ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ (Δ.Π.Θ.) ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΞΑΝΘΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ (Στρβιλμηχανές VS Παλινδρμικές) Διδάσκων: Δρ. Αναστάσις Καρκάνης Μηχανλόγς Μηχανικός Μέλς ΕΤΕΠ Δ.Π.Θ.
Sir Frank Whittle, κατασκευαστής τυ 1 υ Στρβιλκινητήρα (1937) Γεννήθηκε τ 1907 και απεβίωσε τ 1996. Από μικρή ηλικία επέδειξε ιδιαίτερες ικανότητες για τη μηχανική και ενδιαφέρν για πτήσεις. Έγινε δεκτός στην αερπρική σχλή της Cranwell. Ξεχώρισε στις σπυδές τυ και έγινε καταξιωμένς πιλότς. Απφίτησε από τ Peterhouse, Cambridge, πρώτς. Με αξιωματικύς της RAF δημιύργησαν την Power Jets Ltd για να κατασκευάσυν, τ 1937 τν πρώτ κινητήρα turbojet πυ λειτύργησε, με τη βήθεια της British Thomson Houston. Τ 1948, απσύρθηκε από την RAF και έγινε ιππότης. Τ 1976 έγινε Καθηγητής Ερευνών NAVAIR στη Ναυτική Ακαδημία των Η.Π.Α. 2
Nikolaus August Otto, κατασκευαστής τυ 1 υ κινητήρα με ανάφλεξη Οι πρώτι κινητήρες με καύσιμ βενζίνη, ι απκαλύμενες μηχανές Otto, αναπτύχθηκαν τ τελευταί τέταρτ τυ 19υ αιώνα στη Γερμανία από τν μηχανικό Nikolaus (ή Nicholas) August Otto. Ο Otto γεννήθηκε στις 14 Ιυνίυ 1832 στ Holzhausen an der Haide της Γερμανίας, στην Κλωνία. Κύρι ενδιαφέρν τυ ήταν στην επιστήμη και την τεχνλγία, αλλά εργάστηκε ως πωλητής απικιακών πρϊόντων. Εμπνευσμένς από τν κινητήρα αερίυ, πυ ανέπτυξε Jean Joseph Etienne Lenoir, ξεκίνησε με τν αδελφό τυ την κατασκευή ενός κινητήρα πυ θα δύλευε με υγρό καύσιμ. Ο τέταρτς κινητήρας πυ κατασκεύασε Otto, είναι πρκάτχς τυ σύγχρνυ κινητήρα όπως τν γνωρίζυμε σήμερα. Οι κατασκευαστικές τυ πρσπάθειες ήταν: 1861: αντίγραφ τυ ατμσφαιρικύ κινητήρα Lenoir 1862: κινητήρας τεσσάρων κύκλων συμπίεσης αέρα, πίς απέτυχε καθώς έσπασε σχεδόν αμέσως 1864: πρώτς επιτυχημένς ατμσφαιρικός κινητήρας 1876: κινητήρας τεσσάρων κύκλων συμπίεσης αέρα, πυ αναγνωρίζεται ως κινητήρας κύκλυ "Otto". 3
Rudolf Diesel, κατασκευαστής τυ 1 υ κινητήρα αυτανάφλεξης Με Φυστικέλαι δύλευαν ι κινητήρες πυ παρυσίασε στην Έκθεση τυ Παρισιύ τ 1900 και στην Παγκόσμια Έκθεση τυ 1911 επίσης στ Παρίσι. Η χρησιμότητα και η τεχνική χρησιμπίησής τυ diesel πρήλθε από πειράματα πυ διεξήγαγε Γερμανός επιστήμνας και εφευρέτης Rudolf Diesel, τυ πίυ τ όνμα έχει δθεί και στ καύσιμ, για τν κινητήρα αυτανάφλεξης τυ καυσίμυ μέσω συμπίεσης πυ εφευρέθηκε τ 1892. Ο Diesel σχεδίασε αρχικά τη μηχανή τυ για να χρησιμπιήσει σκόνη άνθρακα ως καύσιμ αλλά πειραματίστηκε και με άλλα καύσιμα, συμπεριλαμβανμένων των φυτικών ελαίων όπως τ φυστικέλαι. 4
5
6
Τύπι Στρβιλκινητήρων Ανικτύ κύκλυ (Open Cycle) Κλειστύ κύκλυ (Closed cycle) 7
Αεριστρόβιλς (Tuebojet engine) ανικτύ κύκλυ (open cycle) Ο ατμσφαιρικός αέρας εισέρχεται από την εισαγωγή, δηγείται στν συμπιεστή όπυ συμπιέζεται ενώ ενέργεια πρστίθεται με την καύση κάπιυ καυσίμυ και τυ αέρα στ θάλαμ καύσης. Στη συνέχεια τα καυσαέρια πυ δημιυργύνται εκτνώννται στν ή στυς στρβίλυς ή/και στ πρωθητικό ακρφύσι και τελικά εξέρχνται στην ατμόσφαιρα. Η λειτυργία συνεχίζεται με την εισαγωγή νέας, «φρέσκιας» μάζας αέρα. Κύρια Εξαρτήματα των Αεριστρόβιλων 8
Αεριστρόβιλς (Tuebojet engine) ανικτύ κύκλυ (open cycle) Jet Engine, How it works? https://www.youtube.com/watch?v=kjiuujdpgx0 Ανικτύ κύκλυ (open cycle) φάσεις λειτυργίας: 1. Ο ατμσφαιρικός αέρας εισέρχεται από την εισαγωγή. 2. Οδηγείται στν συμπιεστή όπυ συμπιέζεται. 3. Πρστίθεται ενέργεια με την καύση κάπιυ καυσίμυ με τν αέρα στ θάλαμ καύσης. 4. Στη συνέχεια τα καυσαέρια πυ δημιυργύνται εκτνώννται στν ή στυς στρβίλυς ή/και στ πρωθητικό ακρφύσι και 5. Τελικά τα καυσαέρια εξέρχνται στην ατμόσφαιρα. 6. Η λειτυργία συνεχίζεται με την εισαγωγή νέας, «φρέσκιας» μάζας αέρα. 16 9
Αεριστρόβιλς κλειστύ κύκλυ (closed cycle) Πλενεκτήματα (closed cycle): Δυνατότητα χρήσης αερίυ υπό πλύ υψηλή πίεση μέσα στ κλειστό κύκλωμα, Τ μέγεθς τυ κινητήρα να είναι σχετικά μικρό για δεδμένη ισχύ Δυνατότητα αυξμείωσης της ισχύς εξόδυ με την αλλαγή της πίεσης τυ αερίυ και όχι μόν με την ρύθμιση της παρχής καυσίμυ, δηλαδή την μεταβλή της θερμκρασία εισόδυ των καυσαερίων στν στρόβιλ (Turbine Entry Temperature, ΤΕΤ) Μερικό φρτί: μπρεί να μειωθεί η ισχύς μειώνντας την πίεση τυ κλειστύ κυκλώματς, ενώ η ΤΕΤ διατηρείται σταθερή. Έτσι, επιτυγχάνεται απδτική λειτυργία τυ κινητήρα ακόμα και σε μερικό φρτί όπυ αναγκαστικά η ΤΕΤ και λόγς πίεσης Rc θα έπρεπε να μειωθύν, με αρνητικές συνέπειες στην απόδση τυ κινητήρα Αύξηση της ικανότητας μεταφράς θερμότητας τυ εναλλάκτη θερμότητας με την αύξηση της πίεσης τυ κλειστύ κυκλώματς, λόγω της υψηλής πυκνότητας τυ αερίυ 10
Αεριστρόβιλς κλειστύ κύκλυ (closed cycle) Πλενεκτήματα (closed cycle): Οι απώλειες πίεσης λόγω τριβής είναι πλύ μικρότερες με τ ήλι, ενώ ι βέλτιστι λόγι πίεσης τυ κύκλυ είναι χαμηλότερι και η μεταφρά θερμότητας καλύτερη. Αυτό έχει σαν απτέλεσμα τ μέγεθς τυ εναλλάκτη να ελαττώνεται έως και 50% σε σχέση με εκείν πυ θα είχε στην περίπτωση τυ αέρα Aπφυγή πρβλημάτων διαβρώσεως και φθράς των πτερυγίων τυ στρβίλυ πυ φείλνται στα πρϊόντα της καύσης στις πλύ υψηλές θερμκρασίες Δεν χρειάζεται φιλτράρισμα τυ εισερχόμενυ αέρα στν αεριστρόβιλ, ανάγκη πυ εμφανίζεται σε αεριστρόβιλυς πυ λειτυργύν με ανικτό κύκλ, ειδικά σε εφαρμγές όπυ περιβάλλν αέρας μπρεί να περιέχει ξένα σώματα π.χ. περιβάλλν ερήμυ 11
Αεριστρόβιλς κλειστύ κύκλυ (closed cycle) Μεινεκτήματα (closed cycle): Ανάγκη ύπαρξης ενός εξωτερικύ συστήματς θέρμανσης, (εναλλάκτης θερμότητας αερίυ αερίυ). Η ανώτατη επιτρεπτή θερμκρασία λειτυργίας των επιφανειών τυ θερμαντήρα περιρίζει την ΤΕΤ. Πρβλήματα με διαρρές στ κλειστό κύκλωμα υψηλής πίεσης. Εφαρμγές (closed cycle): Με αέρι ήλι είναι δυνατή η χρησιμπίηση αυτύ τυ τύπυ των αεριστρόβιλων σε συνδυασμό με πυρηνικύς αντιδραστήρες για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύς πάνω από 250MW, (μνάδες στη Ν. Αφρική, με n th = 40 42% ). 12
Δμή Τετράχρνυ Παλινδρμικύ Κινητήρα 13
ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΤΩΝ Μηχανών Εσωτερικής Καύσης ΦΑΣΕΙΣ ΚΥΚΛΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΕΤΡΑΧΡΟΝΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΔΙΧΡΟΝΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΚΥΛΙΝΔΡΩΝ ΜΟΝΟΚΥΛΙΝΔΡΟΙ ΔΙΚΥΛΙΝΔΡΟΙ ΤΡΙΚΥΛΙΝΔΡΟΙ ΤΕΤΡΑΚΥΛΙΝΔΡΟΙ ΠΕΝΤΑΚΥΛΙΝΔΡΟΙ ΕΞΑΚΥΛΙΝΔΡΟΙ ΕΠΤΑΚΥΛΙΝΔΡΟΙ ΟΚΤΑΚΥΛΙΝΔΡΟΙ ΔΕΚΑΚΥΛΙΝΔΡΟΙ ΔΩΔΕΚΑΚΥΛΙΝΔΡΟΙ ΔΕΚΑΕΞΑΚΥΛΙΝΔΡΟΙ ΔΙΑΤΑΞΗ ΚΥΛΙΝΔΡΩΝ ΚΥΛΙΝΔΡΟΙ ΕΝ ΣΕΙΡΑ ΚΥΛΙΝΔΡΟΙ ΣΕ ΣΧΗΜΑ V ΕΠΙΠΕΔΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΣΤΕΡΟΕΙΔΕΙΣ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΨΥΞΗΣ ΑΕΡΟΨΥΚΤΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΥΔΡΟΨΥΚΤΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΤΡΟΠΟΣ ΠΛΗΡΩΣΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΥΠΕΡΠΛΗΡΟΥΜΕΝΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Μηχανική υπερπλήρωση Υπερπλήρωση με στρβιλσυμπιεστή καυσαερίων Μικτή υπερπλήρωση ΜΕΣΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΕΜΒΟΛΟΥ ΑΡΓΟΣΤΡΟΦΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΜΕΣΟΣΤΡΟΦΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΤΑΧΥΣΤΡΟΦΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΥΠΕΡΤΑΧΥΣΤΡΟΦΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΤΡΟΠΟΣ ΧΡΗΣΗΣ ΣΤΑΘΕΡΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΚΙΝΗΤΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΦΟΡΗΤΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 14
Θεωρητικός Κύκλς Λειτυργίας Τετράχρνυ Κινητήρα ΟΤΤΟ 15
Θεωρητικός Κύκλς Λειτυργίας Τετράχρνυ Κινητήρα DIESEL 16
Λειτυργία Τετράχρνυ Κινητήρα DIESEL How Diesel Engines Work Part 1 (Four Stroke Combustion Cycle) https://www.youtube.com/watch?v=ftauq6g9apg 17
ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ στις Μηχανές Εσωτερικής Καύσης ΑΝΑΓΚΑΙΑ για τη Λειτυργία ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΞΑΓΩΓΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΡΟΧΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΑΦΛΕΞΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΨΥΞΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΙΠΑΝΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΖΟΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΕΔΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗΣ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ 18