľučovadle. Pritom sa môže brúsiť obvodom brúsneho kotúča, možno tiež brúsiť čelné plochy čelom brúsneho kotúča a pomocou prídavných zariadení aj vnútorné valcové a kužeľové plochy. Bezhrotové brúsky sú určené na brúsenie vonkajších i vnútorných valcových, kužeľových i tvarových plôch. Používajú sa najmä v sériovej a hromadnej výrobe. Rovinné brúsky sú určené na brúsenie rovinných plôch. Rozdeľujeme ich na stroje pracujúce obvodom alebo čelom brúsneho kotúča. Oba základné varianty môžu byť vodorovné alebo zvislé, jednostojanové alebo dvojstojanové. Malé ploché súčiastky sa na týchto strojoch s výhodou upínajú na elektromagnetické upínacie dosky, veľké obrobky sa upínajú na stôl brúsky pomocou rôznych upíniek. Brúsky na diery sú určené na brúsenie valcových, kužeľových i tvarových vnútorných rotačných plôch. Vyrábajú sa najčastejšie vo vodorovnom prevedení. Nástrojárske brúsky (obrázok 9.5) sa stavajú ako tzv. univerzálne (určené na ostrenie rôznych druhov nástrojov) a špeciálne (na brúsenie iba jedného druhu nástrojov, napr. sústružníckych nožov, vrtákov, frézovacích hláv, preťahovacích nástrojov, závitníkov a pod.). 117

119 Obrázok 9.5 Univerzálna nástrojárska brúska 9.6 HONOVAČKY Honovanie je v podstate brúsenie malou rýchlosťou. Uplatňuje sa v prevažnej miere ako dokončovacia operácia pri obrábaní dier (vnútorné honovanie), dajú sa však honovať aj vonkajšie valcové plochy (vonkajšie honovanie). Honovanie je buď jednostupňové, pri ktorom jeden nástroj je súčasne hrubovací aj dokončovací, alebo dvojstupňové, kde hrubovací kameň je určený na rýchle odstránenie prídavku na opracovanie a jemný kameň je určený na zlepšenie geometrického tvaru a kvality povrchu. Honovačky sa vyrábajú v dvoch základných variantoch, a to ako zvislé - určené na honovanie krátkych dier, alebo vodorovné určené na obrábanie dlhších dier. Zvislé honovačky (obrázok 9.6) sa vyrábajú ako jednovretenové alebo viacvretenové. Pohon vretena je od elektromotora cez stupňovitú prevodovku. Priamočiary vratný posuv je hydraulický. Pracovný cyklus je riadený buď ručne, alebo automaticky. Automatické stroje sú vybavené aktívnou kontrolou, ktorá zamedzuje prekročenie požadovaného rozmeru diery. Vodorovné honovačky sú určené na dokončovanie dier v dlhších súčiastkach. 118

120 Obrázok 9.6 Zvislá honovačka 9.7 LAPOVAČKY Lapovanie je zvláštny druh brúsenia, pri ktorom sa materiál z obrobku uberá voľným brusivom. Zmenšovanie drsnosti plochy a do určitej miery aj zväčšovanie presnosti geometrického tvaru sa dosahuje jednak odrezávaním vrcholkov nerovností brúsiacimi zrnami voľne rozptýlenými v kvapaline alebo paste, jednak tiež plastickou deformáciou malých nerovností, a to tlakom pohybujúcich sa brúsiacich zŕn. Rezný pohyb brúsiacich zŕn spôsobuje lapujúci nástroj, ktorý sa relatívne pohybuje proti lapovanej ploche v neustále sa meniacich dráhach a je na ňu pritláčaný určitým tlakom. Súčiastky určené na lapovanie sa nesmú vzájomne líšiť v tolerancii o viac než 5 μm, preto sa musia pred lapovaním roztriediť na skupiny v tejto tolerancii. Lapovacie stroje (obrázok 9.7) sú buď univerzálne - pre lapovanie rovinných i valcových plôch súčiastok (doštičiek, piestnych čapov, valčekov, čiel krúžkov a pod.), alebo špeciálne, pre lapovanie určitého druhu súčiastok (bokov zubov ozubených kolies, čapov kľukových hriadeľov, guliek a pod.). Obrázok 9.7 Univerzálna dvojkotúčová zvislá lapovačka s jedným hnaným lapovacím kotúčom 119

121 9.8 SUPERFINIŠOVACIE STROJE Superfinišovanie - prehladenie (obrázok 9.8) je v podstate tiež brúsenie, pri ktorom sa odrezávajú mikroskopické vrcholky nerovností obrábaného povrchu veľmi jemnými zrnami brúsneho nástroja. Makroskopické nerovnosti vzniknuté pri predchádzajúcom obrábaní sa však superfinišovaním odstraňujú veľmi ťažko. Preto je žiadúce, aby už predchádzajúce operácie zaistili správny geometrický tvar, bez kužeľovitosti, nekruhovitosti a pod. Superfinišujú sa predovšetkým valcové plochy vonkajšie a vnútorné a plochy rovinné na súčiastkach z kalenej i mäkkej ocele, liatiny, neželezných kovov, ale tiež aj z plastov. Podľa druhu nástroja rozlišujeme superfinišovacie stroje na stroje pracujúce s plochými brúsnymi kameňmi, čelom kotúča, alebo obvodom kotúča. V kusovej a malosériovej výrobe sa používajú prídavné superfinišovacie zariadenia, ktoré sa upínajú na sústruhy alebo brúsky. V hromadnej a veľkosériovej výrobe sa väčšinou používajú špeciálne superfinišovacie stroje, napríklad na piesty, kľukové hriadele, vačky, na krúžky valivých ložísk a pod. a) b) Obrázok 9.8 Superfinišovacie stroje: a) stroj pracujúci s plochými brúsnymi kameňmi, b) stroj pracujúci čelom kotúča 120

122 10 STROJE A ZARIADENIA NA OBRÁBANIE DREVA Drevárske stroje zaraďujeme medzi výrobné. Sú to všetky stroje a zariadenia a ich nástroje, náradie a prípravky, určené k priamemu spracovaniu dreva a drevných materiálov mechanickým, chemickým a tepelným spôsobom. Sú to také stroje, ktoré zabezpečujú určitú technologickú operáciu, alebo viac operácií súčasne. Technologické operácie sú zabezpečované: a) mechanicky pôsobením na obrobok mechanickým nástrojom, za účelom zmeny jeho tvaru, rozmeru a akosti opracovaného povrchu (pílenie píly, frézovanie frézky, krájanie krájačky, lúpanie lúpacie stroje, ohýbanie ohýbacie stroje atď.), b) fyzikálne na obrobok sa pôsobí fyzikálne napr. teplom a vlhkosťou (sušenie sušiarne, parenie pariace zariadenia atď.), c) kombinovane za súčasného mechanického, fyzikálneho a chemického pôsobenia (lisovanie lisy, rozvlákňovanie rozvlákňovače atď.). Pre triedenie drevárskych strojov môžeme použiť viacero hľadísk. Môžeme ich triediť podľa spôsobu práce (technologické hľadisko), podľa konštrukcie (podľa pohybu nástroja, postavenia stroja, polohy hnacieho hriadeľa a iné), podľa vykonávaných operácií a z prevádzkového hľadiska. Jednou zo základných tried podľa ktorej môžeme členiť drevárske stroje je trieda drevoobrábacie stroje. Drevoobrábacie stroje obrábajú drevo na žiadaný tvar, rozmery a akosť reznej plochy odoberaním triesky. Hlavným pracovným článkom je rezný nástroj. Odoberaná trieska môže mať rôzny tvar podľa použitého druhu nástroja spôsobu obrábania, a tvorí pri obrábaní odpad. Výsledkom obrábania je polotovar (rezivo, prírezy), alebo opracovaný dielec. Do tejto triedy zaraďujeme nasledovné stroje: - píly, - frézovacie stroje, - vŕtacie stroje, - dlabacie stroje, - sústruhy, - brúsiace a leštiace stroje, - kombinované stroje, - iné obrábacie stroje na drevo. 121

123 10.1 PÍLY Stolárske pásové píly Stolárske pásové píly (obrázok 10.1) sú drevoobrábacie stroje na drevo, patria k pílam s obiehavým pohybom nástroja, spojený pílový pás, ktorý delí drevo a drevné materiály jedným smerom v pracovnej vetve, konštantnou reznou rýchlosťou pri súčasnom konštantnom posuve do rezu (ručne alebo mechanizovane). Stolárske pásové píly možno použiť na pozdĺžne, priečne a krivočiare rezanie pri výrobe nábytkových dielcov a v stavebno-stolárskej výrobe. Nahrádzajú kotúčové píly tam, kde sa má dosiahnuť hladšieho rezu. Hlavný (rezný) pracovný mechanizmus stolárskej pásovej píly sa skladá z hnacieho a napínaco-nakláňacieho kotúča rovnakých priemerov. Hnací kotúč je uložený v pevnom ložisku v stojane stroja. Hnaný napínaco-nakláňací mechanizmus je letmo uložený v suporte s možnosťou napínania a nakláňania. Nástrojom stolárskych pásových píl sú pílové pásy spájané (zvarované) do nekonečného pásu. Sú vyrábané z nástrojovej legovanej ocele. Obrázok 10.1 Univerzálna stolárska pásová píla 122

124 Kotúčové píly Kotúčové píly (obrázok 10.2) sú drevoobrábacie stroje, ktoré slúžia na delenie dreva a drevných materiálov rozličného tvaru na menšie časti alebo na ich úpravu tvaru. Sú najrozšírenejším strojom v drevárskom priemysle, možno ich použiť pri spracovaní výrezov, reziva, prírezov, pri úprave aglomerovaných materiálov, v nábytkárskom a stavebno-stolárskom odvetví, ďalej pri výrobe paliet, obalov atď. Ich rôzne konštrukcie umožňujú pílenie vo všetkých smeroch. Nástrojom kotúčových píl sú pílové kotúče. Hlavný rezný pracovný mechanizmus kotúčových píl je obyčajne hriadeľ, na ktorom je upnutý jeden alebo viac pílových kotúčov. Hriadeľ je uložený v ložiskách a jeho pohon je prevažne zabezpečený elektromotorom, prostredníctvom remeňového prevodu. V niektorých prípadoch má elektromotor predĺžený hriadeľ s priamym upnutím pílového kotúča. Obrázok 10.2 Univerzálna kotúčová píla formátovacia (1 pílový kotúč, 2 kryt pílového kotúča, 3 vodiace pravítko, 4 stojan, 5 ovládací panel, 6 formátovací vozík, 7 prídavné uhlové pravítko vozíka, 8 stôl) 10.2 FRÉZOVACIE STROJE Frézovacie stroje obrábajú drevo a drevné materiály otáčavým pohybom nástroja, ktorý je upnutý v mechanizme hlavného pracovného pohybu (hriadeľ, hlava, vreteno, atď.), tromi základnými technologickými spôsobmi, zabezpečujúcimi materiálu hladký povrch, požadovaný tvar a rozmer. Táto ich univerzálnosť im dáva široké uplatnenie v drevospracujúcom priemysle (hlavne v nábytkárskom a stavebno-stolárskom odvetví). 123

125 Rovinné frézovacie stroje Rovinné frézovacie stroje pracujú z pohľadu mechanizmu hlavného pracovného pohybu na dvoch princípoch a to s valcovou nožovou hlavou (hriadeľom) a čelnou kotúčovou hlavou. Patria sem zrovnávacie frézovacie stroje zrovnávačky (obrázok 10.3), ktoré sú určené k zabezpečeniu rovinnosti a hladkosti plochy obrábaného materiálu. Používajú sa na zrovnávanie základnej plochy, alebo bokov reziva všetkých druhov, škároviek, atď. Zrovnáva sa najskôr plocha a potom bok, prípadne súčasne. Z hľadiska konštrukcie a prestavovania stolov ich delíme na malé, stredné a veľké, a s jedným alebo dvoma prestaviteľnými stolmi. Podávanie sa uskutočňuje ručne a mechanizovane stálymi, alebo prídavnými podávačmi. Obrázok 10.3 Kinematická schéma zrovnávacieho stroja s ručným podávaním (1 zadný stôl, 2 mechanizmus výškového prestavovania zadného stola, 3 vodiace pravítko, 4 nôž, 5 nožový hriadeľ, 6 materiál, 7 predný stôl, 8 mechanizmus výškového prestavovania predného stola, 9, 10 remeňový prevod, 11 - elektromotor Druhým typom rovinných frézovacích strojov sú hrúbkovacie frézovacie stroje - hrúbkovačky (obrázok 10.4), ktoré sú určené k frézovaniu rovinných (plošných) dielcov na menovitú (presnú) hrúbku prípadne šírku odpovedajúcej kvality povrchu. Hrúbka je určená vzdialenosťou medzi nožovým hriadeľom a prestaviteľným stolom. Z hľadiska konštrukcie ich delíme na jednostranné a dvojstranné. Podľa šírky stola na malé (do 300 mm), stredné (do 600 mm) a veľké (do 1200 mm). 124

126 Obrázok 10.4 Principiálna schéma jednostrannej hrúbkovačky Profilovacie frézovacie stroje Profilovacie frézovacie stroje sa ďalej členia na: - profilovacie frézovacie stroje pre pozdĺžne frézovanie spodné vretenové frézky, - profilovacie frézovacie stroje na pozdĺžne tvarovanie vrchné, - čapovacie frézovacie stroje čelné (čapovačky), - ozubovacie frézovacie stroje, - profilovacie stroje kopírovacie kopírovačky, - okružovacie stroje. Spodné vretenové frézky (obrázok 10.5) sú drevoobrábacie stroje, ktoré otáčavým pohybom nástroja (kotúčovej frézy), ktorý je upnutý na zvislom vretene v spodnej časti stroja (stole), frézujú drevo a drevné materiály za účelom dosiahnutia pozdĺžnych a zakrivených tvarových plôch. Obrázok 10.5 Schéma spodnej vretenovej frézky (1 stojan, 2 suport, 3 stôl, 4 vodiace pravítko, 5 vreteno) Profilovacie frézovacie stroje na pozdĺžne tvarovanie vrchné zabezpečujú tvarové frézovanie obrobku frézami (stopkovými), upnutými vo zvislom vretene, ktoré je uložené v hornej časti stroja nad jeho pracovnou polohou. Účelom je tvarové opracovanie pomocou šablóny voľne posuvnej 125

127 po pevnom vodiacom kolíku, alebo šablónou pevne upnutou na otočnom stole (krížový suport). Čapovacie frézovacie stroje sa používajú na zhotovenie čapov a dlabov za účelom spojovania dielov, pomocou fréz, nožových hláv s predrezávačmi, pílovými kotúčmi, alebo vzájomnou kombináciou. Podľa toho, či sa tvarovo upravujú oba konce alebo jeden, delia sa čelné čapovačky na jednostranné a dvojstranné. Nástroje sa pohybujú proti smeru posuvu obrábaného dielca rovnomernou rýchlosťou. Dielce sa vedú do rezu na čapovacom stole ručne alebo mechanickým posuvom (dopravníkom). Ozubovacie frézovacie stroje sú stroje určené na zhotovovanie rybinových, hrebeňových a klinových spojov, rybinovými, čapovacími a uhlovými frézami, otáčajúcimi sa jedným smerom rovnomernou rýchlosťou. Pri frézovaní sa do rezu posúvajú nástroje alebo obrobok. Stroje zabezpečujú tvarovanie zubov rôzneho tvaru. Profilovacie stroje kopírovacie sú stroje zabezpečujúce frézovanie oblých telies pravidelného i nepravidelného prírezu, t. j. tvarovaných obrobkov (nohy stoličiek, pažieb, rezbárskych profilov atď.) rezným procesom, pri ktorom sa vytvorí a opracuje krivý povrch s nepravidelnými tvarmi objemovým kopírovaním. Okružovacie stroje sú zariadenia na zhotovovanie kruhových prírezov (tyčí) priameho alebo mierne zakriveného tvaru, pomocou frézovacieho nástroja (dutej nožovej hlavy), otáčajúceho sa v jednom smere, pričom materiál je vedený (posúvaný) ručne alebo podávacím zariadením VŔTACIE STROJE Vŕtacie stroje - vŕtačky (obrázok 10.6) slúžia na zhotovovanie kruhových otvorov pomocou nástroja vrtáka, otáčajúceho sa jedným smerom rovnomernou rýchlosťou a jeho súčasným posuvom do materiálu alebo posuvom materiálu do rezu. Vŕtanie sa uskutočňuje za účelom vyvŕtania otvorov pre kolíkové a čapové spoje v dreve, otvorov pre rôzne nábytkové kovanie, pre vŕtanie a predvŕtanie otvorov pre skrutky a vymanipulovania chýb v dreve. Vŕtacie stroje nachádzajú uplatnenie na všetkých úrovniach nábytkárskej, stavebno-stolárskej a ostatnej drevospracujúcej výrobe. 126

128 Anizotropné vlastnosti rastlého dreva si vyžadujú rozlišovať vŕtanie kolmo na vlákna a vŕtanie pozdĺž vlákien, pričom v súvislosti so spôsobom vŕtania je potrebné definovať aj rozdielnu konštrukciu reznej časti vrtáka. Na vŕtanie otvoru kolmo na vlákna sú vhodnejšie vrtáky s reznými hranami kolmými, alebo takmer kolmými na os rotácie, zabezpečené dvoma predrezovými hranami, dvoma čelnými zrezávacími hranami a vodiacim hrotom. Pre vŕtanie otvorov rovnobežne s vláknami sú vhodné vrtáky s dvoma reznými hranami skrutkovicového vrtáka s vrcholovým uhlom. V závislosti na tvare reznej časti vrtáka, smeru vŕtania k drevným vláknam a polohe obrobku vznikajú rôzne varianty modelov rezania. Obrázok 10.6 Univerzálna trojvretenová vŕtačka (1 stojan, 2 stolový suport, 3 stôl, 4 vreteníkový suport, 5 trojvretenný vertikálny vreteník, 6 vretená, 7 nožné páky ovládania vretien, 8 ručné koleso výškového prestavovania stola) 10.4 DLABACIE STROJE Dlabacie stroje (dlabačky) zabezpečujú zhotovovanie pozdĺžnych nekruhových otvorov v dreve dlabov (priebežných, nepriebežných) za účelom spájania dielcov v nábytkárskej a stavebno-stolárskej výrobe. Tvar dlabu môže byť rozličný, závisí od technologického účelu dlabu a konštrukcie nástroja. Dlabacím nástrojom je: dlabací vrták, reťaz, kmitavé dvojsečné dláto, kmitavá pílka a kombinované nástroje (hadovitý vrták v dutom štvorstrannom dláte). Pri dlabaní sa do rezu posúva buď upnutý dielec alebo nástroj. Základné členenie dlabacích strojov je podľa použitého nástroja a to: - dlabačky s kmitajúcim nástrojom, - dlabačky s obiehavým nástrojom, - dlabačky s rotujúcim nástrojom. 127

129 Dlabačky s kmitajúcim nástrojom majú voči dlabacím strojom s obiehavým a rotujúcim nástrojom (reťazové a vŕtacie) niektoré nevýhody a tým aj obmedzený rozsah použitia. Ich spoločnou nevýhodou je, že nimi nie je možné dlabať úzke a hlboké dlaby, potrebné v nábytkárskej výrobe, ale najmä v stavebno-stolárskej výrobe. Dlabacie stroje týchto typov sú rôznych konštrukcií cez jednoduché ručné strojčeky až po dlabačky niekoľkohlavové s posuvom nástroja alebo obrobku do rezu. Do dlabacích strojov s obiehavým nástrojom patria len dlabacie stroje reťazové (obrázok 10.7). Tieto zabezpečujú hranaté dlaby s oblým dnom. Podľa tvaru dlabu môžeme rozdeliť dlaby na slepé nepriebežné, priebežné, oblé obdĺžnikové s rovným dnom. Delia sa na jedno a viacreťazové. Podľa polohy reťaze sa delia na horizontálne, vertikálne a viacsuportové. Nevýhodou reťazových dlabačiek je nepresnosť práce z dôvodu chvenia reťaze a zaoblené dno nepriebežných dlabov (hrubšie práce stavebno-stolárskej výroby). Prednosťou je relatívne vysoká výkonnosť dlabania. Obrázok 10.7 Schéma zvislej jednoreťazovej dlabačky Dlabacie stroje s rotujúcim nástrojom sú drevoobrábacie stroje, ktoré pomocou nástroja dlabacieho vrtáka upnutého v otáčajúcom sa vretene, vyrezávajú v materiáli upnutom na stole a posúvajúcom sa kolmo na os vretena dlab s rovným dnom a oblými čelami. Tieto stroje sa používajú najmä v individuálnej a malosériovej výrobe, pri výrobe stolového, sedacieho nábytku a v stavebno-stolárskej výrobe. Základná kinematika je podobná ako pri frézovacích strojoch (napr. stopkových). 128

130 10.5 SÚSTRUHY Sústruženie je charakterizované rotačným pohybom obrobku a pohybom nástroja noža rýchlosťou posuvu vf, nastaveného pod uhlom alebo v osi otáčania. Podľa posuvu a závislosti od osi rotácie rozlišujeme sústruženie na: - pozdĺžne - priečne - radiálne, - tangenciálne. Sústruhy sú stroje (zariadenia) určené na obrábanie dreva sústružením (do kruhového prierezu). Upnutý obrábaný dielec sa otáča jedným smerom rovnomernou reznou rýchlosťou vc a nástroj je proti nemu vedený ručne alebo mechanicky konštantnou posuvnou rýchlosťou, kde trajektória pohybov je skrutkovica alebo špirála. Obrábaná plocha môže byť vnútorná, vonkajšia alebo valcová, kužeľová alebo jednoduchá, zložená. Sústruhy môžeme rozdeliť podľa rôznych hľadísk, ale základné delenie je podľa konštrukcie a to na sústruhy: - hrotové, - čelné, - tvarovacie sústruhy s nerotujúcim nástrojom, - kopírovacie sústruhy s vedením noža podľa šablóny, - iné sústruhy (špeciálne združené). Pri pozdĺžnom osovom sústružení je rezná hrana v osi otáčania obrobku, pričom sa posúva v smere rovnobežnom s osou otáčania, sníma sa celistvá (stočená) trieska. Trajektóriou rezania je skrutkovica. Základ hrotového sústruhu tvorí stojan, v jeho hornej časti je vedenie suportu. Krížový suport je určený na upnutie nožov a na ich priečny a pozdĺžny posuv do rezu. Ďalšou časťou stroja je koník a vreteno s upínacou rozetou (skľučovadlom), medzi ktoré sa obrábaný dielec upína. Vreteno je poháňané elektromotorom cez sústavu mechanických prevodov (čelné ozubené kolesá). Čelné sústruhy sú určené na čelné sústruženie dreva a drevných materiálov. Delia sa na modelárske, sústruhy na sedadlá a kruhové výstuže stoličiek. Kopírovacie sústruhy sú hlavnými strojmi v priemyselnej výrobe sústružníckych výrobkov (sedací, stolový nábytok, hračky atď.). Schéma kopírovacieho sústruhu je zobrazená na obrázku Funkcia hlavných pracovných mechanizmov je automatizovaná. Suport s upnutým nástrojom sa automaticky pohybuje v pozdĺžnom smere a nástroj sa posúva do rezu podľa tvaru pevne fixovanej šablóny (vymeniteľnej) na korpuse stroja. Priečny suport je ovládaný (pritláčaný) pružinami na šablónu, pričom sa obrys šablóny 129

131 pomocou valčeka prenáša na otáčajúci obrobok. Z dôvodu zvýšenia kvality opracovania sa používajú dva nože, jeden opracúva na hrubo a druhý presne tvaruje začisťuje. Obrázok 10.8 Kopírovací sústruh (1 stojan, 2 hydroagregát, 3 suport, 4 ovládanie, 5 koník, 6 nožové suporty, 7 maketa, 8 ovládanie) 10.6 BRÚSIACE A LEŠTIACE STROJE Brúsiace stroje (Brúsky) Brúsky sú drevoobrábacie stroje, ktorých technologická činnosť je založená na procese škrabania, resp. trenia a sú určené na zabezpečovanie technologických operácií: a) zarovnanie a hrúbková egalizácia brúsením, b) zdrsňovanie plôch za účelom zvýšenia priľnavosti lepidla pri spájaní dielcov napr. dyhovaní, c) vyhladenie plôch pri povrchovej úprave drevených alebo lakovaných dielcov. Podľa smeru rýchlosti brúsenia a priebehu drevných vlákien rozlišujeme brúsenie na: - pozdĺžne rovnobežne s vláknami, - priečne kolmo na vlákna (krížové brúsenie). 130

132 Základné rozdelenie brúsok na drevo je podľa tvaru pracovného nástroja na brúsky: - pásové, - kotúčové, - valcové, - kombinované (mnohorakými nástrojmi špeciálne). Pásové brúsky (obrázok 10.9) sú stroje s veľmi širokým rozsahom použitia, v závislosti na konštrukcii stroja. Možno na nich brúsiť dielce s rovnými ale i zakrivenými plochami. Obrázok 10.9 Úzkopásová stolárska brúska (1 brúsny mechanizmus, 2 pozdĺžna traverza, 3 stojan, 4 stôl, 5 vedenie traverzy, 6 odsávacie centrum s pohonom, 7 brúsny pás) Kotúčové brúsky (obrázok 10.10) sú určené k opracovaniu malých plôch materiálov prevažne čelných masívnych dielcov. Ide o brúsenie čelných plôch, zrážania hrán, zbrusovania pokosov, zaobľovania hrán, brúsenia presahu na rámových konštrukciách atď. Kotúčové brúsky nezabezpečujú čisté a kvalitné brúsenie (zreteľné ryhy spôsobené otáčavým pohybom kotúča) a preto je ich použitie obmedzené. Používajú sa hlavne pre prvé hrubé brúsenie. Obrázok Principiálna schéma kotúčových brúsok Valcové brúsky (obrázok 10.11) sú predovšetkým určené na zdrsňovanie plôch bokov a hrán pred lepením, ďalej k egalizácii veľkoplošných materiálov a stavebno-stolárskej výrobe na rovinné brúsenie dosiek, líšt a rámov z mäkkého dreva. 131

133 Obrázok Principiálna schéma spodnej valcovej brúsky (1 brúsny valec, 2 čistiace valce, 3,4 prítlačné valce) Kombinované brúsky sú združené z jednotlivých čiastkových operácií priečneho a pozdĺžneho brúsenia do kombinovaných združených strojov, u ktorých sú brúsiace agregáty účelne integrované do jedného celku. Nahrádzajú strojové linky plošného brúsenia veľkoplošných dielcov (dyhovaných). Väčšinou ide o vzájomnú kombináciu valcových, úzko a širokopásových brúsok, jednostranných alebo obojstranných Leštiace stroje Leštiace stroje sú zariadenia, ktoré zabezpečujú zarovnávanie nerovností náterovej látky a vyleštenie krycej lakovanej vrstvy (vyhladenie náteru) povrchu prostredníctvom pohybujúceho sa nástroja (pásu a valca) rovnomernou rýchlosťou. Podľa tvaru, pohybu a konštrukcie nástroja ich zaraďujeme do nasledovných skupín: - pásové s ručným posuvom a mechanickým posuvom, - kotúčové horizontálne a vertikálne, jedno a dvojkotúčové (obrázok 10.12), - valcové horizontálne s vratným pohybom stola priebežné a vertikálne s ručným a mechanizovaným posuvom, - iné leštičky kombinované. Obrázok Principiálne schémy kotúčových leštičiek: a) vertikálna, b) horizontálna 132 a) b)

134 10.7 KOMBINOVANÉ STROJE Kombinované drevoobrábacie stroje (obrázok 10.13) a strojové zariadenia sú viacúčelové stroje zložené z niekoľkých strojov, alebo obrábacích jednotiek, rozlične združených, spojené spoločným stojanom a určených na vykonávanie niekoľkých polohových alebo priebežných technologických operácií. Na týchto strojoch možno jednotlivé operácie vykonávať buď súčasne, alebo postupne. Prevažne jeden kombinovaný stroj nahradí väčšinou toľko samostatných strojov, z koľkých čiastkových sa skladá. Z hľadiska technologického určenia, spôsobu obrábania, druhu a počtu čiastkových strojov alebo obrábacích jednotiek možno kombinované stroje rozdeliť na stroje štandardné a ostatné kombinované stroje. Štandardné kombinované stroje sú odvodené od základných drevoobrábacích strojov (kotúčových píl, frézovacích strojov, dlabacích a vŕtacích strojov atď.). Sú určené prevažne pre polohové operácie alebo pre operácie priebežné s ručným posuvom. Obsluhu týchto strojov môže zabezpečovať buď jeden pracovník pracujúci postupne na jednotlivých základných strojoch alebo súčasne viac pracovníkov, ktorí pracujú samostatne na jednotlivých strojoch. Tieto kombinované stroje sú určené prevažne pre údržbu a modelárske práce v malých prevádzkach (dielňach). Ostatné kombinované stroje zahŕňajú stroje technologicky podmienených konštrukcií. Sú vytvorené z rozličných obrábacích jednotiek usporiadaných za sebou v súlade s požadovaným poradím technologických operácií. Združenie a kombinácia obrábacích jednotiek sú rozličné podľa určenia celého stroja. Sú to zložité kombinované stroje nových moderných konštrukcií. Obrábaný dielec je pri obrábaní postupne posúvaný dopravníkom k jednotlivým obrábacím jednotkám. Tieto stroje pracujú samostatne alebo sú súčasťou automatických liniek. Obrázok Schéma zrovnávaco-hrúbkovacej frézky (1 stojan, 2 predný a zadný stôl, 3 pravítko, 4 nožový hriadeľ, 5 stôl hrúbkovačky) 133