Satelitowe maszyny wyporowe. Podstawy projektowania i analiza strat energetycznych. Monografia nr 155

Satelitowe maszyny wyporowe. Podstawy projektowania i analiza strat energetycznych. Monografia nr 155

rok wydania: 2016, wydanie pierwsze
ilość stron: 289
ISBN: 978-83-7348-664-5

Opis
Monografia poświęcona jest najnowszym konstrukcjom pomp i silników hydraulicznych satelitowych, nad którymi prace projektowe, badawcze i rozwojowe są prowadzone w laboratorium Hydrauliki i Pneumatyki Politechniki Gdańskiej od 2007 roku.

W monografii wykazano, że możliwe jest zbudowanie maszyn satelitowych dla dwóch przypadków pracy satelitowego mechanizmu roboczego. Pierwszy przypadek dotyczy mechanizmu z obracającą się planetą, zaś drugi z obracającą się obwodnicą. Dla obydwu przypadków opisano metodykę projektowania rozrządu, zespołu kompensacji luzów osiowych, w tym sposoby kształtowania pól kompensacji. Opisano również eksperymentalne metody weryfikacji poprawności działania rozrządu i kompensacji.

Bardzo istotną częścią monografii jest analiza wpływu dwóch cieczy o skrajnie różniących się parametrach, tj. wody i oleju mineralnego, na straty ciśnieniowe, objętościowe i mechaniczne w pompie i w silniku satelitowym. W tym celu wskazano źródła tych strat oraz dokonano ich analizy. Na podstawie tej analizy opracowano i opisano model matematyczny strat w pompie i w silniku.

Monografia przeznaczona jest dla konstruktorów i użytkowników maszyn hydraulicznych oraz naukowców podejmujących się badań rozwojowych nad satelitowymi maszynami wyporowymi.

Spis treści
Wykaz ważniejszych oznaczeń / 9
1. Wstęp / 11
2. Mechanizmy robocze satelitowych maszyn wyporowych / 13
2.1. Możliwości kojarzenia liczb garbów w krzywych satelitowych / 13
2.2. Liczba satelitów, komór roboczych i cykli napełniania komór na jeden obrót wału / 15
2.3. Objętość komory roboczej, chłonność i nierównomierność chłonności mechanizmu satelitowego  / 15
3. Historyczny zarys znanych rozwiązań konstrukcyjnych maszyn satelitowych / 18
3.1. Maszyna rotacyjna / 18
3.2. Silniki satelitowe / 19
3.2.1. Silnik SOK / 19
3.2.2. Silnik HF (SP) / 20
3.2.3. Silnik HS / 21
3.2.4. Silnik HSK / 22
3.2.5. Silnik SM / 23
3.2.6. Silnik z mechanizmem satelitowym 4×5 / 24
3.2.7. Silnik z obracającym się korpusem  / 24
3.3. Pompy satelitowe / 25
3.3.1. Pompa satelitowa zdwojona typu 4PI / 25
3.3.2. Pompa PSM  / 26
3.4. Satelitowa maszyna wyporowa o zmiennej objętości roboczej / 27
4. Cel i zakres pracy  / 28
5. Cechy mechanizmu satelitowego II typu / 30
5.1. Podstawowe wymiary geometryczne planety / 30
5.2. Warunki dotyczące kształtu planety / 31
5.3. Kąty graniczne / 32
5.3.1. Pierwszy kąt graniczny / 32
5.3.2. Drugi kąt graniczny / 33
5.4. Współrzędne linii podziałowej zębów obwodnicy / 33
5.5. Proces napełniania komór roboczych i chwilowa objętość robocza / 34
5.6. Prędkości i przyśpieszenia satelity w układzie: obracająca się planeta i nieruchoma obwodnica / 36
5.6.1. Prędkość kątowa oraz przyśpieszenie kątowe / 36
5.6.2. Prędkość liniowa oraz przyśpieszenie liniowe / 38
6. Moment teoretyczny mechanizmu satelitowego II typu / 41
6.1. Ramię r działania siły Fp / 42
6.2. Satelita s1 w zakresie α= (0, α1) / 42
6.3. Satelita s1 w zakresie α= (α1, α2) / 45
6.4. Satelita s1 w zakresie α= (α2, 2αp) / 48
6.5. Charakterystyki składowych momentu teoretycznego / 48
7. Rozrząd satelitowej maszyny wyporowej / 53
7.1. Projektowanie otworów dopływu i odpływu cieczy w maszynie o nieruchomej obwodnicy / 53
7.1.1. Projektowanie otworu dopływu i odpływu o maksymalnym polu / 54
7.1.2. Kształtowanie otworu dopływu i odpływu / 55
7.1.3. Przekrycia w rozrządzie mechanizmu satelitowego / 55
7.1.4. Projektowanie okrągłego otworu dopływu i odpływu / 56
7.1.5. Liczba otworów w płycie rozrządu i ich rozmieszczenie / 56
7.2. Projektowanie otworów dopływu i odpływu cieczy w maszynie o nieruchomej planecie / 57
7.2.1. Projektowanie otworu dopływu i odpływu o maksymalnym polu / 59
7.2.2. Kształtowanie otworu dopływu i odpływu / 59
7.2.3. Liczba otworów w płycie rozrządu i ich rozmieszczenie / 60
8. Pola przepływu i prędkości przepływu cieczy w otworach rozrządu / 62
8.1. Pole przepływu i prędkość przepływu cieczy w otworze o kształcie oka –  przypadek obracającej się planety / 63
8.2. Pole przepływu i prędkość przepływu cieczy w okrągłym otworze rozrządu – przypadek obracającej się planety / 64
8.3. Pole przepływu i prędkość przepływu cieczy w otworze o kształcie nerki – przypadek obracającej się obwodnicy / 65
8.4. Wnioski / 66
9. Projektowanie zespołu kompensacji luzów osiowych / 68
9.1. Znane wytyczne projektowania kompensacji luzów osiowych / 68
9.2. Rozkład ciśnienia na powierzchni płyt rozrządu / 69
9.2.1. Pola działania ciśnień na płytki rozrządu mechanizmu satelitowego z obracającą się planetą / 70
9.2.2. Pola działania ciśnień na płytki rozrządu mechanizmu satelitowego z obracającą się obwodnicą / 71
9.3. Siły odpychające płytki rozrządu / 72
9.3.1. Rodzaj sił odpychających / 72
9.3.2. Siła wypadkowa odpychająca płytki rozrządu od mechanizmu satelitowego z obracającą się planetą / 73
9.3.3. Siła wypadkowa odpychająca płytki rozrządu od mechanizmu satelitowego z obracającą się obwodnicą / 73
9.3.4. Metoda uproszczona obliczenia siły wypadkowej odpychającej płytki rozrządu / 73
9.4. Deformacja płyt rozrządu / 75
9.5. Obciążenie płyty rozrządu ciśnieniem kompensacji / 75
9.5.1. Sposoby kształtowania kompensacji w maszynach z obracającą się planetą / 76
9.5.2. Sposoby kształtowania kompensacji w maszynach z obracającą się obwodnicą / 77
9.5.3. Rozwiązanie kompensacji uniwersalne / 79
9.6. Ustalanie wymiarów geometrycznych pola kompensacji / 79
9.6.1. Warunki równowagi płyty kompensacyjnej / 80
9.6.2. Średnice pola kompensacji / 81
10. Konstrukcje satelitowych maszyn wyporowych / 85
10.1. Silnik satelitowy SM / 85
10.2. Obliczenia numeryczne zespołu kompensacji w silniku SM / 86
10.3. Pompa satelitowa PSM / 94
10.4. Satelitowy agregat pompowy SAP / 95
10.5. Obliczenia numeryczne zespołu kompensacji w pompie agregatu SAP / 98
10.6. Silnik satelitowy SWK / 101
10.7. Obliczenia numeryczne zespołu kompensacji w silniku SWK / 102
11. Ciecze robocze maszyn satelitowych / 105
11.1. Olej mineralny / 105
11.2. Woda / 106
11.3. Emulsja HFA-E / 106
11.4. Olej roślinny / 107
12. Badania tribologiczne materiałów par kinetycznych mechanizmu satelitowego dla przypadków smarowania emulsją HFA-E, wodą, olejami roślinnymi oraz olejem mineralnym / 109
12.1. Próbki do skojarzeń symulujących skojarzenie ślizgowe w mechanizmie roboczym silnika i ciecze smarujące / 109
12.2. Aparatura badawcza / 111
12.3. Wyniki badań właściwości smarnych cieczy / 111
12.4. Wyniki badań odporności na zacieranie w styku konforemnym w warunkach tarcia ślizgowego przy zmiennych warunkach wymuszenia / 114
12.4.1. Próbki i metoda oceny odporności na zacieranie par materiałowych w warunkach smarowania rozmaitymi cieczami / 114
12.4.2. Przykładowe charakterystyk i prędkości, obciążenia, momentu tarcia i współczynnika tarcia / 116
12.4.3. Zestaw materiałów z wyłączeniem stali nierdzewnej / 117
12.4.4. Zestaw substancji smarowych ze stalą nierdzewną / 121
12.4.5. Ocena maksymalnej obciążalności w warunkach smarowania olejem roślinnym (ORR-S) / 122
12.4.6. Wnioski końcowe / 125
12.5. Wytypowanie materiału na satelitowy mechanizm roboczy i płyty kompensacyjne / 126
13. Uszczelnianie wału maszyn satelitarnych / 127
13.1. Problematyka uszczelnień wału / 127
13.2. Przyrząd do badania uszczelnień w ruchu obrotowym / 127
13.3. Uszczelnienia wytypowane do badań / 128
13.4. Charakterystyka materiałów tulejek / 129
13.5. Metodyka prowadzenia badań / 129
13.6. Wyniki badań przy p= const i n= var / 130
13.7. Wyniki badań trwałościowych / 131
13.8. Podsumowanie / 135
14. Weryfikacja poprawności działania rozrządu i zespołu kompensacji luzów osiowych / 136
14.1. Pomiar zmiany odległości między płytkami kompensacyjnymi w silniku obciążonym / 136
14.2. Ocena zespołu kompensacji luzów osiowych poprzez pomiar przecieków w szczelinach czołowych planety silnika / 138
14.3. Układ pomiarowy / 139
14.4. Sposób pomiaru ciśnienia w komorach roboczych mechanizmu satelitowego / 140
14.5. Wyniki badań eksperymentalnych pompy i silnika przy n= 1 obr/min / 141
14.5.1. Wyniki badań silnika zasilanego olejem i wodą / 141
14.5.2. Wyniki badań pompy tłoczącej olej i wodę / 148
14.6. Mechanizm powstawania przecieków w szczelinach płaskich i w rozrządzie / 149
14.7. Przecieki w szczelinach płaskich mechanizmu satelitowego. Weryfikacja działania kompensacji luzów osiowych / 152
15. Spadek ciśnienia w kanałach wewnętrznych pompy i silnika / 155
15.1. Metody pomiaru spadku ciśnienia w kanałach wewnętrznych / 156
15.1.1. Metoda 1 / 156
15.1.2. Metoda 2 /158
15.2. Modele matematyczne strat ciśnienia w kanałach wewnętrznych maszyn wyporowych / 160
15.2.1. Znane modele strat ciśnienia / 160
15.3. Wyniki badań spadku ciśnienia w kanałach wewnętrznych pompy i silnika według metody 2 / 162
15.3.1. Wyniki badań spadku ciśnienia w kanałach wewnętrznych pompy PSM tłoczącej wodę / 162
15.3.2. Wyniki badań spadku ciśnienia w kanałach wewnętrznych silnika SM / 169
15.4. Symulacje przepływu cieczy w pompie PSM i w silniku SM / 173
15.4.1. Uproszczenie modelu obliczeniowego oraz siatka MES / 174
15.4.2. Warunki brzegowe / 175
15.4.3. Zdefiniowanie podstawowych właściwości cieczy i charakteru przepływu / 176
15.4.4. Wyniki symulacji przepływu wody i oleju w pompie / 177
15.4.5. Wyniki symulacji przepływu wody i oleju w silniku / 182
15.4.6. Spadek ciśnienia w kanałach wewnętrznych pompy i silnika / 186
16. Modele matematyczne natężenia przepływu cieczy w szczelinach płaskich mechanizmu roboczego / 189
16.1. Znane modele natężenia przepływu cieczy w szczelinach płaskich / 189
16.2. Proponowane modele natężenia przepływu cieczy w szczelinach płaskich mechanizmu satelitowego / 189
16.2.1. Model pierwszy / 191
16.2.2. Model drugi / 196
16.2.3. Porównanie modelu pierwszego z drugim / 200
17. Model matematyczny natężenia przepływu cieczy w szczelinach rozrządu / 202
17.1. Znane metody opisu natężenia przepływu cieczy w szczelinach rozrządu / 202
17.2. Proponowany model natężenia przepływu cieczy w szczelinach rozrządu / 204
18. Straty objętościowe / 212
18.1. Znane metody opisu strat objętościowych / 212
18.2. Proponowany opis matematyczny strat objętościowych / 215
18.2.1. Strata objętościowa ∆Qfc zależna od ściśliwości cieczy / 215
18.2.2. Strata objętościowa ∆Qdch spowodowana sprężystą deformacją komór roboczych / 216
18.2.3. Strata objętościowa ∆Qb zależna od wielkości luzów międzyzębnych i wierzchołkowych  /217
18.2.4. Strata objętościowa ∆Qid zależna od bezwładności satelitów i cieczy w komorach oboczych i zależna od właściwości cieczy / 217
18.2.5. Przecieki zewnętrzne Qex / 217
18.2.6. Przyrost objętości roboczej ∆V / 217
18.2.7. Prędkość obrotowa silnika i strata prędkości / 218
18.3. Wyniki badań eksperymentalnych pompy i silnika / 218
18.3.1. Wyniki badań strat objętościowych w silniku / 218
18.3.2. Prędkość obrotowa silnika i strata prędkości / 221
18.4. Wyniki badań strat objętościowych w pompie / 224
18.5. Współczynniki modelu i symulacje charakterystyk strat objętościowych / 225
18.5.1. Straty objętościowe w silniku / 225
18.5.2. Straty objętościowe w pompie / 228
18.6. Ocena modelu strat objętościowych / 229
18.7. Ocena modelu przyrostu objętości roboczej w silniku i w pompie / 232
18.8. Empiryczny model przyrostu objętości roboczej / 234
19. Straty mechaniczne / 237
19.1. Znane metody opisu strat mechanicznych / 237
19.2. Proponowana metoda opisu strat mechanicznych / 241
19.2.1. Źródła strat mechanicznych / 241
19.2.2. Moment strat w maszynie nieobciążonej / 245
19.2.3. Moment strat w maszynie obciążonej / 246
19.3. Wyniki badań eksperymentalnych strat mechanicznych / 249
19.3.1. Moment strat mechanicznych w nieobciążonym silniku / 249
19.3.2. Moment strat mechanicznych w nieobciążonej pompie / 250
19.3.3. Moment strat mechanicznych w obciążonym silniku / 251
19.3.4. Moment strat mechanicznych w obciążonej pompie / 256
19.4. Współczynniki modelu i symulacje charakterystyk momentu strat mechanicznych / 259
19.4.1. Moment strat mechanicznych w silniku / 259
19.4.2. Moment strat mechanicznych w pompie / 263
19.5. Ocena modelu strat mechanicznych / 266
20. Wpływ oleju rzepakowego i emulsji hfa-e na straty  w satelitowych maszynach wyporowych / 269
20.1. Porównanie strat w silniku satelitowym zasilanym olejem mineralnym i olejem rzepakowym / 269
20.2. Porównanie strat w silniku satelitowym zasilanym emulsją oleju w wodzie typu HFA-E i wodą / 271
20.3. Wyniki badań wstępnych agregatu pompowego SA / 272
21. Podsumowanie / 274
Literatura / 279
Streszczenie w języku polskim / 288
Streszczenie w języku angielskim  / 289