ΑΤΜΟΜΗΧΑΝΕΣ Σημειώσεις Ναυτικών Μηχανών - Ατμομηχανές Οι ατμομηχανές διακρίνονται σε : 1)Εμβολοφόρες παλινδρομικές μηχανές v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 1
Ατμομηχανή με 3 βαθμίδες-3 έμβολα. Διπλής ενέργειας Η λειτουργία της μηχανής ξεκινάει από αριστερά (κόκκινο) όπου ο ατμός εισέρχεται στον κύλινδρο υψηλής πίεσης (μικρότερης διαμέτρου) πιέζει το έμβολο προς τα κάτω και η κίνηση αυτή μεταδίδεται μέσω του διωστήρα στον στρόφαλο που βρίσκεται κάτω. Στην συνέχεια ο ατμός οδηγείται με την βοήθεια του ατμοσύρτη (αριστερή πλευρά του εμβόλου) στην κάτω πλευρά του εμβόλου όπου και το ωθεί προς τα πάνω. Στην συνέχεια ο ατμός οδηγείται στον κύλινδρο μέσης πίεσης (μεσαίας διατομής) και ενεργεί διπλά όπως και πριν και τέλος οδηγείται στον κύλινδρο δεξιά χαμηλής πίεσης και όπως και πριν ωθεί το έμβολο και η κίνηση του μεταδίδεται στον στρόφαλο Οι εικόνες είναι από την ατμομηχανή της θαλαμηγού ΧΡΙΣΤΙΝΑ που βρίσκεται στο ΕΜΠ v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 2
2)Ατμοστροβίλοι - περιστροφικές μηχανές Λόγω οικονομικότερης λειτουργίας και μικρού όγκου έχουν υπερισχύσει οι ατμοστρόβιλοι εκτοπίζοντας τις παλινδρομικές ατμομηχανές μόνο σε μουσειακό χαρακτήρα. Ατμοστροβίλους συναντάμε σε παλιά πλοία αλλά και σε σύγχρονα, ιδίως σε πλοία μεταφοράς υγρών φορτίων λόγω της εκμετάλλευσης μέρους του φορτίου που χάνεται (αναθυμιάσεις) ως κάσιμη ύλη στους ατμολέβητες. Χρήση πρώτου ατμοστροβίλου σε πλοίο v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 3
Ο ατμοστρόβιλός χωρίζεται σε δύο βασικά μέρη : Α) Το κέλυφος ακίνητο μέρος του στροβίλου. Σε αυτό υπάρχουν τα ακροφύσια (1) και τα σταθερά πτερύγια δράσεως (2) και αντιδράσεως (3) και τα σημεία έδρασης (4). Β) Το στροφείο κινητό μέρος του στροβίλου. Σε αυτό υπάρχουν ο άξονας (5), το τύμπανο (6) και τα κινητά πτερύγια δράσεως (7) και αντιδράσεως (8) Ημιτομή ατμοστροβίλου δράσεως-αντιδράσεως(μεικτού τύπου) v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 4
Σχηματική επεξήγηση της λειτουργίας του ατμοστροβίλου ακροφύσια-πτερύγια Λειτουργία Δράση αντίδραση Η λειτουργία του ατμοστροβίλου στηρίζεται στην μετάδοση της κινητικής ενέργειας του ατμού στο στροφείο του ατμοστροβίλου. Ο ατμός που έρχεται από τον ατμολέβητα έχει μεγάλη πίεση και θερμοκρασία καθώς είναι υπέρθερμος. Θα πρέπει την θερμική αυτή ενέργεια του ατμού να την μετατρέψουμε σε κινητική. Αν περάσουμε τον ατμό από ένα ακροφύσιο (που διαθέτει κάποια στένωση) τότε θα αυξήσουμε την ταχύτητα του ατμού μειώνοντας την πίεσή του (διατήρηση της ροής) Με αυτόν τον τρόπο επιταγχύνουμε τον ατμό και τον στέλνουμε με συγκεκριμένη κατεύθυνση πάνω στα πτερύγια του στροφείου. Ο τροχός δέχεται μέσω των πτερυγίων δυνάμεις δράσης οπότε και περιστρέφεται. Μπορούμε επίσης να επιτύχουμε την αύξηση της ταχύτητας του ατμού αν ο ατμός κατά την είσοδό του στον ατμοστρόβιλο οδηγηθεί σε σταθερά πτερύγια αντιδράσεως (ασύμμετρα). Έτσι ο ατμός όπως και στα ακροφύσια επιταγχύνεται και κατευθύνεται πάνω σε κινητά πτερύγια αντιδράσεως του στροφείου. Στα κινητά πτερύγια αντιδράσεως (ασύμμετρα) ο ατμός δρά και αντιδρά στην προσπάθειά του να φύγει από την επιφάνειά του. v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 5
Δράση - Αντίδραση Ασύμμετρα πτερύγια αντιδράσεως v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 6
Κάτω μέρος κελύφους ατμοστροβίλου με σταθερά πτερύγια στροφείο τοποθετημένο στο κάτω μέρος του κελύφους του ατμοστροβίλου v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 7
Διαβάθμιση ατμοστροβίλων Σημειώσεις Ναυτικών Μηχανών - Ατμομηχανές Στους ατμοστροβίλους δεν έχουμε ποτέ μόνο μια σειρά ακροφυσίων και πτερυγίων ή σταθερών πτερυγίων και κινητών πτερυγίων. Αυτό γίνεται γιατί θέλουμε να εκμεταλλευτούμε κλιμακωτά όσο το δυνατόν την ενέργεια του ατμού. Επίσης αν ο στρόβιλος είχε μόνο μια τέτοια σειρά τότε οι στροφές του θα ήταν πάρα πολύ μεγάλες (>10000 rpm) κάθε σειρά με ακροφύσια και κινητά πτερύγια δράσεως ή σταθερά πτερύγια αντιδράσεως και κινητά αντιδράσεως ονομάζεται βαθμίδα. Η χρήση πολλών βαθμίδων λέγεται διαβάθμιση. Υπάρχει διαβάθμιση πίεσης και διαβάθμιση ταχύτητας όπου και έχουμε κλιμακωτή μείωση της πίεσης του ατμού και κλιμακωτή μείωση της ταχύτητας του ατμού αντίστοιχα. v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 8
Ακροφύσια Τα ακροφύσια είναι η συσκευή του ατμοστροβίλου στο οποίο γίνεται η εκτόνωση του ατμού Με αυτόν τον τρόπο ο ατμός αποκτά μεγάλη ταχύτητα και κατευθύνεται πάνω στα κινητά πτερύγια. Υπάρχουν πολλοί τύποι ακροφυσίων. Ένας από αυτούς είναι το συγκλίνον ακροφύσιο. Επίσης υπάρχει το συγκλίνον-αποκλίνον ακροφύσιο στο οποίο έχουμε και ταχύτητες που ξεπερνούν τα 450 m/sec δηλαδή το φράγμα του ήχου. Αυτά ονομάζονται και υπερηχητικά ακροφύσια ενώ τα άλλα υποηχητικά v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 9
Συγκλίνον Συγκλίνον-αποκλίνον πλάγιο-συγκλίνον-αποκλίνον Πτερύγια Τα πτερύγια των ατμοστροβίλων τοποθετούνται πάνω στο τύμπανο του στροφείου ή στο κέλυφος του. Η απόσταση μεταξύ τους είναι τέτοια ώστε να σχηματίζεται δίοδος ροής του ατμού και ανάλογα με το σχήμα των πτερυγίων να δρα και να αντιδρά. Τα πτερύγια διακρίνονται σε α) Σταθερά πτερύγια δράσεως : Βρίσκονται στο κέλυφος του ατμοστροβίλου μετά από τα κινητά πτερύγια δράσεως. Ο ατμός περνά από την επιφάνειά τους και αλλάζει κατεύθυνση έτσι ώστε να πέσει πάνω σε επόμενη σειρά κινητών πτερυγίων. Γι αυτό το λόγω λέγονται και οδηγητικά. Η πίεση και η ταχύτητα παραμένουν σταθερές. β) Κινητά πτερύγια δράσεως : Βρίσκονται στο τύμπανο του στροφείου μετά από τα ακροφύσια ή τα σταθερά πτερύγια δράσεως. Ο ατμός που πέφτει πάνω τους δρά δημιουργώντας την περιστροφή του στροφείου. Εχουν συμμετρικό σχήμα. Η πίεση παραμένει σταθερή ενώ η ταχύτητα του ατμού πέφτει στο πέρασμα πάνω από τα κινητά πτερύγια. γ) Σταθερά πτερύγια αντιδράσεως : Βρίσκονται συνήθως στην αρχή του στροβίλου πάνω στο κέλυφος και λειτουργούν όπως και τα ακροφύσια. Έχουν ασύμμετρο σχήμα που αναγκάζει τον ατμό να εκτονωθεί. Η πίεση πέφτει λόγω εκτόνωσης και η ταχύτητα αυξάνεται. δ) Κινητά πτερύγια αντιδράσεως : Βρίσκονται μετά τα σταθερά πτερύγια αντιδράσεως. Ο ατμός που πέφτει επάνω τους δρά και αντιδρά στην προσπάθειά του να φύγει από την επιφάνεια του πτερυγίου. Έχουν ασύμμετρο σχήμα. Η πίεση και η ταχύτητα του ατμού πέφτει κατά την διέλευσή του από την επιφάνειά του v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 10
Ύψος πτερυγίου l, απόσταση t, και πλάτος b (συμμετρικά ασύμμετρα) Διάκενα ατμοστροβίλων Μεταξύ των σταθερών και κινητών πτερυγίων υπάρχει κενός χώρος ο οποίος είναι μικρός και υπάρχει για να μην κτυπήσουν τα πτερύγια το ένα με το άλλο. Ο χώρος αυτός ονομάζεται διάκενο και είναι ο ελάχιστος δυνατός για σωστή περιστροφή και διασφαλίζει την συνεχή ροή του ατμού πάνω από τα πτερύγια. Τα συγκεκριμένα διάκενα λέγονται αξονικά ( κατά μήκος του άξονα). Επίσης υπάρχουν και τα ακτινικά διάκενα μεταξύ κινητών πτερυγίων και κελύφους ή τυμπάνου στροφείου και σταθερού πτερυγίου Αξονικά και ακτινικά διάκενα v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 11
Κατάταξη ατμοστροβίλων ως προς την πίεση Σημειώσεις Ναυτικών Μηχανών - Ατμομηχανές Όταν χρησιμοποιούμε ατμοστρόβιλο για την κίνηση του πλοίου τότε θα έχουμε πάντα 2 ή περισσότερους στροβίλους. Αυτό γίνεται γιατί δεν μπορούμε από έναν ατμοστρόβιλο να πάρουμε όλη την ενέργεια το ατμού. Έτσι μπορούμε να έχουμε ατμοστρόβιλο υψηλής, μέσης και χαμηλής πίεσης. Οι στρόβιλοι υψηλής πίεσης έχουν μικρότερες διαμέτρους και μέγεθος πτερυγίων γιατί στις μεγαλύτερες πιέσεις θέλουμε να έχουμε μικρότερες επιφάνειες Αντίθετα στους στροβίλους μέσης και χμηλής πίεσης οι διάμετρος των τροχών και των πτερυγίων μεγαλώνει. Διάταξη μηχανοστασίου με στρόβιλο υψηλής και χαμηλής πίεσης καθώς και διβάθμιο μειωτήρα στροφών Μειωτήρες στροφών Ένα σημαντικό πρόβλημα που παρουσιάζουν οι ατμοστρόβιλοι είναι ότι περιστρέφονται σε μεγάλη ταχύτητα. Η ταχύτητα περιστροφής είναι μεγαλύτερη από 2000 στροφές το λεπτό. Αυτό είναι κακό γιατί οι έλικες λειτουργούν με καλό βαθμό απόδοσης το πολύ στις 200 στροφές το λεπτό. Αρα είναι αναγκαίο να γίνεται χρήση μειωτήρα στροφών και μάλιστα με μεγάλη μείωση (πάνω από 10:1). Η v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 12
χρήση του μειωτήρα επιβαρύνει το κόστος κτήσης και συντήρησης της προωστήρας εγκατάστασης. Επίσης λόγω τριβών έχουμε και μείωση την απόδοσης όλου του συστήματος. Κίνηση ανάποδα Όταν ένα πλοίο είναι εφοδιασμένο με ατμοστροβίλους τότε η κίνηση ανάποδα της προπέλας θα πρέπει να γίνει από τον ατμοστρόβιλο. Έλικες μεταβλητού βήματος δεν συνηθίζονται σε εμπορικά πλοία (εκτός ακτοπλοΐας) όπως επίσης είναι πολύ δύσκολο λόγω κόστους και μεγέθους να κατασκευάσουμε μειωτήρα που κάνει ανάποδα (ραβέρσα). Άρα το πλοίο θα πρέπει να διαθέτει : α) έναν ατμοστρόβιλό αποκλειστικά που θα κινεί τον άξονα μόνο για ανάποδα ή β) ο ένας ατμοστρόβιλος να μπορεί να στραφεί και να λειτουργήσει με αντίθετη φορά ή γ) να έχουμε ηλεκτροπρόωση στο πλοίο οπότε οι στρόβιλοι ουσιαστικά λειτουργούν πάντα από την μια φορά και κινούν ηλεκτρογεννήτριες οι οποίες τροφοδοτούν ηλεκτροκινητήρα για την πρόωση του πλοίου σε κάθε φορά περιστροφής. v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 13
Αξονικές μετατοπίσεις στροφείου ατμοστροβίλου Ένα σημαντικό πρόβλήμα που αντιμετωπίζουν οι ατμοστρόβιλοι είναι ότι λόγω της διαφοράς πίεσης στην αρχή και στο τέλος του ατμοστροβίλου και λόγω της μίας κατεύθυνσης εφαρμογής των δυνάμεων πάνω στα πτερύγια, παρατηρείται ότι το στροφείο δέχεται έντονες αξονικές πίεσεις που επιβαρύνει τις εδράσεις του άξονα. Έστω και μικρές μετατοπίσεις του άξονα μπορούν να προκαλέσουν μεγάλη ζημιά στα πτερύγια. Ένας τρόπος αντιμετώπισης του φαινομένου είναι το αεργοστροφείο Ένας άλλος τρόπος είναι να φτιάξουμε ένα στρόβιλο συμμετρικό διπλής ροής με τον ατμό να εισέρχεται στην μέση και κατευθύνεται αξονικά και στις δύο άκρες του στροβίλου. Έτσι ο άξονας του στροβίλου εξισορροπεί αφού οι αξονικές ωθήσεις αλληλοεξουδετερώνονται. Ατμοστρόβιλος διπλής ροής με δυνατότητα αναστροφής v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 14
Σύγκριση παλινδρομικής ατμομηχανής και ατμοστροβίλου Πλεονεκτήματα ατμοστροβίλων - μεγαλύτερος βαθμός απόδοσης - μικρότερο όγκο, βάρος σε σχέση με τις παλινδρομικές - μικρότερες τριβές - εύκολος χειρισμός - λιγότεροι κραδασμοί, ιδανικό για χρήση σε πλοία μεταφοράς επικίνδυνων φορτίων Μειονεκτήματα ατμοστροβίλων - χρήση πάντοτε μειωτήρα στροφών - μικρότερη ισχύς στο ανάποδα - οι βλάβες που παθαίνουν μπορεί να είναι σημαντικές v1.03 επιμέλεια σημειώσεων Λεοντής Γεώργιος 15