Υδροδυναμικές και Θερμικές Μηχανές

(1) ΓΕΝΙΚΑ

(2) ΜΑΘΗΣΙΑΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

(3) ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

Εισαγωγή. Ιστορική αναδρομή. Ενεργειακοί ισολογισμοί και ροή ενέργειας στις στροβιλομηχανές. Διάκριση μεταξύ μηχανών συμπιεστού και ασυμπίεστου ρευστού. Το θεώρημα της ροπής της ορμής. Τρίγωνα ταχυτήτων και μετατροπή μεταξύ ακίνητου και κινούμενου συστήματος συντεταγμένων. Άεργη ροή. Εφαρμογή του θεωρήματος της ροπής της ορμής σε πτερωτές ακτινικής και αξονικής ροής. Διαμορφώσεις στροβιλομηχανών. Μονοβάθμιες και πολυβάθμιες μηχανές. Ροή μεταξύ των πτερυγίων. Φυγόκεντρες αντλίες. Βέλτιστη παροχή. Ιδεατή και θεωρητική χαρακτηριστική πτερωτής. Βαθμοί απόδοσης. Χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας. Νόμοι ομοιότητας. Ειδικός αριθμός στροφών. Αντλητική εγκατάσταση. Καθορισμός σημείου λειτουργίας. Επιλογή αντλίας. Συνεργασία αντλιών. Σπηλαίωση. Τύποι υδροστροβίλων. Η ανάπτυξη της ροπής σε πτερωτή υδροστροβίλου. Τρίγωνα ταχυτήτων και θεωρητική χαρακτηριστική πτερωτής υδροστροβίλου. Βαθμοί απόδοσης. Χαρακτηριστικές υδροστροβίλου. Είδη θερμικών στροβιλομηχανών και περιγραφή λειτουργίας τους. Κύκλος Brayton. Μονοδιάστατη ανάλυση λειτουργίας. Βαθμοί απόδοσης. Χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας συμπιεστή και στροβίλου. Εμβολοφόρες M.E.K. Θεωρητικοί και πραγματικοί κύκλοι λειτουργίας. Στοιχεία καύσης.

(4) ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ KAI ΜΑΘΗΣΙΑΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ – ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ

Διδακτέα Ύλη ανά Εβδομάδα (13 εβδομάδες) :

(1η εβδομάδα)
1.1 Ιστορική εξέλιξη των εμβολοφόρων Μηχανών Εσωτερικής Καύσεως (ΜΕΚ).
1.2 Ιστορική εξέλιξη των αεριοστροβίλων.
1.3 Γενική κατάταξη των ΜΕΚ.
1.4 Χρήση των πετρελαιοκινητήρων.
1.5 Χρήση των βενζινοκινητήρων.

(2η εβδομάδα)
1.6 Βασικές αρχές λειτουργίας αεριοστροβίλων.
1.6.1 Λειτουργία των αεριοστροβίλων.
1.6.2 Σύγκριση των αεριοστροβίλων με τις εμβολοφόρες ΜΕΚ.
1.6.3 Τύποι αεριοστροβίλων.
1.7 Αντλίες.
1.7.1 Αντλίες θετικής εκτοπίσεως (positive displacement pumps).
1.7.2 Υδροδυναμικές αντλίες.
1.8 Υδροστρόβιλοι.
1.9 Έλικες πλοίων.
1.10 Υδραυλικοί σύνδεσμοι (συμπλέκτες)

(3η εβδομάδα)
2.1 Συμπιεστές (Compressors).
2.1.1 Είδη συμπιεστών.
2.1.2 Ο ακτινικός συμπιεστής.
2.1.3 Ο αξονικός συμπιεστής.
2.2 Ο στρόβιλος (Turbine).
2.2.1 Βασικές αρχές λειτουργίας.
2.2.2 Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά.
2.2.3 Στρόβιλος ισχύος.

(4η εβδομάδα)
2.3 Ο θάλαμος καύσεως (Combustion chamber ή combustor).
2.3.1 Τύποι θαλάμων καύσεως.
2.3.2 Η λειτουργία του θαλάμου καύσεως.
2.3.3 Βασικές παράμετροι λειτουργίας των θαλάμων καύσεως.
2.3.4 Καταπόνηση των θαλάμων καύσεως.
2.3.5 Έγχυση του καυσίμου.
2.4 Μέθοδοι μειώσεως εκπομπών ρύπων σε αεριοστροβίλους.

(5η εβδομάδα)
3.1 Ενεργειακός ισολογισμός.
3.2 Η περίπτωση του ασυμπίεστου ρευστού.
3.3 Συστήματα συντεταγμένων και τρίγωνα ταχυτήτων.
3.4 Η ανάπτυξη της ροπής στην πτερωτή στροβιλομηχανής.
3.5 Η περίπτωση της μερικής πτερωτής.
3.5.1 Μερική πτερωτή στροβίλου.
3.5.2 Μερική πτερωτή εργοστροβιλομηχανής.

(6η εβδομάδα)
3.6 Εφαρμογή σε πτερωτές υδροδυναμικών μηχανών πλήρως ακτινικής ροής.
3.6.1 Πτερωτή αντλίας πλήρως ακτινικής ροής.
3.6.2 Δρομέας υδροστροβίλου πλήρως ακτινικής ροής.
3.7 Άεργη ροή.
3.7.1 Μηδενική αναπτυσσόμενη ροπή – διατήρηση της συστροφής.
3.7.2 Ο ακτινικός διαχύτης και η αρχή λειτουργίας του σπειροειδούς κελύφους.
3.7.3 Ακίνητα πτερύγια – άεργη μεταβολή της συστροφής μέσα από τη στεφάνη οδηγητικών πτερυγίων υδροστροβίλου.

(7η εβδομάδα)
3.8 Εφαρμογή των σχέσεων μερικής πτερωτής σε πτερωτές αξονικής ροής.
3.8.1 Η πτερωτή αντλίας αξονικής ροής.
3.8.2 Η πτερωτή ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα.
3.9 Η διαμόρφωση των στροβιλομηχανών.
3.9.1 Η διαμόρφωση της μεσημβρινής τομής μιας πτερωτής αντλίας.
3.9.2 Η διαμόρφωση των υδροστροβίλων τύπου Francis.
3.9.3 Πολυβάθμιες στροβιλομηχανές.
3.10 Ισεντροπικοί βαθμοί αποδόσεως συμπιεστή, στροβίλου και ακροφυσίου.
3.11 Αδιάστατοι παράμετροι σχεδιάσεως των στροβιλομηχανών.
3.11.1 Ο συντελεστής παροχής (flow coefficient).
3.11.2 Ο συντελεστής φορτίσεως ή έργου (load coefficient ή work coefficient ή loading factor).
3.11.3 Ο βαθμός αντιδράσεως (degree of reaction).
3.11.4 Ο βαθμός αντιδράσεως σε στροβιλομηχανές ασυμπίεστου ρευστού.
3.11.5 Βαθμός αντιδράσεως σε βαθμίδα στροβίλου αξονικής ροής.
3.11.6 Βαθμός αντιδράσεως σε βαθμίδα συμπιεστή αξονικής ροής.
3.11.7 Ο συντελεστής διαχύσεως πτερυγώσεως (diffusion factor).

(8η εβδομάδα)
4.1 Βασικοί κύκλοι αεριοστροβίλων παραγωγής ισχύος (shaft-power gas turbines).
4.1.1 Ιδανικός πρότυπος βασικός κύκλος αέρα (ideal air standard basic cycle) (κύκλος Joule - Brayton).
4.1.2 Μη ιδανικός πρότυπος βασικός κύκλος αέρα.
4.1.3 Βασικός κύκλος πραγματικού εργαζόμενου μέσου.
4.1.4 Βασικός ισοδύναμος κύκλος αέρα.
4.2 Τροποποιημένοι κύκλοι αεριοστροβίλων.
4.2.1 Αεριοστρόβιλος με προθέρμανση του συμπιεσμένου αέρα.
4.2.2 Αεριοστρόβιλος με έγχυση ατμού.
4.2.3 Αεριοστρόβιλος με ψεκασμό νερού και προθερμαντήρα.
4.2.4 Αεριοστρόβιλος με ενδιάμεση ψύξη του αέρα.
4.2.5 Αεριοστρόβιλος με αναθέρμανση των καυσαερίων.
4.2.6 Αεριοστρόβιλος με ενδιάμεση ψύξη, προθέρμανση και αναθέρμανση των καυσαερίων.
4.2.7 Αεριοστρόβιλος κλειστού κυκλώματος.

(9η εβδομάδα)
4.3 Διαγράμματα λειτουργίας.
4.3.1 Χάρτης επιδόσεων συμπιεστή.
4.3.2 Χάρτης επιδόσεων στροβίλου.
4.3.3 Χαρακτηριστικές καμπύλες ισχύος και ροπής αεριοστροβίλου.

(10η εβδομάδα)
5.1 Τύποι αντλιών ακτινικής ροής.
5.1.1 Γενικά.
5.1.2 Μονοβάθμιες αντλίες μονής εισόδου με σπειροειδές κέλυφος (single-stage, single-entry pumps with volute casing).
5.1.3 Μονοβάθμιες αντλίες διπλής εισόδου με σπειροειδές κέλυφος (single-stage, double-entry pumps with volute casing).
5.1.4 Πολυβάθμιες αντλίες μονής εισόδου (multistage, single-entry pumps).
5.1.5 Αντλίες με ερμητική στεγανοποίηση.
5.1.6 Υποβρύχιες αντλίες (submersible pumps).
5.1.7 Βασικά τμήματα μονοβάθμιας φυγοκεντρικής αντλίας απλής εισόδου με σπειροειδές κέλυφος.

(11η εβδομάδα)
5.2 Γενικές εξισώσεις.
5.2.1 Το ολικό ύψος της αντλίας.
5.2.2 Ισχείς.
5.2.3 Τρίγωνα ταχυτήτων.
5.2.4 Βέλτιστη (optimum) παροχή.
5.2.5 Ιδεατή και θεωρητική χαρακτηριστική της πτερωτής.
5.2.6 Αδιάστατα μεγέθη της αντλίας.
5.2.7 Υδραυλικός βαθμός αποδόσεως της αντλίας.
5.2.8 Ογκομετρικός βαθμός αποδόσεως της αντλίας.
5.2.9 Μηχανικός βαθμός αποδόσεως της αντλίας.
5.2.10 Ολικός βαθμός αποδόσεως της αντλίας.

(12η εβδομάδα)
5.2.11 Χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας της αντλίας.
5.2.12 Μετατροπή των χαρακτηριστικών καμπυλών αντλίας για διαφορετικές ταχύτητες περιστροφής.
5.2.13 Ιδιαίτερες καταστάσεις λειτουργίας της αντλίας.

(13η εβδομάδα)
5.3 Η αντλητική εγκατάσταση.

Αλλα Σχόλια για την Οργάνωση της Διδασκαλίας :

Η επίλυση ασκήσεων και παραδειμάτων πραγματοποιείται μετά την ολοκλήρωση των αντίστοιχων ενοτήτων της διδακτέας ύλης.

(5) ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΦΟΙΤΗΤΩΝ

(6) ΣΥΝΙΣΤΩΜΕΝΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

• Ι.Κ. Νικολός, "Θερμικές και Υδροδυναμικές Μηχανές", Σημειώσεις μαθήματος, 2021 (αναρτημένο στο e-class).
• Ι.Κ. Νικολός, "Θερμικές και Υδροδυναμικές Μηχανές - Λυμένα Παραδείγματα", 2021 (αναρτημένο στο e-class).
• Παπαντώνης Δ., "Υδροδυναμικές μηχανές αντλίες υδροστρόβιλοι - Υδροδυναμικές μεταδόσεις ( ασκήσεις - παραδείγματα)".
• Παπανίκας, Δ.Γ., "Ρευστοδυναμικές Μηχανές".
• Πολυζάκης, Α., "Ρευστοδυναμικές Μηχανές: Στροβιλομηχανές - Υδροδυναμικές Μηχανές".
• Gulich, J.F., "Centrifugal Pumps", Springer.
• Dick, E., "Fundamentals of Turbomachines", Springer.
• Boyce, M.P., "Gas turbine engineering handbook", Elsevier.