Instalaţii de forţă

Power Plants

‹ Acasă Electromecanică navală ›

Maşini cu abur cu piston

Maşina alternativă (cu piston) cu abur a fost primul tip de maşină folosit la bordul navelor. Acest motor este o maşină termică care converteşte energia potenţială a aburului în lucru mecanic.

Reciprocating steam engine

The reciprocating steam engine was the first type of engine used on board of ships. This engine is a heat engine that converts the potential energy of the steam into work. 

Maşinile alternative cu abur sunt folosite din anul 1736 când Jonathan Hulls a testat prima navă propulsată cu abur şi din 1755 când James Watt a inventat maşina cu dublă expansiune.

Reciprocating steam engines have been used since 1736 when Jonathan Hulls tested the first steam-powered ship and since 1755 when James Watt invented the compound engine. 

Chiar dacă sunt aşa vechi maşinile alternative cu abur sunt încă folosite şi în zilele noastre în ciuda randamentelor lor scăzute la petroliere datorită siguranţei în funcţionare mai ales în atmosfera inflamabilă de la bordul acestor nave.

Even if they are so old, the reciprocating steam engines are still used nowadays, despite their low efficiency, in oil tankers, because of their safe operation specially in flammable conditions on board of these ships.

Motoarele alternative cu abur sunt folosite pentru acţionarea pompelor de marfă, pompelor de strip şi a unor instalaţii de punte cum ar fi vinciuri şi cabestane.

The reciprocating steam engines are used for driving the cargo pumps, striping pumps and some deck machinery such as windlasses and capstans.

Maşinile alternative cu abur pot fi cu dublă acţiune şi cu simplă acţiune.

Reciprocating steam engines can be of double acting or single acting type.

Într-o maşină alternativă cu abur cu dublă acţiune lucrul mecanic este produs de un piston care se mişcă alternativ într-un cilindru.

In a double acting reciprocating steam engine the work is performed by a piston sliding alternately in a cylinder.

Aburul venit de la căldare este introdus într-un sertar de distribuţie cu două poziţii. Sertarul îşi schimbă poziţia alunecând de la dreapta la stânga şi de la stânga la dreapta schimbând sensul aburului. Astfel aburul pătrunde în cilindru într-o parte a pistonului determinându-l să se deplaseze în direcţia opusă. După o perioadă în care pistonul atinge capătul cilindrului sertarul îşi schimbă poziţia dirijând aburul în partea opusă pistonului şi deschide orificiul pentru evacuarea aburului din partea aceasta a pistonului determinându-l să-şi inverseze mişcarea. Aburul folosit merge mai departe într-un condensator sau în atmosferă.

The steam coming from the boiler is introduced into a two position slide valve. The slide valve changes its position by sliding from right to left and from left to right, changing the steam direction. So the steam enters the cylinder on one side of the piston, causing it to move in the opposite direction. After a period in which the piston reaches the cylinder end, the slide valve changes its position, driving the steam on the opposite side of the piston, and opens the discharge opening for the used steam on this side of the piston causing, it to reverse its movement. The used steam goes further into a condenser or into the atmosphere.

Într-o maşină alternativă cu abur cu simplă acţiune lucrul mecanic este efectuat de asemenea de către un piston ce alunecă într-un cilindru, dar acest piston produce lucru mecanic doar într-o singură parte (într-un singură cursă).

In a single acting reciprocating steam engine the work is also performed by a piston sliding alternately in a cylinder but this piston produces work on only one side (one stroke only).

Această mişcare alternativă este transformată în mişcare de rotaţie prin intermediul unui mecanism bielă-manivelă.

This reciprocating motion is changed into a rotary motion by means of a connecting rod and crankshaft mechanism.

Turbina cu abur

Într-o turbină cu abur energia aburului produs într-o căldare este transformată în lucru mecanic prin intermediul unor palete în mişcare de rotaţie fixate pe un arbore.

Steam turbine

In a steam turbine, the energy of the steam produced in a boiler is converted into work by means of some rotating blades attached to a shaft. 

Principiul de funcţionare al turbinei cu abur este cunoscut încă din anul 1629 când Giovanni de la Branca a propus prima turbină în miniatură de forma pe care o ştim. În zilele noastre turbinele cu abur sunt folosite pentru propulsie în navele port container rapide, submarine şi spărgătoare de gheaţă nucleare, în petroliere pentru a acţiona pompe mari de marfă.

The working principle of the steam turbine has been known since 1629 when Giovannni de la Branca proposed the first small turbine in the shape that we know. Nowadays, the steam turbine is used for propulsion in fast container ships, nuclear submarines and ice-breakers, and for driving large cargo oil pumps in tankers.

Pentru a obţine lucru mecanic într-o turbină cu abur, mai întâi energia acumulată în abur prin încălzire este transformată în energie cinetică prin destinderea aburului într-o serie de ajutaje sau palete. Această energie este apoi convertită în energie stereomecanică prin intermediul paletelor ce execută o mişcare de rotaţie în jurul unui arbore.

To obtain work in a steam turbine, the energy accumulated in the steam by heating is first converted into kinetic energy by steam expansion in a number of nozzles or blades. This kinetic energy is further converted into stereomechanical energy by means of the blades rotating on a shaft.  

Există unele avantaje în folosirea turbinelor cu abur, cum ar fi:

• Turbinele cu abur sunt potrivite acolo unde sunt cerute puteri mari, care nu pot fi satisfăcute de maşinile alternative datorită forţelor lor inerţiale.

There are some advantages in using the steam turbines such as:

• Steam turbines are suitable for great power demands, which cannot be satisfied by reciprocating engines due to their inertial forces.  

• Turbinele cu abur sunt complet echilibrate pentru că nu au părţi în mişcare alternativă.

• Steam turbines are completely balanced because they do not have reciprocally moving parts.

• Datorită faptului că toate părţile lor aflate mişcare sunt complet acoperite funcţionarea lor este se face in deplină siguranţă.

• Since all their moving parts are completely covered, their operation is thoroughly safe.

• Sunt foarte economice la puteri mari.

• They are very economical at great outputs.

• Pot suporta sarcini mari.

• They can bear great overloads.

• Au masă mică şi dimensiuni reduse pe unitatea de putere.

• They are small in size and weight according to their output rate.

• Au centrul de masă mai coborât decât cel al motoarelor alternative cu un efect favorabil în stabilitatea navei.

• Their center of mass is lower than that of the reciprocating engines, with a good result in the ship’s stability.

• Eliminarea completă a uleiului din aburul evacuat.

• The complete removal of oil from the discharge steam.

Există de asemenea şi câteva dezavantaje în folosirea turbinelor:

• Sunt ireversibile.

There are also some disadvantages in using steam turbines:

• They are irreversible.

• Au consum specific de abur ridicat la sarcini reduse.

• They have high specific steam consumption at low loading.

• Necesită un reductor.

• Their use requests a gearing.

• Consumul specific de combustibil este mai mare la folosirea turbinelor decât la folosirea motoarelor cu combustie internă.

• The specific fuel consumption in using steam turbines is greater than when using internal combustion engines.

• Turbina cu abur este strict legată de existenţa unei căldări.

• The steam turbine is strictly related to the boiler.

Motorul cu aprindere prin scânteie

Motorul Otto a fost dezvoltat în 1865 de către Nicolas A. Otto şi E. Langen. Acest motor a utilizat principiul de funcţionare propus de Beau de Rochas în 1862 şi a funcţionat cu combustibil gazos. Abia în 1883 au realizat un motor funcţionând cu petrol, motor care poate fi considerat predecesorul motorului actual cu aprindere prin scânteie.

Spark Ignition Engine

Otto engine was developed in 1865 by Nicolas A. Otto and E. Langen. This engine used the working principle proposed by Beau de Rochas in 1862 and worked on gas fuel. Only in 1883 did they create an engine working on petrol, being considered the predecessor of the present-day spark ignition engine. 

Acest motor cu ardere internă, ca şi altele, foloseşte un amestec de combustibil drept mediu de lucru, de unde rezultă că energia termică din procesul de ardere este disponibilă în maşina de producere a lucrului mecanic, de exemplu ansamblul piston-cilindru.

This internal combustion engine employs, like others, a fuel mixture as a working medium, with the result that the thermal energy from the combustion process is available within the work-producing machine, for example a piston-and-cylinder assembly.

Din punct de vedere termodinamic motorul cu combustie internă nu demonstrează strict un proces ciclic complet pentru că amestecul de aer-combustibil este ars şi produsele de ardere sunt evacuate în mediul înconjurător.

The internal combustion engine does not, thermodynamically speaking, strictly demonstrate a complete cyclical process, since the fuel-air mixture is burned and the products of combustion are rejected to the environment.

Datorită particularităţilor caracte-ristice motoarelor cu ardere internă acestea pot fi construite ca o instalaţie de forţă potrivită pentru aplicaţii nestaţionare şi funcţionând la temperaturi mari şi de aceea cu randamente relativ mari.

Because of the characteristic features of the internal combustion engine, it may be built as a small compact power plant suitable for nonstationary applications and operated at high temperatures and therefore at relatively high efficiency.

Ciclul Otto constă dintr-un timp de admisie la o presiune constantă în fond, în timpul cărei perioade amestecul aer-combustibil pătrunde în cilindru. Pe durata celui de-al doilea timp, toate supapele sunt închise, iar amestecul aer-combustibil este comprimat. Amestecul este atunci aprins prin intermediul unei bujii, iar arderea este aşa rapidă raportat la viteza de deplasare a pistonului încât volumul rămâne aproape constant. Atunci urmează timpul de producere a lucrului mecanic, în care produsele de ardere cu înaltă temperatură şi presiune se destind când supapa de evacuare este deschisă la sfârşitul destinderii, presiunea este rapid redusă la o valoare aproape de presiunea de evacuare. Acesta este cu aproximaţie un proces de volum constant. La urmă, în timpul evacuării, pistonul împinge în afară gazele de ardere rămase în cilindru la o presiune aproape constantă. 

The Otto engine cycle consists of an intake stroke at essentially constant pressure; during this period the fuel-air mixture flows into the cylinder. During the second stroke, all valves are closed and the fuel-air mixture is compressed. The mixture is then ignited by use of a sparking plug, and the combustion is so rapid with respect to the rate of the piston movement that the volume remains nearly constant. Then follows the work-producing stroke, in which the high-temperature, high-pressure products of combustion expand. When the exhaust valve is opened at the end of the expansion stroke, the pressure is rapidly reduced to a value just above the exhaust pressure. This is, approximately, a constant volume process. Finally, during the exhaust stroke, the piston pushes out the combustion gases remaining in the cylinder at about constant pressure. 

Efectul creşterii raportului de compresie este creşterea randamentului motorului (creşterea cantităţii de lucru mecanic produs pe unitatea de cantitate de combustibil).

The effect of increasing the compression ratio is a growth in the efficiency of the engine ( the increase of work produced per unit of quantity of fuel).

Motorul cu aprindere prin compresie

Acest motor a fost proiectat în 1893 de către Rudolf Diesel. Motorul lui Diesel a fost un motor în patru timpi, motorul în doi timpi fiind dezvoltat de către Clerk Dugard în 1879.

Compression Ignition Engine

This engine was designed in 1893 by Rudolf Diesel. Diesel’s engine was a four stroke engine, the two stroke engine being developed by Clerk Dugard in 1879.

Motorul Diesel diferă de motorul Otto în primul rând prin aceea că temperatura la sfârşitul procesului de compresie este de aşa manieră încât arderea este iniţiată spontan. Această temperatură înaltă este obţinută prin continuarea cursei de comprimare până la o presiune mai înaltă sau la un raport de comprimare mai mare. Combustibilul nu este injectat până la sfârşitul procesului de comprimare şi este atunci adăugat cu o viteză aşa mică raportată la viteza pistonului încât are loc procesul de ardere, ideal, la presiune constantă.

The Diesel engine differs from the Otto engine primarily in that the temperature at the end of the compression process is such that combustion is initiated spontaneously. This higher temperature is obtained by continuing the compression stroke to a higher pressure, or higher compression ratio. Fuel is not injected until the end of the compression process, and then it is added in such a slow rate in comparison with the rate of the piston travel that the combustion process occurs, ideally, at constant pressure. 

În general, motorul Otto are un randament mai bun decât motorul Diesel la acelaşi raport de comprimare. Oricum dificultăţile aprinderii timpurii limitează raportul de comprimare la motoarele Otto astfel încât la motoarele Diesel pot fi utilizate rapoarte mai mari de comprimare şi de aceea pot fi obţinute randamente mai mari.

In general , the Otto engine has a higher efficiency than the Diesel engine for a given compression ratio. However, preignition difficulties limit the compression ratio in the Otto engine, so that higher ratios can be used in the Diesel engine, and for that reason, higher efficiencies can be obtained.

Motoarele cu combustie internă ca de exemplu motoarele Otto sau Diesel sunt larg răspândite în propulsia navală datorită următoarelor avantaje:

• O mai bună transformare a energiei chimice în energie mecanică având ca efect un randament mai bun.

Internal combustion engines such as Otto engines or Diesel engines are widely used in ship’s propulsion due to the following advantages:

• A better change of the chemical energy into mechanical energy resulting in a better efficiency.

• Durate mici de pornire.

• Small starting timing.

• Folosirea acestora asigură mari autonomii.

• Their use ensures great sail ranges.

• Nu necesită căldări.

• They do not need boilers.

• Utilizarea acestora are ca efect valori mici ale valorilor temperaturii în compartimentul maşini şi de aceea condiţii mai bune de lucru pentru personalul de deservire

• Their use results in smaller temperature values in the engine room and consequently in better work conditions for personnel.

Dezavantajele lor sunt:

• Au o construcţie mai complexă.

Their disadvantages are:

• They have a more complex construction.

• Constituie o sursă de zgomot puternic şi sunt generatoare de vibraţii.

• They are a source of great noise and they are vibration generators.

• Nu pot fi utilizate la turaţii scăzute.

• They cannot be used at low revolutions per minute.

Turbina cu gaz

Primul patent de turbină cu gaz aparţine lui John Barber din 1791.

Combustion-Gas-Turbine 

The first patent of a combustion-gas turbine belongs to John Barber in 1791.

Observarea motoarelor Otto şi Diesel a arătat că utilizarea directă a energiei gazelor cu presiune şi temperatură înalte, fără transfer exterior de căldură, posedă anumite avantaje în producerea puterii.

Consideration of the Otto and Diesel engines has shown that direct utilization of the energy of high temperature and high-pressure gases, without external transfer of heat, possesses some advantages in power production.

Principalele avantaje sunt:

• Este de o construcţie foarte simplă ( un compresor, o cameră de ardere şi o turbină).

The main advantages are:

• It is of a very simple construction (a compressor, a burning chamber and a turbine).

• Dimensiunile reduse şi greutatea mică raportată la puterea de ieşire.

• Their very small size and weight according to their output rate.

Principalele dezavantaje sunt:

• Sunt mai puţin economice decât motoarele cu combustie internă şi chiar decât turbinele cu abur.

The main disadvantages are:

• It is less economical than internal combustion engines any even than steam turbines.

• Dimensiunile mari ale schimbătoarelor de căldură în cazul recuperării de căldură.

• The great size of the heat exchangers in case of heat recovery.

• Pericolul de incendiu.

• The fire danger.

De aceea turbina cu gaz este utilizată acolo unde se dispune de spaţiu mic şi cererea de putere este mare, locuri cum ar fi: avioane, nave militare sau nave port container rapide.

Therefore, the combustion-gas-turbine is used where there are small spaces and a great demand for power, in places like: aircrafts, naval vessels or fast container ships. 

Pe de altă parte, turbina este mai eficientă în utilizarea acestei energii decât pistoanele în mişcare alternativă, în primul rând din cauza frecării care însoţeşte inversarea continuă a direcţiei pistonului şi frecării în funcţionarea supapelor.

On the other hand, the turbine is more efficient in utilizing this energy than the reciprocating piston, primarily because of the friction accompanying the continual reversal of piston direction and friction in the valve operations. 

Turbina cu gaz este rezultatul încercărilor de a combina într-o singură unitate avantajele combustiei interne şi turbinei.

The combustion gas turbine is the result of the attempts to combine the advantages of internal combustion and the turbine in one unit.

Turbina cu gaz foloseşte gazele cu înaltă temperatură din spaţiile de ardere pentru a acţiona o turbină cu expansiune.

The gas turbine utilizes high-temperature gases from the combustion spaces to operate an expansion turbine. 

Pentru a obţine randamente ridicate aerul trebuie comprimat (supraalimentat) la o presiune de câteva atmosfere înainte de ardere, exact ca în motorul cu ardere internă cu piston prin antrenarea unui compresor centrifugal, turbina şi compresorul funcţionând pe acelaşi arbore, cu o parte din lucrul mecanic de la turbină folosit pentru acţionarea compresorului.

To obtain high efficiency, the air must be compressed (supercharged) to a pressure of several atmospheres before combustion, just as in the internal combustion piston engine, by employing a centrifugal compressor, the turbine and the compressor operating on the same shaft, with a part of the work from the turbine used to drive the compressor. 

O astfel de unitate este o instalaţie de forţă, precum un motor Otto sau Diesel.

This kind of unit is a complete power plant, just like an Otto or Diesel engine.