10. Motorul este o maşină care transformă o formă oarecare de energie în
energie mecanică.
Se disting următoarele tipuri de motoare, ţinându-se cont de sursa de energie:
• Motor termic
• Motor cu ardere internă
• Motor diesel
• Motor Wankel
• Motor cu ardere externă
Motor cu abur
Motor Stirling
• Motor cu reacţie
• Motor cu plasmă
• Motor fotonic
• Motor ionic
• Motor electric
• Motor pneumatic
• Motor hidraulic
• Motor eolian
• Motor nuclear
• Motor sonic
11. • Motor termic
• Motor cu ardere internă
• Motor diesel
• Motor Wankel
• Motor cu ardere externă
Motor cu abur
Motor Stirling
• Motor cu reacţie
• Motor cu plasmă
• Motor fotonic
• Motor ionic
• Motor electric
• Motor pneumatic
• Motor hidraulic
• Motor eolian
• Motor nuclear
• Motor sonic
12. 1.Motor termic
Un motor termic este o mașină termică motoare, care transformă căldura în lucru
mecanic.
Un motor termic lucrează pe baza unui ciclu termodinamic realizat cu ajutorul
unui fluid.
Întrucât, conform principiului al doilea al termodinamicii, entropia unui sistem
nu poate decât să crească, doar o parte a căldurii preluate de la sursa de căldură (numită și
sursa caldă) este transformată în lucru mecanic. Restul de căldură este transferat unui
sistem cu temperatură mai mică, numit sursă rece.
13. Motoare cu
aprindere
prin scanteie
(mas)
Motoare
termice
cu ardere
interna
Motoare cu
aprindere
prin cu turbina
compresie
(mac)
Tipuri de motoare termice
14. mas
mac
mecanismul instalatia de
de
motor racire ungere alimentare aprindere
distributie
15. • Motor termic
• Motor cu ardere internă
• Motor diesel
• Motor Wankel
• Motor cu ardere externă
Motor cu abur
Motor Stirling
• Motor cu reacţie
• Motor cu plasmă
• Motor fotonic
• Motor ionic
• Motor electric
• Motor pneumatic
• Motor hidraulic
• Motor eolian
• Motor nuclear
• Motor sonic
16. Motor cu abur
Motorul cu abur este un motor termic cu ardere externă, care transformă
energia termică a aburului în lucru mecanic. Aburul subpresiune este produs într-un
generator de abur prin fierbere și se destinde într-un agregat cu cilindri, în care
expansiunea aburului produce lucru mecanic prin deplasarea liniară a unui piston,
mișcare care de cele mai multe ori este transformată în mișcare de rotație cu ajutorul
unui mecanism bielă-manivelă. Căldura necesară producerii aburului se obține din
arderea unui combustibil sau prin fisiune nucleară.
Animaţia unui motor cu abur, orizontal, cu dublă acţiune, cu regulator centrifugal.
17. Motor cu abur din 1903. Expus la Muzeul Științei din Londra.
Maşina lui James Watt.
18. Motor cu abur orizontal.
Motor cu abur vertical cu o putere de 10CP (1850).
19. Motoarele cu abur au dominat industria și mijloacele de
transport din timpul Revoluției industriale până în prima parte a
secolului al XX-lea, fiind utilizate la acționarea locomotivelor,
vapoarelor, pompelor, generatoarelor electrice, mașinilor din fabrici,
utilajelor pentru construcții (excavatoare) și a altor utilaje. A fost
înlocuit în majoritatea acestor aplicații de motorul cu ardere internă și
de cel electric.
Functionare motor cu aburi
20. Istoria motorului cu abur
Prima mașină cu aburi a fost inventată în secolul I e.n. de către inginerul grec
Heron din Alexandria. O sferă goală pe dinăuntru era pivotată pe două tuburi prin care
trecea aburul dintr-un mic fierbător. Aburul umplea sfera și ieșea prin țevi dispuse în părți
opuse ale acesteia. Jeturile de abur care țâșneau determinau sfera să se rotească. Totuși, în
ciuda faptului că era o invenție interesantă, mașina nu servea unui scop util.
Primul om care a avut ideea de a transforma pompa cu piston în mașină termică,
a fost francezul Denis Papin în anul 1679. Din păcate nu a putut să o pună în practică din
lipsă de fonduri. El a murit în sărăcie, în 1714.
Primul motor cu abur a fost proiectat în 1698 de Thomas Savery, un inginer
englez. Acest motor era conceput să pompeze apa din mine, dar singura lui întrebuințare a
fost să pompeze apa în casele înalte din Londra.
Primul motor performant a fost construit în 1712 de inginerul Thomas
Newcomen, din Cornwall. Acest motor avea un braț mare care pompa apa cu o frecvență
de 16 mișcări de du-te-vino pe minut. În 1776, James Watt, un constructor scoțian de
mecanisme, a adus înbunătățiri motorului lui Newcomen.
Nicolas Cugnot a fost primul care, în 1769, a folosit motorul cu abur la un
vehicul. Acest vehicul putea transporta 4 persoane, dar a fost folosit la transportul
armamentului greu. Viteza maximă care a fost atinsă cu acest vehicul a fost de 5 km / h.
21. Schema unui motor cu abur cu triplă expansiune.
La mașina sa inventată în 1769, aburul trecea într-o cameră separată pentru
condensare. Deoarece cilindrul nu era încalzit și răcit alternativ, pirderile de căldură ale
mașinii erau relativ scăzute. De asemenea, mașina lui Watt era mai rapidă. Aceste soluții
și diversele îmbunătățiri concepute de Watt au făcut ca mașina cu aburi să poată fi
folosită într-o gamă largă de aplicații.
În perioada victoriana, locomotive cu abur puternice revoluționaseră deja
călătoria pe uscat. Mașinile cu abur au făcut posibile și tipărirea ziarelor, torsul și țesutul
textilelor și acționarea mașinilor de spălat în „spălătoriile cu aburi”. Mașinile cu abur
puneau în mișcare caruselele, iar unii fermieri foloseau energia aburului pentru a ara
pământul. Antreprenorii de curățătorii aveau aspiratoare cu abur, și la cele mai bune
frizerii din orașe existau chiar și perii pentru masarea capului acționate cu abur.
Motorul cu abur, azi
Deși timpul motorului cu abur a trecut de mult, se pare că o renaștere al
acestuia nu este exclusă.
La însărcinarea firmei Volkswagen AG, la sfârșitul anilor 90, firmă IAV
GmbH a dezvoltat un astfel de „motor cu abur” modern. Arderea externă produce gaze
de ardere cu toxicitate extrem de scăzută. Aburul este introdus în cantitatea necesară prin
injectoare similare cu cele ale motorului Diesel. La sfîrșitul anului 2000 firmă Enginion
a dezvoltat prototipul „SteamCell” cu ZEE (engleză Zero EmissionEngine - „emisiune
zero”). Aceast motor lucrează în doi timpi, fără lubrefianți, părțile componente fiind
fabricate dintr-un material superior pe bază de carbon
22. Turbină cu abur
Rotorul unei turbine cu abur instalată într-o termocentrală. Direcția de curgere a
aburului este de la paletele scurte la cele lungi.
Turbina cu abur este o mașină termică rotativă motoare, care transformă entalpia
aburului în energie mecanică disponibilă la cupla turbinei. Transformarea se face cu ajutorul
unor palete montate pe un rotor cu care se rotesc solidar.
În prezent, turbinele cu abur înlocuiesc complet motoarele cu abur datorită
randamentului termic superior și unui raport putere greutate mai bun. De asemenea,
mișcarea de rotație a turbinelor se obține fără un mecanism cu părți în translație, de genul
mecanismului bielă-manivelă, fiind optimă pentru acționarea generatoarelor electrice — cca.
86 % din puterea electrică produsă în lume este generată cu ajutorul turbinelor cu abur.
23. Istoric
Eolipila lui Heron, considerată prima turbină cu abur cu reacțiune.
Secolul I - Primul dispozitiv care poate fi asimilat unei turbine cu abur este
eolipila lui Heron din Alexandria, în Egipt. Aburul se forma în cazanul de jos, urca prin
interiorul țevilor de susținere a sferei și se destindea în niște ștuțuri fixate pe ea. Reacțiunea
creată de jeturile de abur puneau în mișcare sfera.
24. 1551 - Taqial-Din din Egiptul otoman descrie un dispozitiv de învârtit o frigare.
Dispozitivul lui Giovanni Branca, considerat prima turbină cu abur cu acțiune. Stampă din 1629.
1629 - Italianul Giovanni Branca descrie o turbină acționată de abur. Aburul destins într-o țeavă („paiul” din
gura statuetei) lovea paletele punând în mișcare discul. Este considerată prima turbină cu acțiune.
1883 - Inginerul suedez Gustaf de Laval inventează ajutajul care-i poartă numele, cu care obține viteze
supersonice ale aburului. Cu ajutorul acestui tip de ajutaj realizează o turbină cu acțiune cu o singură treaptă.
În ajutaj aburul se destindea complet, înainte de a intra în palete, ca urmare carcasa turbinei nu era sub
presiune, rezultând turbine simple, ieftine și care puteau folosi abur de presiune relativ înaltă.
25. 1884 - Englezul Charles Parsons construiește și brevetează prima turbină cu reacțiune
multietajată (cu mai multe trepte), asemănătoare cu cele din zilele noastre. Ea antrena un
dinam și livra o putere de 7,5 kW. Brevetul este preluat de americanul George
Westinghouse, care construiește turbine mult mai mari. Încă în timpul vieții lui Parsons s-au
atins puteri de 10.000 de ori mai mari decât puterea primei sale turbine.
1896 - Americanul Charles Curtis realizează prima turbină cu acțiune multietajată cu trepte
de viteză (roata Curtis).
1896 - Francezul Auguste Rateau brevetează prima turbină cu acțiune multietajată cu trepte
de presiune, urmare a punerii la punct a teoriei turbinelor cu abur. Construcția propriu-zisă a
acestor turbine, destinate industriei miniere este finalizată în anul 1902. Aceste turbine cu
acțiune sunt prototipurile marilor turbine cu acțiune de astăzi.
Turbinia - prima navă propulsată de o turbină cu abur.
26. 1897 - Sir Charles Algernon Parsons face o demonstrație foarte
spectaculoasă când, la parada organizată cu ocazia jubileului Reginei
Victoria, iahtul său, Turbinia, propulsat de turbine cu abur cu puterea de
1500 kW a apărut în mod neașteptat și a defilat cu viteza de 64 km h,
uimind asistența.
1903 - Slovacul Aurel Stodola, profesor la ETH Zürich scrie tratatul Die
Dampfturbinen (Turbinele cu abur), un manual de referință pentru
generațiile viitoare, valabil și astăzi.
1912 - Suedezii Fredrik și Birger Ljungström realizează prima turbină
multietajată radială, fără stator (turbina cu reacțiune totală).
27. Principiul de funcționare
Turbină monoetajată. Componente: Camera de admisie a aburului (gri), ajutajele
(bej), paletele (portocaliu), discul și arborele (verde).
Aburul, cu presiune și temperatură ridicată este destins în paletele statorului,
numite și ajutaje, până la o presiune mai mică. Energia aburului, caracterizată prin entalpie
este transformată în energie cinetică. Aburului cu viteză mare i se schimbă direcția de
curgere cu ajutorul unor palete, rezultând o forță care acționează asupra paletelor, forță care
creează un moment asupra rotorului. Acesta se rotește cu o anumită viteză unghiulară,
livrând la cuplă putere sub formă de lucru mecanic în unitatea de timp.
28. Ținând cont că:
•viteza la care este accelerat aburul prin destindere este:
m/s
unde ht este căderea (diferența) totală de entalpie, exprimată în (kJ / kg) într-o
transformare izoentropică pornind din starea inițială a aburului și până la presiunea finală;
•viteza tangențială a paletelor (adică în direcția în care ele se mișcă momentan) este:
unde D este diametrul mediu al rotorului în dreptul paletelor, în (m), iar n este turația
rotorului, în (rot / s);
•randamentul la palete maxim se obține la un raport x1 = u /c1 de 0,5 pentru turbinele cu
acțiune și de 1,0 pentru turbinele cu reacțiune; rezultă că la o anumită cădere de entalpie
disponibilă, trebuie realizat un anumit produs D n. La căderi de entalpie mari, care asigură
randamente termice mari ale ciclului, rezultă sau diametre, sau turații prea mari. După
modul cum s-a rezolvat această problemă au apărut diverse soluții tehnice, care duc la
clasificarea turbinelor după cum urmează.
29. Clasificarea turbinelor
Turbinele se clasifică în funcție de diferite criterii:
1. După principiul termodinamic de funcționare
•Turbine cu acțiune, la care toată căderea de entalpie a aburului, disponibilă pe turbină
este transformată în energie cinetică numai în paletele statorului, paletele rotorului având
doar rolul de a transforma energia cinetică a aburului în energie mecanică. Turbina cu abur
cu acțiune se caracterizează prin existența diafragmelor.
•Turbine cu reacțiune, la care căderea de entalpie este transformată în energie cinetică
parțial în paletele statorului, numite și palete directoare, iar restul în paletele rotorului.
Deoarece aburul se destinde și în paletele rotorului, forța tangențială ce acționează asupra
acestora provine atât din devierea jetului de abur, cât și din forța reactivă datorită
accelerării jetului.
•Turbine combinate, care au atât trepte cu acțiune (de obicei în partea de înaltă presiune -
IP), cât și trepte cu reacțiune (în partea de joasă presiune - JP).
Faptul că aburul se destinde complet sau nu în ajutaje, adică o treaptă este cu
acțiune sau cu reacțiune depinde strict de forma profilelor ajutajelor și paletelor, cum este
ilustrat în figura alăturată.
30. Curgeri comparate prin paletajul unei trepte a unei turbine cu acțiune și a uneia cu reacțiune.
31. 2. După numărul de trepte:
•Turbine monoetajate, care sunt turbine cu acțiune la care căderea de entalpie este
transformată într-o singură treaptă. Un exemplu este turbina de Laval. Aceste turbine sunt
simple și ieftine, însă pot prelucra doar căderi de entalpie relativ mici și pot livra puteri mici,
la turații mari, uneori peste 300 rot / s. Necesitatea existenței unui reductor limitează
aplicațiile practice.
•Turbine cvasietajate, numite și turbine cu trepte de viteză, sau turbine Curtis, care sunt
turbine cu acțiune la care căderea de entalpie a aburului este transformată în energie cinetică
într-o singură coroană de ajutaje (ca la turbina monoetajată), dar energia cinetică este
transformată în energie mecanică în două sau trei coroane de palete fixate pe rotor. Între
coroanele rotorului sunt plasate coroane de palete redresoare fixe, care reorienteză
convenabil jetul de abur care iese din coroana (treapta) precedentă. Turbinele Curtis pot
prelucra căderi de entalpie mai mari decât turbinele monoetajate, însă au un randament intern
mai mic.
•Turbine multietajate, numite și turbine cu trepte de presiune, la care entalpia aburului este
transformată în mai multe trepte dispuse în serie. Ele pot fi atât cu acțiune, cât și cu
reacțiune. Căderea de entalpie pe treaptă este mai mică, ceea ce duce la turații mai mici,
preferate la acționarea generatoarelor electrice, care lucrează la 50 rot/s sau 25 rot/s în
Europa, respectiv la 60 rot/s sau 30 rot/s în SUA. Aceste turbine pot prelucra căderi de
entalpie mari, pot fi construite pentru puteri foarte mari și au cele mai mari randamente
efective. Au însă construcții complicate, mase mari, sunt scumpe și sunt pretențioase la
exploatare și întreținere.
32. 3. După direcția de curgere a aburului:
•Turbine axiale, la care curgerea generală a aburului se face paralel cu axa de
rotație a rotorului. Ele pot fi de orice tip descris mai sus. Turbinele axiale cu
acțiune se mai numesc turbine Rateau, iar cele cu reacțiune turbine Parsons. Aceste
turbine au numeroase avantaje: au o distribuție a eforturilor mai favorabilă,
construcție, montaj și reglare mai simple și pot fi construite pentru puteri foarte
mari, avantaje care le asigură cea mai mare răspândire.
•Turbine radiale, la care curgerea generală a aburului se face într-un plan
perpendicular pe axa turbinei. Curgerea poate fi centripetă sau centrifugă. Ele pot fi
cu acțiune sau cu reacțiune, monoetajate sau multietajate. Cea mai cunoscută este
turbina Ljungström, care este o turbină cu reacțiune, multietajată, cu curgere
centrifugă, cu paletele plasate alternativ pe două rotoare care se rotesc în sensuri
contrare. Turbinele radiale au o construcție foarte compactă, însă, datorită schemei
defavorabile de solicitări, nu pot fi construite pentru puteri foarte mari.
33. 4. După presiunea finală:
•Turbine cu condensație, la care destinderea aburului se face până la o presiune
inferioară presiunii atmosferice, presiune realizată de un condensator în care este
evacuat aburul ieșit din turbină.
•Turbină cu emisiune în atmosferă la care aburul este evacuat direct în atmosferă, la
o presiune cu foarte puțin mai mică decât presiunea atmosferică. Aceste turbine
aurandament termic redus și se utilizează doar ca turbine auxiliare pentru puteri
foarte mici.
•Turbină cu contrapresiune, la care aburul este evacuat din turbină la o presiune mai
mare decât presiunea atmosferică, în vederea utilizării lui în scopuri tehnologice sau
de încălzire (termoficare industrială)).
34. 5. După prizele de prelevare a aburului:
•Turbine fără prelevare, la care întreaga cantitate de abur ce intră în turbină străbate
toate treptele.
•Turbine cu prize nereglate, la care o parte din abur este preluată dintre trepte și
folosită pentru preîncălzirea regenerativă a apei de alimentare a cazanelor.
Presiunea la aceste prize nu este necesar să aibă valori fixe (să fie reglată), de unde
denumirea lor.
•Turbine cu prize reglate, la care o parte din abur este preluată dintre trepte și
folosită în scopuri tehnologice sau de termoficare. Presiunea la aceste prize este
necesar să aibă valori fixe.
36. Paletele sunt piesele care transformă energia cinetică a aburului în energie
mecanică. Ele sunt formate dintr-o parte activă, lama paletei și o parte de fixare pe
disc (la turbinele cu acțiune), respectiv tambur (la cele cu reacțiune), piciorul
paletei. Lama paletei servește pentru schimbarea direcției aburului în vederea
extragerii din el a energiei. În acest scop lama este profilată aerodinamic, profilele
folosite fiind relativ groase și cu curbură mare. Și la palete forma profilului depinde
de tipul curgerii dorite. La turbinele cu acțiune este nevoie de palete la care canalul
interpaletar să aibă o secțiune practic constantă, iar la cele cu reacțiune este nevoie
de canale convergente sau convergent-divergente.
Paletă de turbină cu profil variabil.
37. Viteza aburului (care este un vector) are o valoare, dacă este raportată la ajutaje, fixă, vectorul
vitezei aburului fiind notat în acest caz cu c, și altă valoare dacă este raportată la palete, care se mișcă cu
viteza u, vectorul vitezei aburului fiind notat în acest caz cu w. Cei trei vectori: c, w și u formează un
triunghi, numit triunghiul vitezelor. Pentru o anumită turație n, viteza u este proporțională cu raza cercului
pe care se mișcă secțiunea respectivă a paletei. Mărimea vitezei c nu depinde de rază, rezultă că forma
triunghiului vitezelor se schimbă cu raza. Forma profilului paletelor este eficientă când direcțiile de intrare
și ieșire ale aburului corespund cu direcțiile rezultate din triunghiul de viteze. Dacă paletele nu sunt prea
lungi, rază nu variază prea mult, nici triunghiurile nu diferă mult, așa că, pentru simplitate tehnologică, se
folosesc palete cu profil constant. Dacă însă paletele sunt lungi sau se doresc performanțe optime, profilul
paletelor trebuie să varieze cu raza, obținându-se așa-numitele palete cu profil variabil (palete răsucite).
Montajul unei turbine cu abur.
38. Fixarea paletelor se face cu ajutorul piciorului. Se folosesc diferite soluții
constructive:
•Îndoirea lamei (vezi paleta din dreapta din figura cu pate cu profil constant),
soluție care este aplicabilă doar paletelor foarte puțin solicitate.
•Picior în formă de T (vezi celelalte palete, din figura cu pate cu profil constant)
soluție folosită pentru palete scurte, care nu generează solicitări mari. Soluția e
folosită la paletele treptelor de înaltă presiune, unde, datorită volumului mic al
aburului, paletele sunt scurte.
•Picior în formă de furcă (vezi prima paletă, neagră, din figura cu pate cu profil
constant). Soluția se folosește dacă solicitările în paletă sunt mari sau dacă este
nevoie de o rigiditate sporită a fixării, de exemplu la treptele de joasă presiune,
unde în general paletele sunt lungi.
•Picior în formă de brad (vezi paletele din figura cu montajul unei turbine cu abur).
Soluția se folosește la paletele extrem de solicitate, de exemplu la paletele foarte
lungi ale treptelor finale ale turbinelor cu condensație, sau la paletele turbinelor cu
gaze.
Fixare prin sudare. Soluția asigură o fixare foarte rigidă, însă materialele
trebuie să fie sudabile și, datorită diferențelor de temperatură care apar în timpul
funcționării între paletă și restul rotorului, apar, datorită dilatărilor, tensiuni termice
mari, care pot produce fisuri, ca urmare soluția este puțin folosită.
39. • Motor termic
• Motor cu ardere internă
• Motor diesel
• Motor Wankel
• Motor cu ardere externă
Motor cu abur
Motor Stirling
• Motor cu reacţie
• Motor cu plasmă
• Motor fotonic
• Motor ionic
• Motor electric
• Motor pneumatic
• Motor hidraulic
• Motor eolian
• Motor nuclear
• Motor sonic
40. Motorul Stirling
În familia mașinilor termice, motorul Stirling definește o mașină
termică cu aer cald cu ciclu închis regenerativ, cu toate că incorect, termenul
deseori este utilizat pentru a se face referire la o gamă mai largă de mașini. În
acest context, "ciclu închis" înseamnă că fluidul de lucru este într-un spațiu
închis numit sistem termodinamic, pe când la mașinile cu "ciclu deschis" cum
este motorul cu ardere internă și anumite motoare cu abur, se produce un
permanent schimb de fluid de lucru cu sistemul termodinamic înconjurător ca
parte a ciclului termodinamic; "regenerativ" se referă la utilizarea unui
schimbător de căldură intern care mărește semnificativ randamentul potențial al
motorului Stirling. Există mai multe variante constructive ale motorului Stirling
din care majoritatea aparțin categoriei mașinilor cu piston alternativ. În mod
obișnuit motorul Stirling este încadrat în categoria motoarelor cu ardere externă
cu toate că sursa de energie termică poate fi nu numai arderea unui combustibil
ci și energia solară sau energia nucleară. Un motor Stirling funcționează prin
utilizarea unei surse de căldură externe și a unui radiator de căldură, fiecare din
acestea fiind menținut în limite de temperatură prestabilite și o diferență de
temperatură suficient de mare între ele.
41. Secţiune prin schema unui motor de tip Beta Stirling cu mecanism de bielă rombic
1 (roz) – peretele fierbinte al cilindrului, 2 (cenuşiu închis) - peretele rece al cilindrului (cu 3
(galben) racorduri de răcire), 4 (verde închis) – izolaţie termică ce separă capetele celor doi
cilindri, 5 (verde deschis) – piston de refulare, 6 (albastru închis) – piston de presiune, 7 (albastru
deschis) - volanţi,
42. Tipuri de motoare
Inginerii clasifică motoarele Stirling în trei tipuri distincte. Tipul Alfa
se referă la cazul când doi sau mai mulți cilindri separați, de diferite
temperaturi, sunt legați între ei. Tipul Beta și Gama utilizează un piston de
refulare pentru a vehicula gazul de lucru între schimbătorul de căldură cald și
cel rece situate in același cilindru.
43. Alfa Stirling
Un motor de tip Alfa Stirling conține două pistoane de lucru, unul cald și altul rece
,situate separat în câte un cilindru. Cilindru pistonului cald este situat în interiorul
schimbătorului de căldură de temperatură înaltă iar cel al pistonului rece în schimbătorul de
căldură de temperatură scăzută. Acest tip de motor are o putere litrică foarte mare dar prezintă
dificultăți tehnice din cauza temperaturilor foarte mari din zona pistonului cald și a etanșării
sale .
Schiţă de funcţionare a motorului Alfa Stirling
Film motor Stirling
44. Funcționarea motorului Alfa Stirling poate fi descrisă în patru timpi:
•Timpul 1: Cea mai mare parte a gazului de lucru este în contact cu peretele
cilindrului cald; ca urmare se încălzește mărindu-și volumul și împingând
pistonul spre capătul cilindrului. Dilatarea continuă și în cilindrul rece al cărui
piston are o mișcare defazată cu 90° față de pistonul cilindrului cald, însoțită de
extragere în continuare de lucru mecanic.
•Timpul 2: Gazul de lucru a ajuns la volumul maxim. Pistonul în cilindrul cald
începe să împingă cea mai mare parte din gaz în cilindrul rece unde pierde din
temperatura acumulată și presiunea scade.
•Timpul 3: Aproape toată cantitatea de gaz este în cilindrul rece și răcirea
continuă. Pistonul rece, acționat de momentul de inerție al volantului sau o altă
pereche de pistoane situate pe același arbore comprimă gazul.
•Timpul 4: Gazul ajunge la volumul minim și pistonul din cilindrul cald va
permite vehicularea spre acest cilindru unde va fi încălzit din nou și va începe
cedarea de lucru mecanic către pistonul de lucru.
45. Beta Stirling
film
Funcţionarea unui motor Beta Stirling
Un motor de tip Beta Stirling are un singur cilindru în care sunt așezate un piston de lucru și
unul de refulare montate pe același ax. Pistonul de refulare nu este montat etanș și nu servește la
extragerea de lucru mecanic din gazul ce se dilată având doar rolul de a vehicula gazul de lucru între
schimbătorul de căldură cald și cel rece. Când gazul de lucru este împins către capătul cald al
cilindrului, se dilată și împinge pistonul de lucru. Când este împins către capătul rece, se contractă și
momentul de inerție al motorului, de obicei mărit cu ajutorul unui volant, împinge pistonul de lucru în
sensul opus, pentru a comprima gazul. Spre deosebire de tipul Alfa în acest caz se evită problemele
tehnice legate de inelele de etanșare de la pistonul cald.
46. Funcționarea motorului Beta Stirling
Schiţă de funcţionare a motorului Beta Stirling
Legendă: AK – piston de lucru, VK – piston de
refulare, HubAK - cursă piston lucru, HubVK -
cursă piston refulare, Q(ab) - căldură cedată,
Q(zu) - căldură primită, To - temperatura sursei
calde, Tu - temperatura sursei reci, 1-2-3-4 –
poziţia unei particule de gaz în punctele limită
de pe diagramele p-V-T;
Dicţionar: Keisprozess=Ciclu, Druck=presiune,
Schwungrad=Volant
47. Gama Stirling
Un motor de tip Gama Stirling este un Beta Stirling la care pistonul de lucru este montat
într-un cilindru separat alăturat de cilindrul de refulare, dar este conectat la același volant. Gazul din
cei doi cilindri circulă liber între aceștia. Această variantă produce o rată de compresie mai mică dar
este constructiv mai simplă și adeseori este utilizat în motoare Stirling cu mai mulți cilindri.
Schiţă de funcţionare a motorului Gama Stirling
Funcționarea motorului Gama Stirling
•Timpul 1: În timpul acestei faze pistonul de lucru efectuează o cursă minimă, volumul total este minim. În
schimb pistonul de refulare efectuează o cursă lungă și gazul de lucru se încălzește.
•Timpul 2: Pistonul de refulare are o cursă scurtă, pe când pistonul de lucru efectuează mai mult de 70 % din
cursa sa totală. El generează energie mecanică.
•Timpul 3: Pistonul de refulare efectuează cea mai mare parte din cursa sa: gazul este răcit. Pistonul de lucru
are o cursă scurtă.
•Timpul 4: Pistonul de refulare rămâne în partea superioară a cilindrului: gazul este complet răcit. Față de
acesta pistonul de lucru parcurge cea mai mare parte a cursei sale: comprimă gazul și cedează lucru mecanic
în acest scop.
48. Alte tipuri
Schiţă Motor Stirling cu piston liber
Inginerii și inventatorii continuă să fie preocupați de realizarea de noi variante
constructive bazate pe ciclul Stirling. O deosebită preocupare înconjoară motorul cu piston
rotativ Stirling, având ca scop transformarea puterii preluate din ciclul Stirling direct în
mișcare rotativă, analog cu motorul cu piston rotativ cu combustie internă. Până în prezent
nu a fost construit niciun prototip, dar există o varietate de concepte, modele, și au fost
înregistrate brevete.
Un domeniu deosebit îl reprezintă motoarele Stirling "cu piston liber", între care
se enumeră și cele cu piston lichid și cele cu diafragmă.
O variantă de motor Stirling este pompa de apă cu piston lichid utilizând ciclul
Stirling. Forma cea mai simplă include gazul de lucru, un lichid și două supape
unidirecționale. Lucrul mecanic dezvoltat în acest caz este utilizat pentru pomparea
lichidului.
49. • Motor termic
• Motor cu ardere internă
• Motor diesel
• Motor Wankel
• Motor cu ardere externă
Motor cu abur
Motor Stirling
• Motor cu reacţie
• Motor cu plasmă
• Motor fotonic
• Motor ionic
• Motor electric
• Motor pneumatic
• Motor hidraulic
• Motor eolian
• Motor nuclear
• Motor sonic
50. Motor cu ardere internă
Motorul cu ardere internă este motorul care transformă energia chimică a
combustibilului prin intermediul energiei termice de ardere, în interiorul motorului, în
energie mecanică.
Arderea sau combustia este o reacție chimică exotermă între un combustibil și
un oxidant, însoțită de degajare de căldură și, uneori și de lumină (flacără). În marea
majoritate a arderilor din tehnică oxidantul este oxigenul din aer. În acest caz reacția de
ardere se produce prin intermediul radicalilor reactivi. Condițiile necesare arderii se
realizează prin însuși procesul de ardere, degajarea de căldură menținând temperatura
înaltă, necesară producerii radicalilor.
Flacără produsă prin arderea unui combustibil.
51. Căldura degajată în camera de ardere se transformă prin intermediul presiunii
(energiei potențiale) aplicate pistonului în mișcare mecanică ciclică, de obicei rectilinie, după
care în mișcare de rotație uniformă, obținută de obicei la arborele cotit. Camera de ardere este
un reactor chimic unde are loc reacția chimică de ardere.
Căldura introdusă în ciclul care se efectuează în cilindrii motorului se obține prin
arderea combustibilului, de obicei un combustibil lichid ca: benzina, motorina sau gazul
petrolier lichefiat, dar se pot folosi și combustibili gazoși, ca gazul natural, sau chiar solizi, ca
praful de cărbune. Oxigenul necesar arderii se obține din aerul atmosferic. Combustibilul în
amestec cu aerul se numește amestec carburant. Arderea poate fi inițiată prin punerea în
contact direct a amestecului carburant cu o sursă de căldură sau se poate produce aproape
instantaneu în toată masa amestecului caz în care se numește detonație și are un caracter
exploziv.
Prin arderea carburanților rezultă diferite produse de ardere cu o temperatură de
aproximativ 2000 °C. Majoritatea acestor produse se prezintă sub formă gazoasă. Pentru o
ardere completă se asigură combustibilului o cantitate de oxigen dozată astfel încât să producă
oxidarea integrală a elementelor sale componente.
52. Clasificarea motoarelor cu ardere internă
Din punctul de vedere al obținerii lucrului mecanic, aceste motoare se clasifică în:
•motoare cu ardere internă cu piston, cu mișcarea liniară a pistonului, sau rotative;
•motoare cu reacție.
După natura combustibilului
•motoare la care se întrebuințează drept combustibil benzina, au carburator sau pompă de
injecție.
•motoare la care se întrebuințează drept combustibil motorina, au pompă de injecție.
•motoare cu gaz la care se întrebuințează drept combustibil un combustibil gazos, de obicei
gaz natural sau un amestec de combustibil.
Motor cu piston în 4 timpi.
53. După numărul de curse simple efectuate de piston într-un ciclu ( sau numărul de timpi)
•motoare în patru timpi;
•motoare în doi timpi.
Motor în patru timpi.
Motor în doi timpi.
54. După spațiul producerii amestecului carburant
•Motoare cu formarea în exteriorul cilindrului a amestecului carburant. Este cazul motoarelor cu
carburator, injecție de benzină în conducta de aspirație și al motoarelor cu gaze cu instalație de
formare externă a amestecului aer-combustibil.
•Motoare cu formarea în cilindru a amestecului carburant. Din această categorie fac parte motoarele
cu injecție de combustibil cum sunt motoarele Diesel sau și unele motoare cu aprindere prin
scânteie și motoarele cu gaze la care combustibilul gazos este introdus în cilindru printr-o supapă
aparte în timpul aspirației.
După felul aprinderii amestecului carburant
•Motor cu aprindere prin scânteie (prescurtat MAS). După admisia și comprimarea amestecului
carburant în cilindrii motorului, în apropierea PMS (punctul mort superior) al pistonului, are loc
aprinderea. Aceasta se realizează prin producerea unei scântei între electrozii bujiei, care aprinde
amestecul carburant. Arderea are loc într-un interval de timp relativ scurt, în care presiunea și
temperatura gazelor din cilindru cresc repede până la presiunea de 30 - 40 daN/cm³ și temperatura
de 1800 – 2.000 °C. Datorită presiunii gazelor din cilindru, care acționează asupra pistonului, acesta
se deplasează spre PMI (punctul mort inferior), și rotește prin intermediul sistemului biela-
manivela, arborele motor. Această cursă a pistonului, se mai numește și cursă activă sau cursă
motoare.
•Motor cu aprindere prin comprimare (prescurtat MAC sau Diesel). La sfârșitul compresiei,
combustibilul este introdus sub presiune în cilindru, fiind pulverizat foarte fin cu ajutorul
injectorului, montat în chiulasă. Datorită contactului cu aerul fierbinte din interiorul cilindrului,
particulele pulverizate se aprind și ard, iar presiunea din cilindru crește, moderat, menținându-se
relativ constantă pe durata arderii. Gazele rezultate în urma arderii apasă asupra pistonului,
determinând deplasarea acestuia spre PMI, efectuând cursa activă. Supapele rămân închise până
aproape de sfârșitul acestei curse.
55. După așezarea cilindrilor sunt
•motoare cu cilindrii în linie.
•motoare cu cilindrii în V.
•motoare cu cilindrii în W.
•motoare cu cilindrii și pistoanele opuse, boxer.
•motoare înclinate, la care cilindrii au axele situate în același plan, însă înclinat
față de planul vertical.
•motoare cu cilindrii așezati în stea, utilizate cu precădere unde este nevoie de un
raport putere/greutate mare, de exemplu în aviație și în marina militară (vedete).
•Motoare cu cilindrii în „Δ” Delta, Napier Deltic-motoarefolosite la căile ferate
și vapoare englezești.
61. • Motor termic
• Motor cu ardere internă
• Motor diesel
• Motor Wankel
• Motor cu ardere externă
Motor cu abur
Motor Stirling
• Motor cu reacţie
• Motor cu plasmă
• Motor fotonic
• Motor ionic
• Motor electric
• Motor pneumatic
• Motor hidraulic
• Motor eolian
• Motor nuclear
• Motor sonic
62. Motor Wankel
Motorul Wankel, în Deutsches Museum din München, Germania
Motorul Wankel este un tip de motor cu ardere internă inventat de inginerul
german Felix Wankel, la care mișcarea de rotație se obține nu printr-un mecanism bielă-
manivelă, ci cu ajutorul unui piston rotativ de formă triunghiulară.
În comparație cu motorul cu ardere internă cu piston, avantajele motorului Wankel
sunt compactitatea și vibrațiile mai reduse. Dezavantajele acestui motor sunt randamentul
mai mic, ceea ce duce la un consum de combustibil mai mare pentru aceeași putere
furnizată, emisia sporită de poluați, ceea ce duce la necesitatea montării unor instalații de
denoxare mai complexe și uzinarea și întreținerea pretențioase, deci mai scumpe.
64. Automobile cu motor Wankel:
•NSU Ro 80
•IFA (Trabant, Wartburg), prototipuri din 1961-1969
•NSU Wankel Spider (1964–1967)
•Ford Mustang (1965) cu Curtiss-Wright RC2-60.
•Mazda 110 S Cosmo Sport (1967–1972)
•NSU Ro 80 (1967–1977)
•Mazda R100 (1968–1975)
•Citroën M35 (1969–1971), 267 de bucăți
•Mazda R130 (1969–1972) Coupé cu motor Wankel 13A
•Mercedes-Benz C111 (prototip 1969–1971)
•Lada (1970–1990)
•Mazda RX-2 (1971–1974)
•Mazda RX-3 (1972–1977) Coupé, Limousine și Caravan.
•Mazda RX-4 (1972-1977) Coupé, Limousine și Caravan.
•Datsun 1200 (1973)
•Corvette XP-897GT (1973)
•Citroën GS Birotor (1974-1975), 847 de bucăți produse
•Mazda Rotary Pickup (1973–1977), numai în SUA
•Mazda Parkway Rotary 26 (1974–1976), primul autobuz cu motor Wankel
•Mazda RoadPacer AP (1975–1977)
•Mazda RX-5 (1975–1981)
•Audi 100 (1976–1977), ca. 25 de prototipuri
•Mazda Luce Legato (1977–1981), versiune top 929L.
•Mazda Cosmo AP RX-5 (1981-1990)
•Mazda Luce (1981-1986), versiune top 929.
•Mazda Luce (1986-1991), versiune top 929.
•EunosCosmo (1990-1995)
•Mazda 787B (1991), Cursa de 24 de ore de la Le Mans (câștigător)
•Mazda RX-7 (1978–2002)
•MollerSkycar, firma Moller
•Mazda RX-8 (din anul 2003)
•Mazda RX-8 HRE Hydrogen RE Hybrid Concept (2004 -)
•Mazda 5 HRE Hydrogen RE Hybrid Concept (2005 -)
65. • Motor termic
• Motor cu ardere internă
• Motor diesel
• Motor Wankel
• Motor cu ardere externă
Motor cu abur
Motor Stirling
• Motor cu reacţie
• Motor cu plasmă
• Motor fotonic
• Motor ionic
• Motor electric
• Motor pneumatic
• Motor hidraulic
• Motor eolian
• Motor nuclear
• Motor sonic
66. Turbină cu gaze
O turbină cu gaze este o turbină termică, care utilizează căderea de entalpie a unui
gaz sau a unui amestec de gaze pentru a produce prin intermediul unor palete care se rotesc în
jurul unui ax a unei cantități de energie mecanică disponibilă la cupla turbinei. Turbina cu
gaze mai este cunoscută și sub denumirea de instalație de turbină cu gaze (ITG).
Din punct de vedere termodinamic o turbină cu gaze funcționează destul de
asemănător cu motorul unui automobil. Aerul din atmosferă este admis într-un compresor cu
palete, unde este comprimat, urmează introducerea unui combustibil, aprinderea și arderea lui
într-o cameră de ardere. Gazele de ardere se destind într-o turbină, care extrage din elelucrul
mecanic, iar apoi sunt evacuate în atmosferă. Procesul este continuu, iar piesele execută doar
mișcări de rotație, ceea ce pentru o putere dată conduce la o masă totală a instalației mai
mică. Ca urmare, turbinele cu gaze s-au dezvoltat în special ca motoare de aviație, însă își
găsesc aplicații în multe alte domenii, unul dintre cele mai moderne fiindtermocentralele cu
cicluri combinate abur-gaz.
Schema funcţionării unei turbine cu gaze cu compresor axial.
67. Istoric
Dezvoltarea turbinelor cu gaze este de dată mult mai recentă decât a turbinelor în general, și de dată mai
recentă decât a turbinelor cu abur.
În 1791 englezul John Barber a brevetat prima adevărată turbină cu gaze, turbină care avea principalele
elemente din turbinele cu gaze moderne.
În 1872 Dr. F. Stolger din Germania a construit prima turbină cu gaze, care însă n-a funcționat niciodată
independent.
În 1903 norvegianul ÆgidiusElling a construit prima turbină cu gaze funcțională, care a produs lucru
mecanic, eveniment important, luând în considerare lipsa de cunoștințe de aerodinamică a vremii.
Turbina sa a reușit să producă o putere de 11 cai putere, foarte mult pentru zilele respective. Din turbina
sa s-a inspirat Frank Whittle.
În 1914 Charles Curtis a realizat prima aplicație practică a unei turbine cu gaze.
În 1918 General Electric, unul din cei mai mari producători, inclusiv din zilele noastre, își începe
producția de turbine cu gaze.
Turboreactor RD-500, clonă a Rolls-Royce Nene, fabricat în URSS.
68. În 1930 englezul Frank Whittle brevetează proiectul unei turbine cu gaze pentru
propulsia avioanelor (motor cu reacție). Realizarea practică a acestui proiect s-a
făcut însă abia în anul 1937. Compresorul acestui motor era de tip centrifugal, și pe
baza lui s-a dezvoltat motorul Rolls-Royce Welland, care a echipat avionul Gloster
Meteor.
În 1936 Hans von Ohain și Max Hahn dezvoltă în Germania un motor cu reacție
bazat pe un brevet propriu. Compresorul acestui motor era de tip axial, și pe baza
lui s-a dezvoltat motorul Junkers Jumo 004 care a echipat avionul MessersmittMe .
69. Clasificarea turbinelor cu gaze
În afară de clasificarea turbinelor termice în general, turbinele cu gaze
se pot clasifica:
După destinație:
•turbine de tracțiune pentru aviație (turboreactoare, turbopropulsoare,
turboventilatoare și turbine pentru antrenarea elicelor elicopterelor);
•turbine de tracțiune navale;
•turbine de tracțiune terestre (pentru locomotive, autovehicule, motociclete,
tancuri etc.);
•turbine de supraalimentare a motoarelor cu ardere internă.
•turbine energetice (pentru termocentrale cu ciclu cu gaze simplu sau cu ciclu
combinat abur-gaz);
După modul de recuperare a căldurii evacuate
•turbine cu recuperator;
•turbine fără recuperator.
După felul ciclului în care lucrează
•cu ciclu închis;
•cu ciclu deschis.
70. • Motor termic
• Motor cu ardere internă
• Motor diesel
• Motor Wankel
• Motor cu ardere externă
Motor cu abur
Motor Stirling
• Motor cu reacţie
• Motor cu plasmă
• Motor fotonic
• Motor ionic
• Motor electric
• Motor pneumatic
• Motor hidraulic
• Motor eolian
• Motor nuclear
• Motor sonic
71. Motor cu reacție
Turboventilator Pratt &Whitney
Un motor cu reacție este un motor care eliberează un jet rapid de
fluide pentru a genera contrapresiune în conformitate cu a treia lege a
mișcării a lui Newton. Această definiție largă include turboreactoare,
turbopropulsoare, turboventilatoare, pulsoreactoare, statoreactoare și
motoare rachetă, dar de obicei se referă la o turbină cu gaze folosită pentru
a produce un jet de gaze de mare viteză în scopul propulsiei.
72. • Motor termic
• Motor cu ardere internă
• Motor diesel
• Motor Wankel
• Motor cu ardere externă
Motor cu abur
Motor Stirling
• Motor cu reacţie
• Motor cu plasmă
• Motor fotonic
• Motor ionic
• Motor electric
• Motor pneumatic
• Motor hidraulic
• Motor eolian
• Motor nuclear
• Motor sonic
73. Motor ionic
Motorul cu ioni 2.3 kW NSTAR al navetei Deep Space 1 a NASA
în timpul unui test la Jet PropulsionLaboratory
Motorul ionic este folosit nave spațiale care creează propulsie
prin accelerarea de ioni.
74. Vehiculul hibrid
Este echipat cu un motor
electric si cu un motor clasic.
Tipuri de vehicule hibride
în paralel - atât motorul
termic cât și cel electric
pot învârti roţile Porshe hibrid
în serie - motorul termic
produce energie electrica
și doar motorul electric
produce tracţiunea.
75. Avantaje si dezavantaje ale motoarelor
electrice
Avantaje: Dezavantaje:
produc mai puțin zgomot cântărește mai puțin decât
decât un motor termic; alte vehicule;
răspund mai rapid la se defectează mai des;
comenzi; costurile de achizitie sunt
recuperarea energiei la mari.
decelerare;
au o autonomie mai mare
decât un vehicul electric
simplu;
se reîncarcă mai repede
decât un vehicul electric;
consum scazut si randament
mare
76. Avantaje si dezavantaje ale motoarelor
electrice
Avantaje Dezavantaje
Fiabilitate mare Pret de achizitie ridicat
Poluare aproape zero (peste 30.000 euro)
Silentios Autonomie redusa (150
Randament ridicat km)
(peste 90%) Timp de alimentare
Consum mic (costul mare (6-8 ore)
energiei electrice
consumate sub 2 euro
la 100km)
77. • Motor termic
• Motor cu ardere internă
• Motor diesel
• Motor Wankel
• Motor cu ardere externă
Motor cu abur
Motor Stirling
• Motor cu reacţie
• Motor cu plasmă
• Motor fotonic
• Motor ionic
• Motor electric
• Motor pneumatic
• Motor hidraulic
• Motor eolian
• Motor nuclear
• Motor sonic
78. Motor electric
Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv electromecanic
care transformă energia electrică în energie mecanică. Transformarea în sens
invers, a energiei mecanice în energie electrică, este realizată de un generator
electric. Nu există diferențe de principiu semnificative între cele două tipuri de
mașini electrice, același dispozitiv putând îndeplini ambele roluri în situații diferite.
Motor electric
79. CLASIFICAREA MAŞINILOR ELECTRICE
După particularităţile constructive şi funcţionale, maşinile electrice se
clasifică astfel:
a) dacă procesele fizice care au loc în maşină se desfăşoară numai pe baza
cuplajului electric, maşina respectivă este de tip electrostatic;
b) dacă procesele fizice care au loc în maşină se desfăşoară pe baza cuplajului
electromagnetic sau numai magnetic, atunci maşina respectivă poate fi:
- de tip electromagnetic, în cazul în care câmpul magnetic principal se
obţine cu ajutorul unor electromagneţi;
- de tip magnetoelectric, în cazul în care câmpul magnetic principal se
obţine cu ajutorul unor magneţi permanenţi.
Din punct de vedere practic cea mai mare importanţă o au maşinile
electrice de tip electromagnetic.
Dacă părţile mobile ale maşinilor electrice execută o mişcare continuă de
rotaţie atunci maşinile respective se numesc maşini electrice rotative sau, dacă
execută o mişcare liniară, se numesc maşini electrice liniare.
80. În exploatarea maşinilor electrice, principalele criterii după care acestea se
clasifică sunt următoarele:
a) După funcţia îndeplinită:
- generatoare electrice;
- motoare electrice;
- convertizoare electrice.
b) După puterea generată sau absorbită:
- maşini electrice de putere mică (puterea electrică este cuprinsă între unităţi şi zeci
de waţi);
- maşini electrice de putere medie (puterea electrică este cuprinsă între sute de
waţi şi zeci de kilowaţi);
- maşini electrice de putere mare (puterea electrică este mai mare de sute de
kilowaţi).
c) După dimensiunile constructive:
- maşini electrice de volum redus;
- maşini electrice de volum mediu;
- maşini electrice de volum mare.
d) După natura energiei electrice debitate sau absorbite:
- maşini electrice de curent continuu (cu excitaţie independentă sau cu
autoexcitaţie);
- maşini electrice de curent alternativ;
- maşini electrice universale.
81. ELEMENTE CONSTRUCTIVE DE BAZĂ ALE MAŞINILOR ELECTRICE
Indiferent de tipul maşinii electric, aceasta are două părţi principale şi anume:
- o parte fixă numită stator;
- o parte mobilă numită rotor.
Statorul (inductorul), care este destinat, în general, producerii fluxului magnetic necesar
funcţionării maşinii electrice respective, este format din următoarele elemente componente: carcasă,
piese polare, înfăşurări, scuturi, sistem de perii cu port perii.
Fig. 4.1 Elementele componente de bază: a) varianta liniară; b) varianta rotativă
Rotorul (indusul), în care, de regulă, se induc tensiuni electromotoare, este format din
următoarele elemente componente: arborele sau axul rotorului, miezul magnetic, înfăşurări, colector şi lamele
de ventilaţie.
Principalele caracteristici constructive ale elementelor componente ale unei maşini electrice sunt
după cum urmează:
Carcasa, reprezintă scheletul pe care e fixează toate elementele componente ale statorului. Se
realizează, de regulă, din material magnetic (tole din oţel electrotehnic cu grosimea cuprinsă între 0,5…1mm)
sub formă cilindrică şi serveşte şi ca drum de închidere a fluxurilor magnetice.
Scuturile sunt capacele fixate de o parte şi de alta a carcasei. În acestea sunt practicate jugurile
(numai la maşinile electrice de putere mică şi medie).
82. MATERIALE UTILIZATE LA CONSTRUCŢIA CIRCUITELOR
MAGNETICE ŞI ELECTRICE ALE MAŞINILOR ELECTRICE
Între vectorul intensităţii câmpului magnetic (H) şi vectorul inducţiei
magnetice (B), pentru medii izotrope, există o relaţie de proporţionalitate,
factorul de proporţionalitate fiind permeabilitatea magnetică a mediului
respectiv µ (caracteristica de magnetizare).
Din punct de vedere al permeabilităţii magnetice, materialele se
împart în trei grupe:
- materiale magnetice, care au µ < µo;
- materiale paramagnetice, care au µ > µo;
- materiale feromagnetice, care au µ >> µo, unde µo este permeabilitatea
magnetică a vidului.
83. Maşinile electrice de curent alternativ, la rândul lor, se mai
clasifică după următoarele criterii:
a) După numărul de faze ale circuitului lor primar (circuitul conectat la
reţeaua de alimentare):
- maşini electrice de curent alternativ monofazat;
- maşini electrice de curent alternativ bifazat;
- maşini electrice de curent alternativ trifazat.
b) După viteza de rotaţie la care funcţionează:
- maşini electrice sincrone;
- maşini electrice asincrone.
84. Materiale utilizate la constructia circuitelor electrice ale maşinilor electrice
Înfăşurările maşinilor electrice arealizate din materiale cu rezistivitate
electrică mică şi anume: cupru şi aluminiu.
Înfăşurări: a) în colivie (aluminiu); b) distribuite în crestături (cupru)
85. PRINCIPIUL GENERAL DE FUNCTIONARE A MASINILOR ELECTRICE
Principiul general de funcţionare a maşinilor electrice se bazează pe:
a) fenomenul inducţiei electromagnetice, dacă maşina respectivă este utilizată ca generator;
b) fenomenul de producere a forţei electromagnetice, dacă maşina respectivă este utilizată ca
motor.
Pentru ca o maşină electrică să funcţioneze ca generator este necesar ca:
- partea mobilă să fie antrenată în mişcarea de rotaţie, de către o sursă exterioară de energie
mecanică (de exemplu, de către un motor);
- înfăşurarea electromagnetului să fie alimentată de la o sursă de energie electrică, numită
sursă de excitaţie;
- bornele de ieşire să fie conectate la consumatorul (sarcina) respectiv.
La nivel de schemă bloc, condiţia ca o maşină electrică să funcţioneze ca generator.
Funcţionarea maşinii electrice ca generator
86. Motoare de curent continuu
Funcționează pe baza unui curent ce nu-și schimbă sensul. În funcție de modul de
conectare al înfășurării de excitație, motoarele de curent continuu se împart în patru
categorii:
• Cu excitație derivație
• Cu excitație serie
• Cu excitație mixtă
• Cu excitație separată
Motorul de curent continuu a fost inventat în 1873 de Zénobe Gramme prin
conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel, a putut
observa că mașina se rotește, realizând conversia energiei electrice absorbite de la
generator. Astfel el a constatat, că generatorul "inițial" era de fapt o mașină electrică
reversibilă, care putea lucra ca un convertizor de energie bidirecțional.
Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici și bobinele polare
concentrate care creează câmpul magnetic de excitație. Pe axul motorului este situat un
colector ce schimbă sensul curentului prin înfășurarea rotorică astfel încât câmpul magnetic
de excitație să exercite în permanență o forță față de rotor.
87. În funcție de modul de conectare a înfășurării de excitație
motoarele de curent continuu pot fi clasificate în:
•motor cu excitație independentă - unde înfășurarea statorică și înfășurarea
rotorică sunt conectate la două surse separate de tensiune
•motor cu excitație paralelă - unde înfășurarea statorică și înfășurarea
rotorică sunt legate în paralel la aceași sursă de tensiune
•motor cu excitație serie - unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică
sunt legate în serie
•motor cu excitație mixtă - unde înfășurarea statorică este divizată în două
înfășurări, una conectată în paralel și una conectată în serie.
88. Înfășurarea rotorică parcursă de curent va avea una sau mai multe perechi
de poli magnetici echivalenți. Rotorul se deplasează în câmpul magnetic de excitație
până când polii rotorici se aliniază în dreptul polilor statorici opuși. În același moment,
colectorul schimbă sensul curenților rotorici astfel încât polaritatea rotorului se
inversează și rotorul va continua deplasarea până la următoarea aliniere a polilor
magnetici.
Pentru acționări electrice de puteri mici și medii, sau pentru acționări ce nu
necesită câmp magnetic de excitație variabil, în locul înfășurărilor statorice se folosesc
magneți permanenți.
Turația motorului este proporțională cu tensiunea aplicată înfășurării rotorice
și invers proporțională cu câmpul magnetic de excitație. Turația se reglează prin
varierea tensiunii aplicată motorului până la valoarea nominală a tensiunii, iar turații
mai mari se obțin prin slăbirea câmpului de excitație. Ambele metode vizează o
tensiune variabilă ce poate fi obținută folosind un generator de curent continuu (grup
Ward-Leonard), prin înserierea unor rezistoare în circuit sau cu ajutorul electronicii de
putere (redresoare comandate, choppere).
Motor universal folosit la râşniţele de cafea
89. Cuplul dezvoltat de motor este direct proporțional cu curentul electric
prin rotor și cu câmpul magnetic de excitație. Reglarea turației prin slăbire de
câmp se face, așadar, cu diminuare a cuplului dezvoltat de motor. La motoarele
serie același curent străbate înfășurarea de excitație și înfășurarea rotorică. Din
această considerație se pot deduce două caracteristici ale motoarelor serie:
pentru încărcări reduse ale motorului, cuplul acestuia depinde de pătratul
curentului electric absorbit; motorul nu trebuie lăsat să funcționeze în gol pentru
că în acest caz valoarea intensității curentului electric absorbit este foarte redusă
și implicit câmpul de excitație este redus, ceea ce duce la ambalarea mașinii
până la autodistrugere. Motoarele de curent continuu cu excitație serie se
folosesc în tracțiunea electrică urbană și feroviară (tramvaie, locomotive).
Schimbarea sensului de rotație se face fie prin schimbarea polarității
tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului câmpului magnetic de
excitație. La motorul serie, prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare se
realizează schimbarea sensului ambelor mărimi și sensul de rotație rămâne
neschimbat. Așadar, motorul serie poate fi folosit și la tensiune alternativă, unde
polaritatea tensiunii se inversează o dată în decursul unei perioade. Un astfel de
motor se numește motor universal și se folosește în aplicații casnice de puteri
mici și viteze mari de rotație (aspirator, mixer).
90. Motoare asincrone
Mașinile electrice asincrone sunt cele mai utilizate mașini în acționările cu
mașini de curent alternativ. S-au dat mai multe definiții în ceea ce privește mașina
electrică asincronă. Două dintre cele mai folosite definiții din domeniul acționărilor
electrice sunt:
1.O mașină asincronă este o mașină de curent alternativ pentru care viteza în sarcină și
frecvența rețelei la care este legată nu sunt într-un raport constant.
2.O mașină este asincronă dacă circuitului magnetic îi sunt asociate două sau mai multe
circuite ce se deplasează unul în raport cu celălalt și în care energia este transferată de
la partea fixă la partea mobilă sau invers prin fenomenul inducției electromagnetice.
O caracteristic a mașinilor asincrone este faptul că viteza de rotație este puțin
diferită de viteza câmpului învârtitor, de unde și numele de asincrone. Ele pot funcționa
în regim de generator (mai puțin răspândit) sau de motor. Cea mai largă utilizare o au ca
motoare electrice (în curent trifazat), fiind preferate față de celelalte tipuri de motoare
prin construcția mai simplă (deci și mai ieftină), extinderea rețelelor de alimentare
trifazate și prin siguranța în exploatare.
La aceste motoare, viteza scade puțin cu sarcina; din acest motiv
caracteristica lor mecanică se numește caracteristică tip derivație. Motoarele asincrone
se folosesc în acționările în care se cere ca turația să nu varieze cu sarcina: mașini-
unelte obișnuite, ventilatoare, unele mașini de ridicat, ascensoare, etc.
• Motoare cu inele de contact ( rotorul bobinat)
• Motoare cu rotorul în scurtcircuit
• Motoare de tipuri speciale
• Motoare cu bare înalte
• Motoare cu dublă colivie Dolivo-Dobrovolski
91. Motoare sincrone
Elemente constructive
Indiferent de tipul motorului, acesta este construit din două părți
componente: stator și rotor. Statorul este partea fixă a motorului, în general
exterioară, ce include carcasa, bornele de alimentare, armătura feromagnetică
statorică și înfășurarea statorică. Rotorul este partea mobilă a motorului, plasată
de obicei în interior. Este format dintr-un ax și o armătură rotorică ce susține
înfășurarea rotorică. Între stator și rotor există o porțiune de aer numită întrefier
ce permite mișcarea rotorului față de stator. Grosimea întrefierului este un
indicator important al performanțelor motorului.
92. Motorul de curent alternativ
Motoarele de curent alternativ funcționează pe baza principiului
câmpului magnetic învârtitor. Acest principiu a fost identificat de Nikola Tesla în
1882. În anul următor a proiectat un motor de inducție bifazat, punând bazele
mașinilor electrice ce funcționează pe baza câmpului magnetic învârtitor.
Ulterior, sisteme de transmisie prin curent alternativ au fost folosite la
generarea și transmisia eficientă la distanță a energiei electrice, marcând cea
de-a doua Revoluție industrială. Un alt punct important în istoria motorului de
curent alternativ a fost inventarea de către Michael von Dolivo-Dobrowlsky în
anul 1890 a rotorului în colivie de veveriță.
93. Motorul de inducție trifazat
Motorul de inducție trifazat (sau motorul asincron trifazat) este cel mai folosit
motor electric în acționările electrice de puteri medii și mari. Statorul motorului de inducție
este format din armătura feromagnetică statorică pe care este plasată înfășurarea trifazată
statorică necesară producerii câmpului magnetic învârtitor. Rotorul este format din
armătura feromagnetică rotorică în care este plasată înfășurarea rotorică. După tipul
înfășurării rotorice, rotoarele pot fi de tipul:
- rotor în colivie de veveriță (în scurtcircuit) - înfășurarea rotorică este realizată din bare de
aluminiu sau cupru scurtcircuitate la capete de două inele transversale.
- rotor bobinat - capetele înfășurării trifazate plasate în rotor sunt conectate prin interiorul
axului la 3 inele. Accesul la inele dinspre cutia cu borne se face prin intermediul a 3 perii.
Prin intermediul inducției electromagnetice câmpul magnetic învârtitor va induce
în înfășurarea rotorică o tensiune. Această tensiune creează un curent electric prin
înfășurare și asupra acestei înfășurări acționează o forță electromagnetică ce pune rotorul
în mișcare în sensul câmpului magnetic învârtitor. Motorul se numește asincron pentru că
turația rotorului este întotdeauna mai mică decât turația câmpului magnetic învârtitor,
denumită și turație de sincronism. Dacă turația rotorului ar fi egală cu turația de sincronism
atunci nu ar mai avea loc fenomenul de inducție electromagnetică, nu s-ar mai induce
curenți în rotor și motorul nu ar mai dezvolta cuplu.
Turația motorului se calculează în funcție alunecarea rotorului față de turația de
sincronism, care este cunoscută, fiind determinată de sistemul trifazat de curenți.
94. Motorul de inducție monofazat
În cazul în care sistemul trifazat de tensiuni nu este accesibil, cum este
în aplicațiile casnice, se poate folosi un motor de inducție monofazat. Curentul
electric monofazat nu poate produce câmp magnetic învârtitor ci produce câmp
magnetic pulsatoriu (fix în spațiu și variabil în timp). Câmpul magnetic pulsatoriu
nu poate porni rotorul, însă dacă acesta se rotește într-un sens, atunci asupra lui
va acționa un cuplu în sensul său de rotație. Problema principală o constituie
deci, obținerea unui câmp magnetic învârtitor la pornirea motorului și aceasta se
realizează în mai multe moduri.
Prin atașarea pe statorul mașinii la un unghi de 90° a unei faze
auxiliare înseriată cu un condensator se poate obține un sistem bifazat de
curenți ce produce un câmp magnetic învârtitor. După pornirea motorului se
deconectează faza auxiliară printr-un întrerupător centrifugal. Sensul de rotație
al motorului se poate schimba prin mutarea condensatorului din faza auxiliară în
faza principală.
În locul fazei auxiliare se poate folosi o spiră în scurtcircuit plasată pe o
parte din polul statoric pentru obținerea câmpului învârtitor. Curentul electric
indus în spiră se va opune schimbării fluxului magnetic din înfășurare, astfel
încât amplitudinea câmpului magnetic se deplasează pe suprafața polului
creând câmpul magnetic învârtitor.
95. Servomotorul asincron monofazat
Servomotorul asincron monofazat este o mașină de inducție cu două
înfășurări: o înfășurare de comandă și o înfășurare de excitație. Cele două
înfășurări sunt așezate la un unghi de 90° una față de cealaltă pentru a crea
un câmp magnetic învârtitor. Rezistența rotorului este foarte mare pentru a
realiza autofrânarea motorului la anularea tensiunii de pe înfășurarea de
comandă. Datorită rezistenței rotorice mari, randamentul motorului este
scăzut și motorul se folosește în acționări electrice de puteri mici și foarte
mici.
96. Motorul sincron trifazat
Motorul sincron trifazat este o mașină electrică la care turația rotorului
este egală cu turația câmpului magnetic învârtitor indiferent de încărcarea
motorului. Motoarele sincrone se folosesc la acționări electrice de puteri mari și
foarte mari de până la zeci de MW.
Statorul motorului sincron este asemănător cu statorul motorului de
inducție (este format dintr-o armătură feromagnetică statorică și o înfășurare
trifazată statorică). Rotorul motorului sincron este format dintr-o armătură
feromagnetică rotorică și o înfășurare rotorică de curent continuu. Pot exista
două tipuri constructive de rotoare: cu poli înecați și cu poli aparenți. Rotorul cu
poli înecați are armătura feromagnetică crestată spre exterior și în crestătură
este plasată înfășurarea rotorică. Acest tip de motor are uzual o pereche de poli
și funcționează la turații mari (3000 rpm la 50 Hz). Rotorul cu poli aparenți are
armătura feromagentică sub forma unui butuc poligonal pe care sunt plasate
miezurile polilor rotorici și bobine polare concentrate. În unele situații în locul
bobinelor polare concentrate se pot folosi magneți permanenți. Motorul sincron
cu poli aparenți are un număr mare de poli și funcționează la turații mai reduse.
Accesul la înfășurarea rotorică se face printr-un sistem inel-perie asemănător
motorului de inducție. Motoarele sincrone cu poli aparenți pot avea cuplu chiar și
în lipsa curentului de excitație, motorul reactiv fiind cel ce funcționează pe baza
acestui cuplu, fără înfășurare de excitație și fără magneți permanenți.
97. Înfășurarea rotorică (de excitație) a motorului parcursă de curent
continuu creează un câmp magnetic fix față de rotor. Acest câmp „se lipește”
de câmpul magnetic învârtitor statoric și rotorul se rotește sincron cu acesta.
Datorită inerției, câmpul magnetic rotoric nu are timp să se lipească de câmpul
magnetic învârtitor și motorul sincron nu poate porni prin conectare directă la
rețea.
Există trei metode principale de pornire a motoarelor sincrone:
•pornirea în asincron - pe tălpile polare rotorice este prevăzută o colivie
asemănătoare coliviei motorului de inducție și motorul pornește pe același
principiu ca al motorului de inducție.
•pornirea la frecvență variabilă - este posibilă doar atunci când este disponibilă
o sursă de tensiune cu frecvență variabilă sau un convertor cu frecvență
variabilă. Creșterea frecvenței se face lent, astfel încât câmpul învârtitor să
aibă viteze suficient de mici la început pentru a putea permite rotorului să se
„lipească” de câmpul magnetic învârtitor.
•pornirea cu motor auxiliar - necesită un motor auxiliar ce antrenează motorul
sincron conectat la rețea. Când motorul ajunge la o turație apropiată de turația
de sincronism motorul auxiliar este decuplat, motorul sincron se mai
accelerează puțin până ajunge la turația de sincronism și continuă să se
rotească sincron cu câmpul magnetic învârtitor.
98. Motorul sincron monofazat
Este realizat uzual ca motor sincron reactiv cu sau fără magneți
permanenți pe rotor. Asemănător motoarelor de inducție monofazate,
motoarele sincrone monofazate necesită un câmp magnetic învârtitor ce
poate fi obținut fie folosind o fază auxiliară și condensator fie folosind spiră în
scurtcircuit pe polii statorici. Se folosesc în general în acționări electrice de
puteri mici precum sistemele de înregistrare și redare a sunetului și imaginii.
99. Motorul pas cu pas
Motorul pas cu pas este un tip de motor sincron cu poli aparenți
pe ambele armături. La apariția unui semnal de comandă pe unul din
polii statorici rotorul se va deplasa până când polii săi se vor alinia în
dreptul polilor opuși statorici. Rotirea acestui tip de rotor se va face
practic din pol în pol, de unde și denumirea sa de motor pas cu pas.
Comanda motorului se face electronic și se pot obține deplasări ale
motorului bine cunoscute în funcție de programul de comandă.
Motoarele pas cu pas se folosesc acolo unde este necesară precizie
ridicată (hard disc, copiatoare).
100. • Motor termic
• Motor cu ardere internă
• Motor diesel
• Motor Wankel
• Motor cu ardere externă
Motor cu abur
Motor Stirling
• Motor cu reacţie
• Motor cu plasmă
• Motor fotonic
• Motor ionic
• Motor electric
• Motor pneumatic
• Motor hidraulic
• Motor eolian
• Motor nuclear
• Motor sonic
101. Motor hidraulic
Un motor hidraulic este o mașină de forță care transformă
energia unui lichid în energie mecanică de rotație a unor corpuri
solide folosind în acest scop niște pistoane.
Motor pneumatic
102. • Motor termic
• Motor cu ardere internă
• Motor diesel
• Motor Wankel
• Motor cu ardere externă
Motor cu abur
Motor Stirling
• Motor cu reacţie
• Motor cu plasmă
• Motor fotonic
• Motor ionic
• Motor electric
• Motor pneumatic
• Motor hidraulic
• Motor eolian
• Motor nuclear
• Motor sonic
106. Randamente ale unor masini
termice
• Maşina cu abur simplă = 1,7%
• Maşina cu abur perfecţionată = 16%
• Turbinele cu vapori = 20%
• Motorul de automobil = 31%
• Motorul Diesel = 41%
107. BIBLIOGRAFIAE
Momi Bartorelli Le moderne Turbine a gas, EdUlricoHoepli, Milano, 1949
G. S. Jirițki Turbine cu gaze pentru aviație, (traducere din limba rusă), Editura Tehnică, București,
1952.
V. Pimsner ș.a. Procese în mașini termice cu palete - aplicații și probleme, Editura Tehnică,
București, 1986.
Constantin Ghiță - Mașini electrice, EdMatrix Rom, București, 2005, ISBN 973-685-919-3
Ion Mihai - inginer, Dorin Merișca - inginer, Eugen Mânzărescu - inginer -Manual pentru
autorizarea electricienilor instalatori Centrul de Informare și Documentare pentru Energetică,
București 1998
Academia Republicii Populare Române, Dicționar Enciclopedic Român, Editura Politică, București,
1962-1964
Răduleț, R. și colab. Lexiconul Tehnic Român, Editura Tehnică, București, 1957-1966.
Aurel Stodola, Die Dampfturbinen, Ed. 3, Springer Verlag, Berlin, 1905
Constantin Zietemann, Die Dampfturbinen, ed. 2, Springer-Verlag, Berlin-Göttingen- Heidelberg,
1955
Titus Grecu, Mircea Cârdu, Ian Nicolau, Turbine cu abur, Editura Tehnică, București, 1976
Bazil Popa și colab., Manualul inginerului termotehnician (MIT), vol. 2, Editura Tehnică, 1986
Victor Pimsner ș.a., Procese în mașini termice cu palete, Editura Tehnică, București, 1986
Gavril Creța, Turbine cu abur și cu gaze, Editura Tehnică, 1996, ISBN 973-31-0965-7
Alexander Leyzerovich, Large Steam Power Turbines, PennWellPublishing Company, 1997, Tulsa,
US-OK
108. •en Van Wylan, Gordon J. andSontag, Richard F. (22 august 1976). Fundamentals of
ClassicalThermodynamics SI Version 2nd Ed.. New York: John WileyandSons. ISBN 0-471-04188-2
•en Walker, G. (22 august 1985). Free Piston Stirling CycleEngines. Springer-Verlag. ISBN 0-387-
15495-7
•en Hargreaves, C. M. (22 august 1991). The Philips Stirling Engine. Elsevier Publishers. ISBN 0-444-
88463-7
Bazil Popa și colab. Manualul inginerului termotehnician (MIT), vol. 1, București: Editura Tehnică,
1986
Cornel Ungureanu Generatoare de abur pentru instalații energtice, clasice și nucleare, București:
Editura Didactică și Pedagogică, 1978
Nicolae A. Pănoiu Cazane de abur, București: Editura Didactică și Pedagogică, 1982
Constantin C. Neaga Tratat de generatoare de abur, vol I, București: Editura AGIR, 2001, ISBN 973-
8130-67-0
BertholdGrünwald, Teoria, calculul și construcția motoarelor pentru autovehicule rutiere, București:
Editura Didactică și Pedagogică, 1980
Gheorghe Frățilă, Mariana Frățilă, S. Samoilă Automobile, Editura Didactică și Pedagogică,
București, 2007
Răduleț, R. și colab. Lexiconul Tehnic Român (LTR), Editura Tehnică, București, 1957-1966.
Popa, Bazil (1986). Manualul inginerului termotehnician, (MIT), vol 2 (ed. Ed. a 2-a). București:
Editura Tehnică
Theil, Helmut (1972). Termotehnică și mașini termice. Timișoara: Litografia Univ. „Politehnica”
Șubenko-Șubin, L. A. (1960). Atlas - Konstrukții i shemgazoturbinîhustanovok. Kiev: Moskva
109. Răduleţ, R. și colab. Lexiconul Tehnic Român (LTR), Editura Tehnică, București, 1957-1966.
Popa, Bazil (1986). Manualul inginerului termotehnician, (MIT), vol 2 (ed. Ed. a 2-a). București:
Editura Tehnică
Creţa, Gavril (1996). Turbine cu abur și cu gaze (ed. Ed. a 2-a). București: Editura Tehnică. ISBN
973-31-0965-7
Ispas, Ștefan (1991). Motorul turboreactor – istorie, prezent, perspective. București: Editura
Tehnică. ISBN 973-31-0273-3
Theil, Helmut (1972). Termotehnică și mașini termice. Timișoara: Litografia Univ. „Politehnica”
Șubenko-Șubin, L. A. (1960). Atlas - Konstrukţii i shemgazoturbinîhustanovok. Kiev: Moskva
Momi Bartorelli Le moderne Turbine a gas, EdUlricoHoepli, Milano, 1949
G. S. Jiriţki Turbine cu gaze pentru aviaţie, (traducere din limba rusă), Editura Tehnică, București,
1952.
V. Pimsner ș.a. Procese în mașini termice cu palete - aplicaţii și probleme, Editura Tehnică,
București, 1986.
