Březen 2016

Parní motor 1. kolo, malá účast, velký přínos

2. března 2016 v 23:49 | Jiří Toman |  PARNÍ MOTORY - STEAM ENGINES
Milí přátelé
První kolo druhého ročníku šlo do hloubky našeho předmětu zájmu - detailů našich parních strojů. Pan Šolc přinesl svůj pístový jednočinný jednoválec, ktery jsme velice dopodrobna zkoušeli ve všech režimech a rozvažovali, v čem spočívá jeho přednost, neboť svým výkonem překonal můj dvojčinný membránový motorek asi čtyřikráte a loňského vítěze Vaška asi dvakrát.
Pojďme se na úvod na něj podívat:


A ještě trochu staticky:

Pára vstupuje do rotačního šoupátka izolovanou, bílou hadicí, odsud jde červenou hadicí do válce, kde posune pístem, tím roztočí setrvačník a ten svou pohybovou energií - setrvačností páru vytlačí zpět přes již pootočené rotační šoupátko mřížovanou hadicí do odpadu.

Princip stejný jako u membránového stroje a výkon podstatně vyšší. JAK JE TO MOŽNÉ ?!

Pojďme trochu do podstaty parního motoru:

Teoretický pracovní diagram vypadá takto

p [Pa] tlak páry; V [m3] objem válce;
Velké římské číslice označují rozvodové okamžiky: I rozvod páry je otevřen pro vstup páry do válce motoru; II rozvod páry je uzavřen; III rozvod páry je otevřen pro výstup páry z válce motoru; IV rozvod páry je uzavřen. HÚ píst se nachází v horní úvrati; DÚ píst se nachází v dolní úvrati; Aid ideální práce pístu pro dané množství páry proteklé válcem během jednoho cyklu a parametry páry; pi tlak vstupní páry (před rozvodem páry); pe tlak výstupní páry (na výstupu z rozvodů páry); Vid ideální zdvihový objem válce.

Ovšem otvory v rotačním šoupátku mají kruhový tvar, který se v čase odkrývá, a proto je skutečný průběh odlišný:

Reálný pracovní diagram oběhu parního motoru:

Obrázek 2/id571. Indikátorový p-V diagram parního motoru.
Δp [Pa] tlakové ztráty; VVmax [m3] zdvihový objem válce; Ai1 [J] vnitřní práce motoru připadající na jeden pracovní objem*; V0 škodný objem (pracovní objem motoru po odečtení zdvihového objemu).

Z porovnání rozměrů membránového a pístového stroje vyplývajî nevýhody těch většinových, propagovaných, membránových motorků.

1) Mají většinou poměrně větší škodlivý prostor Vo, než ty pístové - pára v něm zbytečně chladne a kondenzuje, je jí potřeba více. Ideální bude v silonovém špalíku vysoustružit velice tupý kužel, tak akorát o chloupek vyšší, než je prohnutá membrána.

2) V bodě II je šoupátko uzavřené a pára expanduje. Tato expanze je ve válci mnohem vyšší, než u membrány.
To je dáno rozdílem tvaru mezi válcem a kuželem. Jejich objem by měl být stejný - daný objemem vytvářené páry, otvor v šoupátku je odkrytý určitou dobu, po jeho zavření podstatně vyšší zdvih pístu umožní větší expanzi páry.
Tím se zvětší plocha v diagramu a ta přímo vyjadřuje velikost práce za jeden oběh. ( p x V - N/m2 x m3 = J)
Ano, je účelem vytvořit co největší plochu v diagramu.

3) Motor pana Šolce má evidentně podstatně větší setrvačník. Jejich velikost jsem na svých čtyřech motorech podcenil - nechtěl jsem příliš zatěžovat ložiska a zvyšovat valivý odpor. Navíc jsem využil hotové součásti - staré válečkové kalibry menších rozměrů. Pan Šolc si nechal uříznout ve Feroně dva špalíky oceli o průměrech 100 a 90 mm
a šířkách 36 a 25mm. Pro zajimavost jejich momenty setrvačnosti jsou I = 0,5mR2 ->
I1 = 0,5 x 2,262 x (0,05)2 = 0,0028 kgm2 a I2 = 0,5 x 1.413 x (0,045)2 = 0,00143 kgm2
Celkem je tedy moment setrvačnosti 0,00423 kgm2
Moment setrvačnosti vytlačuje páru z válce - energie setrvačníku je Wk = 0,5 x I x kvadrát úhlové rychlosti.
Momenty setrvačnosti na mých motorech jsou přibližně 5-6 krát menší.

4)Vstup a výstup páry šoupátkem by se měl odehrát co nejrychleji! Nejlépe skokově a naráz. Pokud v rotoru šoupátka bude kruhový otvor který se plynule otáčí a překrývá přes kruhový tvar trubičky, potom dochází ke škrcení páry a tím ke ztrátám. Mnohem rychlejší je vstup páry překrývá-li se čtverec se čtvercem. Tuto úpravu je možno udělat. Naše rotační šoupátka jsou kompromisem - otvor v rotoru je vyfrézován, tudíž se překrývá kruh s obdélníkem.
Některé parní motory mají tzv. narážkový systém, který šoupátko otevírá skokem.

5) Sporná pružina pana Šolce - už loni rozvířila debatu. Tentokrát se opakovanými pokusy ukázalo, že vliv pružiny na výkon není žádný. Úbytek jsme nezaznamenali, ba ani přínos. Pan Šolc tvrdí, že při velmi vysokých otáčkách stabilizuje chod, což je velmi pravděpodobné.

6) Pro zájemce zde uvedu parametry motoru pana Šolce a postup výroby odlévaného pístu. Není to tak složité, jak by se zdálo. A je to výzva, posunout se kousek dál.
Mnoho se dozvíte na jeho parních stránkách http://parnistroj.blogspot.cz/

Válec: Hliníková, nebo duralová trubka D = 50mm, d = 45mm, L = 220mm
Píst: Odlitý z klempířské tyčky pájecího cínu 60%Sn, 40%Pb, odlitý přímo do trubky položené nastojatu na ocelovou
desku, tloušťka 15mm, rozpohybovat, vrtat díru pro pístní tyč - Cu trubička, zdvih pístu = 40mm (stejným
způsobem je odlito i zaslepení jedné strany válce
Základna: Ocelová deska 5 x 250 x 400mm
Vše koupeno ve Feroně Holešovice
Pro měření : Namontován krokový motorek 57HS09 - připojen řemenovým převodem.


Tak to byl stručně😀Letošní přínos pana Šolce. Jak vidíte z jeho stránek, výrobou parních motorů se zabývá delší dobu
a popsaný motorek je jeho nejmenší. On sám se vyvíjí směrem k víceválcovým membránovým motorům, které pohání dva papiňáky. Nenechte se tedy odradit od jednoduššího membránového stroje, zvláště když prozradím upřímná slova autora - ne každý píst ve válci se povede vyrobit napoprvé.

Přeji všem kutilům hodně invence a trpělivosti.

Jiří Toman