ISTORICUL M.A.I. REALIZARI SI PERSPECTIVE IN DOMENIUL CONSTRUCTIILOR DE MOTOARE NAVALE. DEFINITII ALE NOTIUNILOR CARACTERISTICE. CLASIFICAREA M.A.I.

ISTORICUL M.A.I. REALIZARI SI PERSPECTIVE IN DOMENIUL CONSTRUCTIILOR DE MOTOARE NAVALE. DEFINITII ALE NOTIUNILOR CARACTERISTICE. CLASIFICAREA M.A.I.

1.ISTORICUL M.A.I.

Ritmul inalt de industrializare din secolul al XIX-lea a dus la necesitatea utilizarii unor masini de forta tot mai puternice. S-a actionat in directia perfectionarilor masinilor cu abur, cat si in directia descoperirii unor noi tipuri de masini.

In anul 1860, Lenoir construieste primele motoare mici alimentate cu gaz de iluminat. Aceste motoare functionau dupa fara comprimare. Din aceasta cauza aveau randamente scazute si nu erau competitive cu masinile cu abur, cu care se asemanau foarte mult.

In anul 1862 Beau de Rochas propune o succesiune de operatii, care constituie in principiu ciclul de functionare al motorului cu aprindere prin scanteie in 4 timpi.

In anul 1865 Nicolas A. Otto si E. Langen au construit un motor in 4t, dupa principiul de functionare a lui Beau de Rochas, care folosea combustibil gazos. In 1883 ei au realizat primul motor mai perfectionat, alimentat cu petrol.

A urmat un deceniu in care MAI, alimentate cu gaz sau cu petrol, au functionat dupa ciclul MAS.

In anul 1893 Rudolf Diesel realizeaza un motor la care combustibilul se aprinde datorita temperaturii ridicata a aerului din cilindrii motorului. Acest motor functiona dupa un ciclu in 4 timpi. In scopul obtinerii unor puteri mai mari, la un motor de aceiasi marime si pentru simplificarea distributiei gazelor, in 1897 Dugald Clerk a dezvoltat ciclul in 2t

Fabrica de masini Augsburg (Germania) si fabrica Sulzer (Elvetia) realizeaza in 1897 primele motoare in serie: motoarele monocilindrice de 20 CP la 172 rot/min si c_e = 247 g/Cph. In urmatorii 10 ani se ajunge la motoare cu 4 cilindrii si puteri de 1000 CP.

Primele aplicatii au constat in actionarea masinilor unelte, a morilor, statiilor de pompare si generatoarelor electrice. Din 1910 s-a trecut la utilizarea motoarelor Diesel la locomotive, tractoare si autocamioane.

2. REALIZARI SIPERSPECTIVE IN DOMENIUL CONSTRUCTIILOR DE MOTOARE DIESEL NAVALE

Inceputurile navigatiei se pierd in negura timpurilor foarte indepartate. Pana in secolul al XVII-lea, mersul navelor a fost conditionat de puterea vaslasilor (galerele) si de intensitatea curentilor de aer (velierele). La 25 septembrie 1707, Denis Papin a incercat o nava mica cu masina cu abur avand roti cu zbaturi. Incercarile au fost efectuate pe raul Fulda (Germania). Nava a fost distrusa de marinari, care au considerat-o un pericol pentru activitatea lor. In Franta, Claude de Jouffroy, asociat cu Follenaz, construieste o nava cu roti cu zbaturi, actionate de o masina cu abur, cu care face o demonstratie publica la 15 iulie 1783. Incercari similare au fost efectuate in Anglia si in America, unde John Fitch reuseste sa infiinteze in 1907 un serviciu regulat de navigatie cu nave mici cu propulsie cu abur.

Pentru o perioada de tranzitie de un circa un secol, s-a folosit o solutie mixta, nave cu vele si masini cu abur. La inceputurile anilor 1900 au aparut primele nave la care propulsia era realizata exclusiv cu masini alternative cu abur cu piston. Tot cu aceste masini erau actionate si mecanismele auxiliare ale navelor. In 1910 s-a realizat prima instalatie de propulsie cu turbina cu abur, la care intre turbina si propulsor s-a introdus un reductor.

Instalatiile navale de propulsie cu motoare diesel incep sa fie cunoscute din anul 1903, cand in Rusia a fost construita nava "Vandal" pe care s-au instalat 3 motoare avand fiecare cate 3 cilindrii si dezvoltand 120 CP. Cele trei propulsoare (elice) erau actionate cu electromotoare. Consumul de combustibil al acestei nave reprezenta 24% din cel necesar masinilor cu abur.

Prima instalatie de propulsie cu Turbina cu Gaze s-a construit in Anglia (1951) si a fost montata pe petrolierul maritim "Auris". Incepand din anul 1955 s-au realizat si primele sisteme de propulsie cu energie atomica. Datorita economicitatii reduse, aceste doua sisteme au o utilizare restransa. In tabelul 1.1 sunt prezentate principalele caracteristici ale sistemelor de propulsie utilizate in prezent.

Tab.1.1. Caracteristicile tehnice si economice ale masinilor navale.

Din 1980, propulsia navala cu motoare Diesel detine o pondere de peste 90% din totalul instalatiilor de propulsie navala. Aceasta se datoreaza urmatoarelor avantaje:

a)      o mai buna transformare a energiei chimice a combustibilului in energie mecanica, ceea ce conduce la asigurarea economicitatii maxime (h_e= 40.52% pe ansamblul instalatiei);

b)      motorul poate fi pus in functiune dupa o perioada scurta de timp;

c)      autonomie ridicata, datorita consumului redus de combustibil;

d)      securitate mai mare impotriva aparitiei incendiilor si exploziilor;

e)      eliminarea instalatiei de cazane pentru producerea vaporilor;

f)        temperaturi mai reduse in CM, deci conditii mai bune pentru personalul de deservire;

Dezavantajele Mai sunt:

a)      constructie complexa comparativ cu TA;

b)      nivel ridicat al vibratiilor si zgomotelor;

c)      posibilitati restranse de functionare la turatii mici.

In ultimii ani (1965-1985), s-au conturat doua tipuri principale de instalatii de propulsie cu MAI:

a)      cu motor lent, cuplat direct cu propulsorul;

b)      cu motor semirapid (rapid) cuplat prin reductor cu propulsorul.

Motoarele lente in 2t prezinta avantajele:

a)      cuplarea directa cu propulsorul determina simplificarea constructiei IP si a sigurantei in functionare;

b)      putere mare pe un agregat (pana la 45000kW);

c)      durata mare de functionare intre doua revizii;

d)      posibilitati mai mari de utilizare a combustibilului greu.

Aceste motoare au insa valori mai mari ale masei pe unitatea de putere si de volum al CM. Motoarele semirapide si rapide au avantajele:

a)      masa si volumul CM pe unitatea de putere sunt mai mici cu 40.50%;

b)      costul instalatiei mai redus cu 10-15%;

c)      posibilitatea antrenarii GE de catre MP;

d)      pot fi realizate sisteme de propulsie intr-o gama larga de puteri, cu un singur tip de motor prin alegerea numarului de motoare din instalatie;

e)      uzura cilindrilor, a segmentilor de piston si a pistoanelor mai mica;

f)        posibilitati mai bune de amplasare a CM la bordul navei;

g)      introducerea mai simpla a motoarelor in CM;

h)      siguranta ridicata in exploatare in cazul utilizarii mai multor motoare;

i)        organizarea mai buna a intretinerii in cazul utilizarii a mai multor motoare;

j)        consumul de combustibil redus.

Ca dezavantaje pot fi mentionate:

a)      intretinerea mai dificila a mecanismului de distributie;

b)      posibilitati mai mari de aparitia a defectiunilor, mai multe piese de schimb necesare la bordul navei;

c)      cerinte mai riguroase privind calitatea combustibilului;

d)      nivelul zgomotului mai inalt.

In general, modernizarea motoarelor Diesel navale s-a facut pe urmatoarele cai:

a)      functionarea cu combustibil greu (pacura), cu reducerea uzurii principalelor organe (cilindrii, pistoane, segmenti);

b)      folosirea constructiilor sudate in locul celor turnate, obtinandu-se o importanta reducere de masa (material);

c)      introducerea supraalimentarii si obtinerea unor cresteri importante a puterii dezvoltate;

d)      cresterea p_e, realizata prin imbunatatirea proceselor de transformare energetica;

e)      recuperarea caldurii;

f)        automatizarea.

Cele mai importante firme producatoare de motoare diesel lente sunt: Sulzer, Burmeister & Wein, MAN si Criansk. In domeniul motoarelor semirapide si rapide, firmele cele mai renumite sunt : Caterpilar, Pielstick, Man, Sulzer, Debitz, Mitsubishi, Doxford, Grandi Motori.

In tara noastra, pana in anul 1978 se produceau motoare de puteri reduse in cadrul familiilor ALCO, Sulzer, Maybach, MAN-uri auto, D-uri. Principalele firme producatoare erau "Faur" Bucuresti, "Tractorul" Brasov, I.M. Muscel, I.A. Pitesti s.a. Din 1978, la I.C.M. Resita se produc motoare lente (cu cap de cruce) si semirapide, realizate pe baza licentelor MAN si ALCO.

3. DEFINITII ALE NOTIUNILOR CARACTERISTICE M.A.I.

M.A.I. cu piston este o masina termica (transforma energia produsa prin arderea unui combustibil in lucru mecanic prin intermediul evolutiei unui fluid, numit fluid motor) la care produsele arderii intra in compozitia fluidului motor, iar evolutia acestuia se realizeaza prin intermediul unui piston a carei miscare alternativa in interiorul unui cilindru se transforma in miscare de rotatie de catre mecanismul biela manivela.

M.A.I. reprezinta o masina complexa alcatuita din:

a)      mecanismul motor:

mecanismul biela-manivela (piston, biela, arbore cotit si eventual tija pistonului si cap de cruce);

partea fixa (cilindrul, chiulasa si carterul - rama (cadrul) de fundatie si batiul.

b)      ansamblul de sisteme auxiliare:

sistemul de distributie;

sistemul de alimentare cu combustibil;

(sistemul de aprindere);

sistemul de ungere;

sistemul de racire;

sistemul de pornire

sistemul de inversarea sensului de mars;

(sistemul de supraalimentare).

c)      aparatura de comanda, supraveghere si protectie.

Schema motorului monocilindric din figura alaturata cuprinde mecanismul motor si sistemul de distributie. In cilindrul 1 se deplaseaza pistonul 2 legat de arborele cotit 3 prin intermediul bielei 4. Cilindrul este inchis la partea superioara de chiulasa 5, in care sunt practicate 3 orificii. Doua dintre orificii sunt controlate de catre o supapa: supapa de admisie 6 si supapa de evacuare 7. In cel de-al treilea orificiu se monteaza injectorul 8 (pentru MAC) sau bujia (pentru MAS). Partea inferioara a cilindrului se fixeaza pe carterul motorului, format, in general, din doua parti: carterul superior 9, de care se suspenda lagarele arborelui cotit si carterul inferior 10, care poate contine baia de ulei.

In timpul functionarii, pistonul se deplaseaza intre doua pozitii limita, numite puncte moarte (puncte in care viteza pieselor cu miscare de translatie este nula). Pozitia pistonului care corespunde volumului minim ocupat de fluidul motor se numeste punct mort interior si se noteaza pmi; pozitia pistonului care corespunde volumului  Fig.1.1

maxim ocupat de fluidul motor se numeste punct mort exterior li se noteaza pme.

Spatiul parcurs de piston intre cele doua puncte moarte se numeste cursa pistonului (S), iar diametrul cilindrului alezaj (D). Volumul generat prin deplasarea pistonului in cursa S se numeste cilindree unitara:

[dm³] (1.1)

Suma cilindreelor unui motor policilindric se numeste cilindree totala:

[dm³] (1.2)

unde i reprezinta numarul de cilindrii. Analog se defineste volumul minim si, respectiv, volumul maxim al camerei de ardere:

[dm³] (1.3)

[dm³] (1.4)

Raportul dintre cele doua volume se numeste raport de comprimare:

[ - ] (1.5)

Unghiul facut de manivela cu axa cilindrului se numeste unghi de rotatie a arborelui cotit si se noteaza cu a. Originea unghiului a se alege in pmi, iar numerotarea se realizeaza in sensul de rotatie al motorului. Pentru a RAC arborele cotit efectueaza o rotatie completa, iar pistonul parcurge doua curse. Numarul de rotatii efectuate de arborele cotit intr-un minut , se numeste turatie, se noteaza cu n , si se masoara in rotatii pe minut. Intr unghiul a, turatia m si timpul t_a in care este parcurs unghiul a exista relatia de dependeta:

[ RAC] (1.6)

Se numeste viteza medie a pistonului v_mp   acea viteza constanta cu care pistonul ar parcurge doua curse succesive 2S, in intervalul de timp 60/n [s] in care arborele cotit efectueaza o rotatie:

[m/s] (1.7)

Succesiunea proceselor care se repeta periodic in cilindrul motor se numeste ciclu de functionare (ciclul motor). Partea din ciclul motor care se efectueaza intr-o cursa a pistonului se numeste timp. Daca se noteaza cu t numarul de timpi ai motorului, expresia generala a numarului de cicluri in unitatea de timp este:

[cicluri/sec] (1.8)

Realizarea unui ciclu motor presupune inainte de toate sa se introduca in cilindru fluid proaspat (aer la MAC sau amestec aer-combustibil la MAS); introducerea fluidului proaspat reprezinta procesul de admisie (admisia).Eliberarea energiei chimice a combustibilului are loc in procesul de ardere (arderea). Pentru a mari eficienta acestui proces (implicit eficienta ciclului de functionare), se interpune un proces de comprimare a fluidului motor. Lucrul mecanic util se obtine prin actiunea gazelor de ardere asupra pistonului, in cursa de destindere. Dupa incheierea arderii, are deci loc procesul de destindere. In sfarsit, pentru reluarea ciclului motor, gazele de ardere se indeparteaza din cilindru. Eliminarea gazelor de ardere din cilindru reprezinta procesul de evacuare. Procesele de evacuare si de admisie se numesc impreuna procesele de schimbarea a gazelor. Toate procesele care alcatuiesc ciclul motor se numesc procese termice.

4. CLASIFICAREA M.A.I.

Diversificarea deosebita inregistrata in constructia M.A.I. impune stabilirea unor criterii de clasificare care sa permita identificarea particularitatilor esentiale. Rezulta astfel un numar ridicat de asemenea criterii:

4.1. Felul procesului de ardere

- cu ardere izocora (Otto sau Beau de Rochas);

cu ardere izobara (Diesel);

cu ardere ixta (Trinkler, Seiliger sau Sabatherer).

4.2. Procesul de aprindere:

MAS (motorul la care aprinderea combustibilului este produsa de o scanteie electrica);

MAC (motorul la care aprinderea combustibilului se datoreaza contactului dintre combustibil si aerul incalzit in prealabil prin comprimare in cilindru);

Motoare cu cap incandescent (aprinderea are loc datorita temperaturii continutului din cilindru, dar si temperaturii locale a unei suprafete calde).

4.3. Modul de realizare a ciclului motor

in 2t (ciclul motor se realizeaza intr-o rotatie completa a arborelui cotit si doua curse ale pistonului);

in 4t (ciclul motor se realizeaza in doua rotatii ale arborelui cotit si patru curse ale pistonului).

4.4. Constructia mecanismului biela manivela

fara cap de cruce;

cu cap de cruce.

4.5. Numarul de combustibili utilizati

monocarburanti;

policarburanti.

4.6. Felul combustibilului folosit

cu combustibil lichid:

cu n mica (benzina, petrol, alcool);

cu n medie (motorina);

cu n mare (pacura).

cu combustibil gazos;

cu combustibil gazos si lichid.

4.7. Tipul camerei de ardere

cu camera de ardere unitara;

cu camera de ardere divizata.

4.8. Procedeul de admisie

cu admisie naturala (normala);

supraalimentate.

4.9. Procedeul de racire

racite cu apa;

racite cu aer.

4.10. Procedeul de actionare a pistonului de catre fluidul motor

cu simplu efect;

cu dublu efect.

4.11. Sensul de rotatie

cu rotatie intr-un singur sens;

reversibile.

4.12. Viteza medie a pistonului

lente (v_mp 6,5m/s);

semirapide (6,5<v_mp 10 m/s)<

rapide (v_mp > 10m/s).

4.13. Nmarul de cilindrii

monocilindrice;

policilindrice.

4.14. Dispunerea relativa a cilindrilor

in linie;

in V;

in stea (simpla sau multipla);

in evantai (3 linii sau W);

in X;

cu doua linii de cilindrii;

in H;

cu pistoane opuse (boxer).

4.15. Pozitia axelor cilindrilor fata de axa de rotatie

axate;

dezaxate.

4.16. Destinatia motorului

pentru autovehicule;

pentru masini agricole;

de tractiune feroviara;

de aviatie;

industriale (stationare sau mobile);

navale (principale sau auxiliare).