CC BY
80
Общетехнические и социальные проблемы
УДК 629 422
А. А. Тимофеев, А. С. Краснов
ОСОБЕННОСТИ И ВЗАИМНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ ИНДИКАТОРНЫХ ДИАГРАММ СТАЦИОНАРНЫХ И ПАРОВОЗНЫХ ПАРОВЫХ МАШИН
Индикаторные диаграммы являются основой при разработке и эксплуатации паровых машин и паровозов. Неверное их прочтение или сравнение приводит к неправильной оценке работы приводимого механизма в целом. Из индикаторных диаграмм находится необходимая для основных расчетов величина - среднее индикаторное давление, а их площади служат основным показателем эффективности паровых машин. Рассмотрены идеальные, действительные, теоретические и ожидаемые диаграммы и их отличия.
индикаторная диаграмма, паровая машина, паровоз.
Введение
Процессы, происходящие с паром в рабочем цилиндре паровой машины, можно представить в виде классических P-V-диаграмм. Такие диаграммы представляют собой циклы, состоящие из нескольких термодинамических процессов, слагающих фазы цикла и расположенных в определенном порядке. При наличии золотникового парораспределения с перекрышами, обычно употребляемого на паровозах, вместо двух фаз впуска и выпуска будет четыре фазы: впуск, расширение, выпуск и сжатие. Эти фазы называют основными. Кроме того, существуют две дополнительные (или второстепенные) фазы: предварение впуска и предварение выпуска. В диаграммы с низкой точностью построения могут не входить одна или обе дополнительные фазы, а иногда и фаза сжатия.
1 Сущность индикаторных диаграмм
Все P-V-диаграммы, используемые для паровых машин, имеют общее название - индикаторные, по названию прибора - индикатора, с помощью которого они экспериментально получаются и показывают давление пара на поршень в любой точке его перемещения по цилиндру. Их площади служат основным показателем эффективности работы паровой машины, поэтому иногда диаграммы называются рабочими диаграммами и применяются как при конструировании новых паровых машин, так и при эксплуатации действующих. Умелое пользование диаграммами и
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
213
правильный их выбор способствуют грамотной наладке паровых машин и выявлению возможных неисправностей.
Из-за отсутствия четкого разделения индикаторных диаграмм, отличающихся друг от друга, возникают ошибки, влияющие на расчетные величины, которые берутся из диаграмм, и, как следствие, результаты расчета не совпадают с данными, полученными экспериментальным путем, проектные значения не совпадают с действительными и т. п. Поэтому при любой работе с индикаторными диаграммами (например, при их построении или снятии индикатором с работающей паровой машины и особенно при сравнении диаграмм) следует учитывать их различия между собой.
В печатных изданиях, посвященных паровым машинам и паровозам, в разные годы авторами использовались различные обозначения и разнообразная терминология. Эти различия приносят существенные неудобства и ошибки. Анализируя информацию по индикаторным диаграммам, удалось подобрать наиболее приемлемые и распространенные их названия, которые используются ниже.
Так как поршень разделяет паровой цилиндр на две рабочие полости, то и P-V-диаграмм для данного цилиндра будет две, для каждой полости своя. При нормальной работе паровой машины обе диаграммы будут похожи в зеркальном отражении, поэтому обычно вычерчивают диаграмму только для одной из полостей. Полной симметрии относительно вертикальной оси эти диаграммы не имеют из-за различия объемов двух полостей цилиндра. Различия обусловлены присутствием штока, а иногда и контрштока, конструктивным отличием крышек цилиндра и т. п.
В настоящее время индикаторной диаграммой работы пара в цилиндре называют графическое изображение зависимости давления пара от объема в одной полости цилиндра паровой машины. Несмотря на внешнее сходство, индикаторные диаграммы существенно различаются, в основном по термодинамическому циклу, изображенному на них. В зависимости от цикла, показанного на диаграмме, она может быть идеальная, теоретическая или действительная.
2 Идеальные и действительные индикаторные диаграммы
Идеальные циклы впервые достаточно подробно описал С. Карно. При рассмотрении паровой машины он вводил допущение, что все превращения рабочего тела, то есть нагревание воды и испарение, превращение энергии пара в работу и охлаждение пара происходят в рабочем цилиндре, при этом ход поршня ничем не ограничен и падение давления пара при расширении может происходить до давления выпуска пара из паровой машины. На практике при устройстве реальных паровых машин эти превращения разделяют между котлом, рабочим цилиндром и
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
холодильником, а ход поршня ограничен, причем используют не только насыщенный пар, рассмотренный С. Карно, но и перегретый, поэтому идеальный цикл работы пара в конкретной машине отличается от классического цикла Карно. Такую диаграмму называют идеальной диаграммой (циклом) Карно для конкретной паровой машины. Она показывает термодинамический цикл рассматриваемой паровой машины, практически не достижимый в реальных условиях.
Иногда эти диаграммы строились с вычетом мертвого (вредного) объема. Их можно назвать условно идеальными и соответственно различать два типа идеальных диаграмм:
• с мертвым объемом;
• без мертвого объема.
В инженерных расчетах используются диаграммы, отвечающие требованиям практики, полученные на работающей паровой машине с помощью специального прибора - индикатора. Такие индикаторные диаграммы оправдывают свое название и именуются действительными индикаторными диаграммами. Их впервые получил изобретатель паровой машины и индикатора Дж. Уатт.
Действительные диаграммы наилучшим образом отображают процессы, проходящие в рабочем цилиндре, но при проектировании паровой машины сама машина отсутствует, поэтому снятие диаграммы индикатором невозможно. Причем надо отметить, что при снятии диаграммы с существующей машины сложно получить объективные сведения, т. к. возможны отклонения от нормальной работы машины из-за множества причин разного характера (наличие трения, пропуск пара в сальниках и др.). Также возможны неточности, связанные с применением несоответствующих или неисправных индикаторов, фиксирующих изменения давления в цилиндре (механическим или иным способом). Эти обстоятельства заставили прибегать к различным методикам графического построения диаграмм, соответствующих действительным.
3 Ожидаемые и теоретические индикаторные диаграммы
Диаграммы, учитывающие или прогнозирующие возможные потери паровой машины, называют ожидаемыми индикаторными диаграммами, которые могут быть весьма разнообразными. Разнообразие заключается в учете той или иной потери. Основное их отличие составляет давление, отложенное по ординате, в зависимости от которого следует различать:
1. диаграммы с котловым давлением, не учитывающие потери давления между котлом и рабочим цилиндром, в которых по ординате откладывается давление в котле;
2. диаграммы с давлением впуска в машину, учитывающие потери давления только между котлом и паровой машиной, в
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
215
которых по ординате откладывается давление впуска в паровую машину;
3. диаграммы с рабочим давлением, показывающие изменение давления в рабочем цилиндре и учитывающие все потери между котлом и рабочим цилиндром, в том числе потери в золотниковой камере и канале, соединяющем ее с рабочим цилиндром. В них по ординате откладывается начальное или среднее давление в рабочем цилиндре в период его наполнения свежим паром.
Третий тип ожидаемых диаграмм наиболее приближен к действительной индикаторной диаграмме.
В грубых расчетах, носящих оценочный характер, используются теоретические индикаторные диаграммы, построенные вручную или с помощью ЭВМ. Такие диаграммы не учитывают малых потерь теплоты в паровой машине, а иногда даже значительную потерю от сжатия пара в рабочем цилиндре. Они могут быть, как и ожидаемые диаграммы, различными по давлению, отложенному по ординате, а также:
• без учета хода поршня, то есть когда линия расширения продолжается до пересечения с линией выпуска;
• с учетом хода поршня, когда линия расширения обрывается с окончанием хода поршня.
Естественно, что эти диаграммы дают весьма приближенные результаты. К достоинствам следует отнести простоту и, как следствие, быстроту их построения.
Надо отметить, что процесс расширения, входящий в индикаторные диаграммы, будет различным. Идеальные диаграммы имеют адиабату расширения, показатель которой зависит от состояния пара. В остальных случаях при насыщенном паре линия расширения является изотермой, при перегретом - политропой, показатель которой также зависит от состояния пара.
4 Общий вид индикаторных диаграмм
Отклонение какой-либо части действительной индикаторной
диаграммы от нормального вида указывает на определенную неисправность паровой машины.
На рисунке представлен общий нормальный вид и взаимное положение различных индикаторных диаграмм, используемых для паровых машин:
A*B*C*D*A* - идеальная индикаторная диаграмма с мертвым объемом.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
ОбЩетехнические и социальные проблемы
ATBTCT*DTETAT - теоретическая индикаторная диаграмма без учета хода поршня;
АтВтСтС\^тЕтАт - теоретическая индикаторная диаграмма с учетом хода поршня;
AE\A\BB\CC\DD\EA - ожидаемая индикаторная диаграмма с возможными потерями теплоты, в которую вписана действительная индикаторная диаграмма, вычерченная индикатором.
Индекс «*» относится к идеальной диаграмме, индекс «т» - к теоретической.
Наибольший интерес представляет ожидаемая индикаторная диаграмма, как максимально приближеная к действительной. Она является замкнутой ломаной линией, в которую почти вписывается замкнутая кривая действительной индикаторной диаграммы.
Общий вид и взаимное положение различных индикаторных диаграмм при наличии стандартных потерь теплоты паровой машины
Последовательно рассмотрим ожидаемую индикаторную диаграмму: А - начало хода поршня (точка перемены хода поршня);
Е\ - точка полного открытия золотниковых окон на впуск;
ISSN \8\5-588 X. Известия ПГУПС 2008/\
Общетехнические и социальные проблемы
217
А1 - начало закрытия золотниковых окон на впуск;
В - точка полного закрытия золотниковых окон на впуск (точка отсечки пара). Начало расширения пара;
В1 - точка открытия золотниковых окон на выпуск. Начало предварения выпуска;
С - начало обратного хода поршня (вторая точка перемены хода поршня). Точка конца расширения и начала выталкивания пара;
С1 - точка полного открытия золотниковых окон на выпуск;
D - начало закрытия золотниковых окон на выпуск;
D1 - полное закрытие золотниковых окон на выпуск. Начало сжатия пара;
Е - точка открытия золотниковых окон на впуск. Начало предварения впуска.
В теоретической диаграмме следует обратить внимание на точки:
Ст - теоретическая точка конца расширения и начала предварения выпуска пара (при учете хода поршня);
С*т - теоретическая точка, идеализирующая положение конца расширения и начала выпуска пара (без учета хода поршня);
С1т - теоретическая точка начала выпуска пара (при учете хода поршня).
Кроме того, на рисунке обозначены:
S - ход поршня, мм;
5т - теоретический ход поршня, мм;
S* - идеальный ход поршня, мм;
Р - котловое давление, кгс/см ;
2
Р1 - давление впуска в паровую машину, кгс/см ;
Р2 - давление конца наполнения цилиндра, кгс/см ;
2
Р3 - давление конца расширения, кгс/см ;
2
Р3т - теоретическое давление конца расширения, кгс/см ;
2
Р4 - давление выпуска пара, кгс/см ;
Ро - атмосферное давление, кгс/см ;
а - степень наполнения цилиндра, мм;
b - линейное предварение выпуска, мм;
с - продолжительность сжатия, мм;
ст - теоретическая продолжительность сжатия, мм;
d - линейное предварение впуска, мм;
m - линейная величина мертвого (вредного) пространства, мм.
Итак, основные фазы индикаторных диаграмм следующие:
АВ (АтВт, А В ) - наполнение цилиндра (впуск пара);
* Ф Ф
ВВ] (ВтСт, ВтСт , ВС ) - расширение пара;
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Об8цетехнические и социальные проблемы
* * *
CD (C1tDt, Ct Dt, CD) - выпуск пара;
* *
DE (DtEt, D А ) - сжатие пара.
Дополнительные фазы:
ЕА (ЕтАт) - предварение впуска;
ВС (СТС1т) - предварение выпуска.
В таблице представлены индикаторные диаграммы, используемые для паровых машин.
ТАБЛИЦА
Фазы индикаторной диаграммы Индикаторная диаграмма
Идеальная Теоретическая Действительная
Основные фазы
Впуск А*В* АтВт АВ
Расширение В*С* * Вр^^т, Вр^^т ВВ1
Выпуск C*D* C^It-^Dt, C^t Dt CD
Сжатие D*A* dtet DE
Дополнительные фазы
Предварение впуска - ЕТАТ ЕА(ЕЕ1)
Предварение выпуска - С^т^^1т ВСВС)
Одновременное рассмотрение индикаторных диаграмм различных типов дает возможность оценить излишние потери теплоты, возникающие при работе паровой машины, и наметить пути по их уменьшению. Например, потеря при точке С1 может быть сведена к минимуму путем своевременного открытия золотниковых окон на выпуск. Потери при точке А практически может не быть, если полное открытие впускных окон (точка Ei) совпадет с точкой перемены хода А, что может быть достигнуто также своевременным открытием золотниковых окон, но уже на впуск пара, тогда точка А совпадет со своей теоретической точкой Ат и потери теплоты при А не будет.
Как видно из рисунка, для уменьшения потерь теплоты точки ожидаемой диаграммы A, B, C, C1, D, E должны стремиться к своим теоретическим точкам Ат, Вт, Ст, С1т, Dt, Ет.
Заключение
Таким образом, индикаторных диаграмм, существенно отличающихся друг от друга, будет 12. Две из них - идеальные диаграммы, показывающие идеальный цикл для данной паровой машины, одна
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы 219
действительная, отображающая реально происходящий цикл, три ожидаемые и три теоретические диаграммы, различные по давлению, а также еще три теоретические диаграммы, не учитывающие ход поршня.
При выборе типа диаграммы нужно руководствоваться степенью точности, отвечающей поставленной научно-технической задаче. Причем при построении, сравнении и нахождении из диаграмм расчетных величин следует обращать особое внимание на их масштабный коэффициент и размерность, а также помнить, что индикатор всегда вычерчивает действительную индикаторную диаграмму изменения давления в рабочем цилиндре.
После построения выбранной диаграммы считают ее площадь, которую можно заменить прямоугольником такой же площади с основанием, равным ходу поршня, при этом высота прямоугольника по ординате будет называться средним индикаторным давлением. Эта величина является основной при конструировании стационарных и паровозных паровых машин.
Понимание особенностей индикаторных диаграмм, а также правильное их построение и прочтение обеспечит в работе с паровыми машинами и паровозами наиболее точные результаты.
Библиографический список
• Паровозы: устройство, работа, ремонт / Н. К. Прозоров, М. Б. Вигдорчик. - М. : Транспорт, 1986. - 368 с.
• Паровоз. Устройство, работа и ремонт / А. Б. Хмелевский, П. И. Смушков. - М. : Транспорт, 1979. - 414 с.
• Тепловой процесс паровоза / С. П. Сыромятников. - М. : Издательство академии наук СССР, 1955. - 484 с.
• Энергоснабжение железнодорожных узлов. Тепловая часть. Т. 2. - М. : Трансжелдориздат, 1941. - 550 с.
УДК 621.331
В. Т. Черемисин, Ю. В. Кондратьев, О. О. Комякова, С. Я. Привалов
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ САЛЬДИРОВАННОГО УЧЁТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ТЯГУ ПОЕЗДОВ
Уравнительные токи, протекающие по тяговой сети переменного тока электрических железных дорог, вызывают возврат электрической энергии из системы тягового в систему внешнего электроснабжения. Кроме того, возврат электрической энергии обусловлен избыточной энергией рекуперации электрического подвижного состава. Энергия, возвращаемая в сети внешнего
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
