Паросиловая установка с поршневым двигателем, механизм парораспределения для парового поршневого двигателя

Изобретение относится к двигателестроению. Механизм парораспределения содержит штанги, толкатели и рычажный механизм, органы парораспределения выполнены в виде односедельных круглых клапанов, установленных в крышках цилиндров и приводимых в действие посредством профилированных в радиальном и осевом направлениях кулачков на распределительных валах; клапаны установлены с возможностью максимального прижатия к седлам, а распределительные валы - с возможностью перемещения в осевом направлении для количественного регулирования двигателя. Паросиловая установка содержит гидравлически последовательно соединенные между собой паровой котлоагрегат, поршневой двигатель двойного расширения, конденсационную установку и упомянутый механизм парораспределения. Изобретение обеспечивает повышение экономичности и маневренности паросиловой установки за счет уменьшения потерь энергии рабочего тела при сокращении объемов вредных пространств в рабочих цилиндрах и оптимизации управления рабочим процессом двигателя, а также улучшение массогабаритных показателей паросиловой установки. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и касается усовершенствования паросиловых установок и поршневых паровых двигателей.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично изображена принципиальная схема поршневого парового двигателя.

На фиг.2 схематично изображена кинематическая схема механизма парораспределения для поршневого двигателя паросиловой установки.

Известна паросиловая установка, содержащая гидравлически последовательно соединенные между собой паровой котлоагрегат, поршневой двигатель двойного расширения, конденсационную установку и механизм парораспределения (RU 2143347 С1, опубликовано 27.12.1999).

Известен механизм парораспределения для парового поршневого двигателя, содержащий органы парораспределения (Высота И.И. Судовые паровые машины. Издательство «Речной транспорт». 1961. Часть II, с.146-151, 220-221).

Недостатками известных конструкций являются:

- невозможность применения при организации многоклапанного парораспределения, а также при компоновке двигателя, отличающейся от рядной;

- относительно большие объемы вредных пространств в цилиндрах вследствие больших размеров впускных и выпускных клапанов, большая их инерционность;

- большие массогабаритные показатели.

Задачей изобретения является повышение экономичности и маневренности работы паросиловой установки и уменьшение ее массогабаритньгх показателей.

Технический результат изобретения состоит в повышении экономичности и маневренности паросиловой установки за счет уменьшения потерь энергии рабочего тела при сокращении объемов вредных пространств в рабочих цилиндрах и оптимизации управления рабочим процессом двигателя и снижении массогабаритньгх показателей при использовании двукратного расширения и бесшатунного механизма.

Регулирование каждого рабочего цилиндра двигателя (фиг.2) осуществляется одновременным осевым перемещением распределительных валов (поз.5) с установленными на них кулачками переменного в осевом направлении профиля (поз.6) с помощью шлицевых муфт (поз.7), а реверс - одновременным поворотом этих валов вокруг их осей на 180° с помощью винтовых муфт (поз.8), что позволяет в рабочем диапазоне частот вращения значительно повысить маневренность двигателя. Распределительные валы приводятся от кривошипа двигателя посредством зубчатой передачи (поз.9).

Положительный результат достигается тем, что в качестве органов парораспределения применено необходимое количество небольших по размеру и массе (следовательно, малоинерционных) односедельных круглых, не разгруженных от осевой силы клапанов.

Все крышки цилиндров имеют сходную конструкцию: на крышке расположены впускной клапан (поз.10), два выпускных клапана (поз.11) и, только на нижних крышках, узел уплотнения поршневого штока (поз.12). Впускные и выпускные клапаны установлены в крышках рабочих цилиндров таким образом, что избыточное максимальное давление пара всегда прижимает их к седлам, что сводит к минимуму все возможные утечки, т.е. впускной клапан открывается в подводящий канал пара высокого давления, а выпускные - в рабочую полость цилиндра.

Таким образом, значительно сокращаются объемы вредных пространств и соответствующие им площади вредных поверхностей за счет уменьшения длин паровых каналов со стороны рабочей полости в крышках цилиндров и проточек под клапаны, что ведет к уменьшению расхода пара машиной, а также практически исключаются удары клапанов о поршни двигателя.

Также на крышках цилиндров смонтированы элементы механизма привода клапанов: для впускных клапанов предусмотрен привод через двухрычажный механизм (поз.13) от индивидуальных кулачков, для выпускных - общий одновременный рычажный привод (поз.14) на оба клапана от одного кулачка.

Для оптимизации парораспределения в целях повышения мощности и экономичности двигателя на различных режимах работы целесообразно в приводе распределительных валов применение корректирующих приводов шлицевых муфт (поз.15), управляемых ЭВМ.

Эффект от предлагаемых мероприятий можно оценить из анализа следующих формул.

Суммарный расход пара (по методу Грассмана):

D=D_i'+D_i′′,

где D_i' - величина расхода пара идеальной одноцилиндровой машиной, данная составляющая зависит только от термодинамических параметров идеального цикла;

D_i′′ - величина, учитывающая все потери в машине, определяемая по эмпирической формуле Грассмана:

,

где τ, М - коэффициенты, зависящие от исполнения двигателя и его быстроходности;

h₁, P₁, P_im - термодинамические параметры идеального и расчетного цикла двигателя;

n - частота вращения выходного вала двигателя;

S - ход поршня;

Q₂ - величина вредной поверхности цилиндра низкого давления - уменьшается при реализации предлагаемого парораспределения;

F_п - площадь поршня соответствующего цилиндра.

Из анализа приведенных формул следует, что при сохранении всех прочих термодинамических и механических параметров двигателя уменьшение величины вредной поверхности Q₂ в рабочем цилиндре двигателя приводит к уменьшению составляющей потерь D_i", что ведет к общему снижению расхода пара двигателем D.

Влияние парораспределения на расход пара можно оценить при анализе соответствия линии расширения пара в цилиндре двигателя политропе расширения идеального цикла. При несовершенном парораспределении линия расширения искажается, что ведет к уменьшению полезной работы в цикле, и, как следствие, двигатель не развивает требуемую мощность при данном расходе пара. Оптимизированное парораспределения должно обеспечить стремление линии расширения пара в цилиндре двигателя политропе расширения теоретического цикла.

Таким образом, расчетный расход пара двигателем стремится к минимально возможному - расходу идеальным двигателем при тех же параметрах пара.

Изобретение позволяет повысить экономичность и маневренность парового двигателя и, как следствие, паросиловой установки в целом за счет уменьшения потерь энергии рабочего тела при сокращении объемов вредных пространств в рабочих цилиндрах и оптимизации управления рабочим процессом двигателя, а также улучшить массогабаритные показатели паросиловой установки.

1. Механизм парораспределения для поршневого двигателя, содержащий органы парораспределения, отличающийся тем, что снабжен штангами, толкателями и рычажным механизмом, а органы парораспределения выполнены в виде односедельных круглых клапанов, установленных в крышках рабочих цилиндров и приводимых в действие посредством профилированных в радиальном и осевом направлениях кулачков, расположенных на распределительных валах, причем клапаны установлены с возможностью максимального прижатия их к седлам под действием избыточного давления пара, а распределительные валы имеют возможность перемещения в осевом направлении для количественного регулирования двигателя (отдельных цилиндров в частности) посредством штанг, толкателей и рычажного механизма.

2. Паросиловая установка, содержащая гидравлически последовательно соединенные между собой паровой котлоагрегат, поршневой двигатель двойного расширения, конденсационную установку и механизм парораспределения, отличающаяся тем, что механизм парораспределения выполнен по п.1.