Wpływ kinematyki elementów rozrządu na prędkość strumienia cieczy

między sobą. Dla jednostek 80 cm³/obr. różnice sięgają już 40%, co świadczy o możliwości istotnej redukcji strat ciśnienia w jednostce wykorzystującej rozrząd sterowany krzywką  patrz rozdział 4.6.

4.5. Wpływ kinematyki elementów rozrządu na prędkość strumienia cieczy

W dotychczasowych rozważaniach prędkość przepływu cieczy roboczej w oknie roz-rządu analizowano w układzie współrzędnych związanych z tym oknem. W wypadku gdy okno to wykonuje ruch względem układu współrzędnych związanych z korpusem pompy czy silnika, ruch ten przyczynia się do dodatkowych zmian kierunku i prędkości strumienia cieczy płynącej przez taką jednostkę. Zmiany te wpływają z kolei na wartość wypadkowe-go przyrostu prędkości strumienia cieczy, a pośrednio także na wartość spadku ciśnienia generowanego przez poszczególne mechanizmy rozrządu. Konieczne jest zatem uwzględ-nienie powyższego zjawiska w obliczeniach.

4.5.1. Mechanizm rozrządu czołowego

Praktycznie we wszystkich odmianach mechanizmu rozrządu czołowego kolektor z kanałami zbiorczymi jest nieruchomy, bęben cylindrowy wiruje natomiast z prędkością kątową . Z tą samą prędkością poruszają się okna rozrządu. Analizując cząsteczkę cieczy A, przechodzącą w danym momencie przez płaszczyznę styku kolektora z bębnem cylin-drowym (rys. 4.18), można stwierdzić, że ruch taki wywołuje przyrost prędkości cząstki A o v_ Wektor tego przyrostu skierowany jest równolegle do płaszczyzny kolektora, a jego wartość w środkowym punkcie okna wynosi:

  

 2

Do

v . (4.9)

Rys. 4.18. Przyrost prędkości cząsteczki cieczy wywołany ruchem obrotowym bębna cylindrowego

Można przyjąć, że wektor prędkości wywołanej przepływem cieczy w oknie vo, którego wartości określono w rozdziale 4.4, jest skierowany prostopadle do płaszczyzny styku ko-lektora z bębnem. Jest to jednak uproszczenie, gdyż w warunkach rzeczywistych znaczenie

ma też kształt kanałów łączących „nerki” kolektora z zewnętrznymi gniazdami przyłącze-niowymi pompy lub silnika. Kształt ten w wyrobach rozmaitych producentów jest jednak na tyle zróżnicowany, że pełna analiza jego wpływu na kierunek wektora prędkości musia-łaby być wielce pracochłonna. Sumując oba wektory prędkości, uzyskujemy wektor wy-padkowy vo. Przebiegi zmian wartości tego wektora uzyskane dla jednostek A4 i B4 poka-zano na rysunku 4.19, porównując je z uzyskanymi wcześniej wartościami prędkości w układzie współrzędnych związanych z oknem. Podobnie jak poprzednio przyjęto, że wał maszyny wiruje z prędkością 1500 obr./min. Analizując zmiany wywołane uwzględnieniem obrotowego ruchu bębna, widzimy, że przebiegi prędkości uległy spłaszczeniu. Wzrost prędkości wypadkowej, w fazie początkowej stosunkowo niewielki, w chwili pełnego otwarcia okna (_w  23) był prawie 4-krotny! W chwili, gdy _w = 90, różnica między prędkością wypadkową a jej składową prostopadłą do płaszczyzny rozrządu była ponad-dwukrotna. Ponieważ obie prędkości składowe są wprost proporcjonalne do prędkości kątowej wału, powyższe proporcje są stałe i niezależne od wartości tej prędkości przyjętej do obliczeń.

Rys. 4.19. Przyrost prędkości wypadkowej strumienia cieczy w oknie, wywołany uwzględnieniem ruchu bębna cylindrowego, dla jednostek A4 i B4

Takie same rezultaty uzyskujemy dla wszystkich pozostałych jednostek o wielkości 20 cm³/obr. wyposażonych w rozrząd czołowy. Dla jednostek o wydajności 80 cm³/obr.

przyrosty wywołane uwzględnieniem ruchu bębna są także bardzo podobne. Prędkość przepływu po uwzględnieniu ruchu bębna cylindrowego wzrasta ok. 4-krotnie w chwili pełnego otwarcia okna i ok. 2-krotnie dla w = 90.

Oprócz wyznaczonego powyżej przyrostu prędkości przepływu w oknie istotne zna-czenie ma fakt, że strumień cieczy przekraczając granicę kolektor-bęben cylindrowy zmie-nia gwałtownie kierunek. Oba te zjawiska, występujące we wszystkich maszynach wypo-rowych, w których komora robocza wykonuje ruch obrotowy (tj. również w jednostkach zębatych czy łopatkowych), mają poważny negatywny wpływ na powstające w nich straty ciśnieniowe.

4.5. Wpływ kinematyki elementów rozrządu na prędkość strumienia cieczy 93

4.5.2. Mechanizm rozrządu sterowanego krzywką

W przypadku rozrządu sterowanego krzywką ruch wykonywany przez okna i tuleje rozrządu ma całkowicie odmienny charakter. Jest to bowiem ruch posuwisto-zwrotny opi-sany wzorem 2.15, a prędkość liniową okien można wyznaczyć, rozwiązując równanie:

dt d d

v dZ ^w

w r w





 

 ( ) . (4.10)

Podobnie jak dla okna rozrządu czołowego, można przyjąć, że wektory prędkości okna vr i prędkości przepływu cieczy vo leżą w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych. Rysu-nek 4.20 prezentuje, jaki wpływ na wypadkową wartość prędkości strumienia cieczy w jed-nostkach typu E ma uwzględnienie ruchów wykonywanych przez okna rozrządu. W rozwa-żanym przykładzie przyjęto tę samą co poprzednio geometrię mechanizmu rozrządu E2H3F. Na rysunku pokazano także przebieg zmian prędkości przemieszczania się okna rozrządu, będący rozwiązaniem równania 4.10 dla tego zarysu. Rezultaty uzyskano przy założeniu tej samej co zwykle prędkości obrotowej wału – 1500 obr./min.

Rys. 4.20. Przyrost prędkości wypadkowej strumienia cieczy w oknie, wywołany uwzględnieniem ruchu tulejki rozrządu, dla jednostki E2H3F

Przebieg prędkości tulejki rozrządu osiąga maksimum przy _w = 0, i dąży do zera przy _w = 90, co jest zgodne z założeniami konstrukcyjnymi rozrządu (rozdział 2.2). W fa-zie początkowej powoduje to ok. 2,5-krotny przyrost prędkości strumienia cieczy. Analo-giczną analizę przeprowadzono też dla jednostki F2H3F (80 cm³/obr.). Uzyskane przebiegi są bardzo podobne, różnią się jedynie osiągniętymi wartościami. Prędkość przemieszczania się tulei wzrosła w wyniku zwiększonej amplitudy zarysu sr (por. rozdział 3.3.6.3). Zwięk-szyła się także do ok. 3 razy wartość początkowego przyrostu prędkości wypadkowej.

4.5.3. Wartość średnia prędkości wypadkowej

Podobnie jak w rozdziale 4.4, korzystając z zależności 4.8, wyznaczono średnie warto-ści w czasie wypadkowej prędkowarto-ści przepływu dla wszystkich analizowanych powyżej wersji rozrządu. Wyniki zestawiono w kolumnie vo^śr tablicy 4.2, porównując je z uzyska-nymi wcześniej średnimi prędkościami przepływu cieczy w oknie vośr.

Tablica 4.2 Średnia wypadkowa prędkość przepływu w oknach

Wersja rozrządu vośr [m/s] vo^śr [m/s]

Czołowy A4 2,623 5,232

Czołowy B4 2,408 5,256

Krzywkowy E2R2  uskok 45, 3,5% 2,221 3,366 Krzywkowy E2R2  uskok 45, 1% 2,443 3,523

Czołowy C4 4,221 8,073

Czołowy D4 3,826 7,893

Krzywkowy F2R2  uskok 45, 7,5% 2,979 5,268 Krzywkowy F2R2  uskok 45, 5,5% 3,139 5,373

O ile w przypadku średniej prędkości przepływu w oknie mechanizm rozrządu krzyw-kowego wykazywał niewielką przewagę nad rozrządem czołowym, dla prędkości wypad-kowej wyższość tego mechanizmu jest bezdyskusyjna. Prędkość wypadkowa w jednostce E2H3F stanowi 6566% prędkości charakteryzującej rozrząd czołowy A4 i B4. Analogicz-ny rezultat: 6667% uzyskujemy, porównując jednostki duże F2H3F oraz C4 i D4. Propor-cje te nie zależą od prędkości obrotowej wału przyjętej do rozważań – zależność vośr i vo^śr od nw jest liniowa.