In a motor or a drive system the quantity of power increases in the direction opposite to the direction of power flow. Energy losses and energy efficiency of a motor or drive system must be presented as functions of physical quantities independent of losses. Such quantities are speed and load. But the picture of power stream in a motor or drive system is presented in the literature in the form of traditional Sankey diagram of power decrease in the direction of power flow. The paper refers to Matthew H. Sankey’s diagram in his paper „The Thermal Efficiency of Steam Engines” of 1898. Presented is also a diagram of power increase in the direction opposite to the direction of power flow. The diagram, replacing the Sankey’s diagram, opens a new prospect for research into power of energy losses and efficiency of motors and drive systems.
W silniku lub w układzie napędowym wielkość strumienia mocy rośnie w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu mocy. Straty energetyczne i sprawność energetyczna silnika lub układu napędowego powinny być przedstawiane jako funkcje wielkości fizycznych niezależnych od strat. Takimi wielkościami są prędkość i obciążenie silnika. Jednakże obraz strumienia mocy w silniku lub w układzie napędowym jest przedstawiany w literaturze w formie tradycyjnego wykresu Sankeya spadku mocy zgodnego z kierunkiem przepływu mocy. Artykuł nawiązuje do wykresu Matthew H. Sankeya zamieszczonego w jego referacie The Thermal Efficiency of Steam Engines z roku 1898. Przedstawiony jest także wykres wzrostu mocy w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu mocy. Wykres ten, zastępujący wykres Sankeya, otwiera nową perspektywę badań mocy strat energetycznych i sprawności energetycznej silników i układów napędowych.
EN
In a motor or in a drive system the quantity of power increases in the direction opposite to the direction of power flow. Energy losses and energy efficiency of a motor or a drive system must be presented as functions of physical quantities independent of losses. Such quantities are speed and load. But the picture of power stream in a motor or in a drive system is presented in the literature in the form of traditional Sankey diagram of power decrease in the direction of power flow. The paper refers to Matthew H. Sankey’s diagram in his paper The Thermal Efficiency of Steam Engines – of 1898. Presented is also a diagram of power increase in the direction opposite to the direction of power flow. The diagram, replacing the Sankey diagram, opens a new perspective of research into power of energy losses and efficiency of motors and drive systems.
Powers of energy losses in a variable capacity displacement pump are compared with or without taking into account the power of hydraulic oil compression. Evaluation of power of liquid compression in the pump was made possible by the use of method, proposed by the Author, of determining the degree of liquid aeration in the pump . In the method of determining the liquid aeration in the pump and of powers of volumetric losses of liquid compression a simplified formula (qPvc . ΔpPi)/2 was used describing the field of indicated work of volumetric losses qPvc of liquid compression during one shaft revolution at indicated increase ΔpPi of pressure in the chambers. Three methods were used for comparing the sum of powers of volumetric losses ΔPPvl due to leakage and ΔPPvc of compression and also of mechanical losses resulting from increase ΔpPi of indicated pressure in the working chambers.
The objective of the work is to develop the capability of evaluating the volumetric losses of hydraulic oil compression in the working chambers of high pressure variable capacity displacement pump. Volumetric losses of oil compression must be determined as functions of the same parameters, which the volumetric losses due to leakage, resulting from the quality of design solution of the pump, are evaluated as dependent on and also as function of the oil aeration coefficient ε. A mathematical model has been developed describing the hydraulic oil compressibility coefficient as a relation to the ratio ΔpPi/pn of indicated increase ΔpPi of pressure in the working chambers and the nominal pressure pn, to the pump capacity coefficient bP, to the oil aeration coefficient ε and to the ratio ν/νn of oil viscosity ν and reference viscosity νn. A mathematical model is presented of volumetric losses of hydraulic oil compression in the pump working chambers in the form allowing to use it in the model of power of losses and energy efficiency.
5
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Porównano moce strat energetycznych w pompie wyporowej o zmiennej wydajności, określone bez uwzględnienia bądź z uwzględnieniem mocy ściskania oleju hydraulicznego. Ocena mocy ściskania cieczy w pompie stała się możliwa dzięki zastosowaniu, zaproponowanej przez autora, metody określenia stopnia zapowietrzenia cieczy w pompie. W metodzie określenia stopnia zapowietrzenia cieczy w pompie oraz w ocenie mocy strat objętościowych ściskania cieczy zastosowano uproszczony wzór (qPvc × pn)/2 opisujący pole pracy indykowanej strat objętościowych qPvc ściskania cieczy w trakcie jednego obrotu wału przy indykowanym przyroście ∆pPi ciśnienia w komorach. Porównano trzema metodami sumę mocy strat objętościowych ∆PPvl przecieków i ∆PPvc ściskania oraz strat mechanicznych wynikających z przyrostu ∆pPi ciśnienia indykowanego w komorach roboczych.
EN
Powers of energy losses in a variable capacity displacement pump are compared with or without taking into account the power of hydraulic oil compression. Evaluation of power of liquid compression in the pump was made possible by the use of, proposed by the Author, method of determining the degree of liquid aeration in the pump. In the method of determining the liquid aeration in the pump and of power of volumetric losses of liquid compression a simplified formula (qPvc × pn)/2 was used describing the field of indicated work of volumetric losses qPvc of liquid compression during one shaft revolution at indicated increase ∆pPi of pressure in the chambers. Three methods were used for comparing the sum of power of volumetric losses ∆PPvl due to leakage and ∆PPvc of compression and also of mechanical losses resulting from increase ∆pPi of indicated pressure in the working chambers.
6
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Celem pracy jest stworzenie możliwości oceny strat objętościowych wynikających ze ściskania oleju hydraulicznego w komorach roboczych wysokociśnieniowej pompy wyporowej o zmiennej wydajności na obrót wału. Straty objętościowe ściskania oleju muszą być określone jako funkcje tych samych parametrów, w zależności od których ocenione są straty objętościowe przecieków oleju w komorach, wynikające z jakości rozwiązania konstrukcyjnego samej pompy, a ponadto jako funkcja współczynnika ε zapowietrzenia oleju. Opracowano model matematyczny opisujący współczynnik klc|Δpi; bP; ε; ν ściśliwości oleju hydraulicznego jako zależność od stosunku ΔpPi/pn indykowanego przyrostu ΔpPi ciśnienia w komorach roboczych do ciśnienia nominalnego pn, od współczynnika bP zmiany wydajności pompy, od współczynnika ε zapowietrzenia oleju oraz od stosunku ν/νn lepkości oleju do lepkości νn odniesienia. Przedstawiono model matematyczny strat objętościowych qPvc|Δpi; bP; ε; ν ściskania oleju hydraulicznego w komorach roboczych pompy umożliwiający zastosowanie go w modelu mocy strat i sprawności energetycznej pompy.
EN
The aim of the work is to make possible the assessment of volumetric losses resulting from the compression of hydraulic oil in the chambers of a high pressure variable capacity displacement pump. Volumetric losses must be determined as functions of the same parameters which decide of volumetric losses due to leakage in the pump chambers.
Losses and energy efficiency of every drive motor must be presented as functions of physical quantities independent of losses in the motor. Such quantities are speed and load required by the machine or device driven by the motor, changing in the drive operating field. Speed and load of the motor decide of the instantaneous useful power of the motor and also in a differentiated way of kinds and values of losses occurring in the motor. However, losses and energy efficiency of the hydrostatic drive motors and systems are evaluated by researchers and manufacturers as functions of parameters depending on the losses. The basic cause of such situation is the traditional, commonly accepted but erroneous, view of the power flow in the drive motors and systems represented by the Sankey diagram of power decrease in the direction of power flow. It is necessary to replace the Sankey diagram by the proposed diagram of increase of power in the motor and in the drive system in the direction opposite to the direction of power flow. The proposed view of losses and energy efficiency should be applied to all types of motor and drive systems. The aim of this paper is showing the resulting problems of the above postulates, exemplified by operation of a rotational displacement motor in a hydrostatic drive system. In order to make possible objective evaluation of the energy behaviour of different motor and system solutions and sizes, the losses and energy efficiency should be described and compared as dependent on the motor speed coefficient ωM and load coefficient changing in the drive system operating field (0 ≤ ωM< ωMmax, 0 ≤ M< Mmax). The presented proposals open a new perspective of unavoidable research of drive motors and systems, making it possible to compare objectively the energy efficiency of different types of motors and drive systems.
8
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Straty i sprawność energetyczna każdego silnika napędowego muszą być przedstawiane jako funkcje wielkości fizycznych niezależnych od występujących w silniku strat. Takimi wielkościami są prędkość i obciążenie wymagane przez napędzana silnikiem maszynę lub urządzenie, zmieniające się w polu pracy napędu. Prędkość i obciążenie silnika decydują o chwilowej mocy użytecznej silnika oraz w zróżnicowany sposób o występujących w silniku odmianach i wielkościach strat. Tymczasem straty i sprawność energetyczna hydrostatycznych silników i układów napędowych oceniane są przez badaczy i producentów jako funkcje parametrów, które same zależą od strat. Podstawową przyczyną takiej sytuacji jest tradycyjne, szeroko rozpowszechnione i jednocześnie mylne spojrzenie na przebieg mocy w silnikach i w układach napędowych reprezentowane wykresem Sankeya spadku mocy zgodnego z kierunkiem przepływu mocy. Konieczne jest zastąpienie wykresu Sakeya proponowanym wykresem wzrostu mocy w silniku i w układzie napędowym przeciwnego do kierunku przepływu mocy. Proponowane spojrzenie na straty i sprawność energetyczną powinno być zastosowane w rozważaniu wszystkich odmian silników i układów napędowych. Celem artykułu jest pokazanie problemów wynikających z powyższych postulatów na przykładzie pracy silnika wyporowego pracującego w hydrostatycznym układzie napędowym. Aby umożliwić obiektywną ocenę zachowania energetycznego różnych odmian i wielkości silników i układów napędowych, należy opisywać oraz porównywać straty i sprawność energetyczną jako zależne od współczynnika prędkości i współczynnika obciążenia silnika zmieniających się w polu pracy układu napędowego. Przedstawione propozycje otwierają nową perspektywę nieuniknionych badań silników i układów napędowych, umożliwiająca obiektywne porównywanie sprawności energetycznej różnych odmian silników i układów.
9
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Autor stwierdza, że istnieje możliwość określania konkretnej wartości współczynnika ε zapowietrzenia cieczy roboczej w trakcie pracy pompy poprzez znalezienie takiej wartości ε, przy której przyrost ΔMPm|ΔpPi = pn , qPgv momentu strat mechanicznych w zespole konstrukcyjnym „komory robocze – wał” pompy jest proporcjonalny do momentu MPi|ΔpPi = pn , qpgv indykowanego w komorach roboczych pompy, określonego przy ustalonej wielkości ΔpPi = cte przyrostu ciśnienia w komorach. Ustalona wielkość ΔpPi indykowanego przyrostu ciśnienia, przyjęta w trakcie poszukiwania współczynnika ε zapowietrzenia cieczy, jest równa nominalnemu ciśnieniu pracy pompy (ΔpPi = cte = pn). Przyrost ΔMPm|ΔpPi = pn , qPgv momentu strat mechanicznych, przy stałej wielkości ΔpPi (ΔpPi = cte) jest proporcjonalny do geometrycznej objętości roboczej qPgv pompy, w związku z tym: tylko przy uwzględnieniu współczynnika ε zapowietrzenia cieczy przetłaczanej przez pompę uzyskuje się w wyniku badań zależność ΔMPm|ΔpPi = pn , qPgv ~ qPgv . Zaproponowana przez autora metoda określenia współczynnika ε zapowietrzenia cieczy roboczej w pompie jest przedstawiona w niniejszym artykule (oraz w artykule [11]), a po raz pierwszy praktycznie zastosowana w ramach prowadzonych przez Jana Koralewskiego badań wpływu lepkości i ściśliwości zapowietrzonego oleju hydraulicznego na wyznaczane straty objętościowe i mechaniczne pompy HYDROMATIK A7V.58.1.R.P.F.00 [8, 9].
Working liquid compressibility may considerably change the values and proportions of coefficients of volumetric and mechanical energy losses in the displacement pump used in a hydrostatic drive system. This effect can be particularly seen in the operation under high pressure and also in the system, where aeration of the working liquid can occur. In the Part I a diagram is presented, proposed by the author, of power increase in a hydrostatic drive system (hydraulic motor, pump) opposite to the direction of power flow, replacing the Sankey diagram of power decrease in the direction of power flow. Mathematical model is presented of volumetric losses in the pump and its laboratory verification.
Working liquid compressibility may considerably change the values and proportions of coefficients of the volumetric and mechanical energy losses in the displacement pump used in a hydrostatic drive system. This effect can be particularly seen in the operation under high pressure and also in the system, where aeration of the working liquid can occur. In the Part II the mathematical model is presented of the torque of mechanical losses in the pump and its laboratory verification. Conclusions are drawn regarding the effect of working liquid compressibility on the mechanical and volumetric losses in the pump.
The paper presents theoretical and mathematical models of the torque of mechanical losses in the pump with theoretical (constant) capacity qPt per one shaft revolution (with constant theoretical working volume VPt) and geometrical (variable) capacity qPgv per one shaft revolution (with variable volume VPgv). The models may be used in the laboratory and simulation investigations of the pump energy efficiency and the hydrostatic driveefficiency.
Designers and manufacturers of hydrostatic drives have not a tool for precise determination of their energy efficiency, changing in a wide range in the driven device operating field, i.e. in the full range of the hydraulic motor speed and load and the working medium viscosity. This applies both to determining of losses and energy efficiency of displacement machines (pump and hydraulic motor) used in the drive system, and to losses and energy efficiency of the motor control system structure. A method is proposed compatible with the diagram of power increase opposite to the direction of power flow. That diagram replaces the Sankey diagram of power decrease in the direction of power flow.
14
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Projektanci i producenci napędu hydrostatycznego nie dysponują możliwością dokładnego określania jego sprawności energetycznej zmieniającej się szeroko w polu pracy napędzanego urządzenia, a więc w pełnym zakresie zmiany prędkości i obciążenia silnika hydraulicznego oraz lepkości zastosowanego czynnika roboczego. Dotyczy to zarówno określania strat i sprawności maszyn wyporowych (pompy i silnika hydraulicznego) zastosowanych w układzie napędowym, jak również strat i sprawności energetycznej wynikających z zastosowanej struktury sterowania silnika. Zainstalowana moc napędu jest w związku z tym zbyt duża. Proponuje się zastosowanie metody opartej na ocenie współczynników strat energetycznych w pompie, silniku hydraulicznym i w całym układzie. Współczynniki te umożliwiają ocenę sprawności pompy, silnika i układu oraz pola pracy układu o wybranej strukturze sterowania silnika. Metoda jest dokładna w założeniu i prosta w zastosowaniu.
EN
Designers and manufacturers of hydrostatic drives have not a tool for precise determination of their energy efficiency changing in a wide range in the driven device operating field, i.e. in the full range of the hydraulic motor speed and load and the working medium viscosity. This applies both to determining of losses and energy efficiency of displacement machines (pump and hydraulic motor) used in the drive system, and to losses and energy efficiency of the motor control system structure. Therefore, the installed drive power is too large. A method is proposed, based on the evaluation of coefficients of energy losses in the pump, hydraulic motor and the whole system. The coefficients allow to evaluate the pump, motor and system energy efficiency and the operating field of a system with a selected motor control system structure. The method is precise by definition and simple in use.
15
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy przedstawiono modele teoretyczne i matematyczne momentu strat mechanicznych występujących w pompie o teoretycznej (stałej) wydajności qPt na obrót wału (o stałej teoretycznej objętości roboczej VPt) i o geometrycznej (zmiennej) wydajności qPgv na obrót wału (o zmiennej geometrycznej objętości roboczej VPgv). Modele mają służyć badaniom laboratoryjnym i symulacyjnym strat energetycznych w pompie, umożliwiającym ocenę sprawności energetycznej pompy i sprawności napędu hydrostatycznego.
EN
The paper presents theoretical and mathematical models of the torque of mechanical losses in the pump with theoretical (constant) capacity qPt per one shaft revolution (with constant theoretical working volume Vpt) and geometrical (variable) capacity qPgv per one shaft revolution (with variable volume VPgv). The models may be used in the laboratory and simulation investigations of the pump energy efficiency and the hydrostatic drive efficiency.
The paper presents theoretical and mathematical models of the torque of mechanical losses in a hydraulic rotational motor with constant capacity qMt per one shaft revolution (with constant theoretical working volume VMt) and with variable capacity qMgv = bM qMt per one shaft revolution (with variable geometrical working volume VMgv). The models are to be used in the laboratory and simulation investigations of motor energy losses aimed at evaluation of the motor energy efficiency and hydrostatic drive efficiency.
The evaluation methods of energy losses and efficiency of the hydraulic rotational motors for the hydrostatic drives, used so far in the scientific research and in the industrial practice, give wrong results because the parameters that the losses and efficiencies are a function of are themselves dependent on those losses. The aim of the paper is to define the motor operating parameters, developed powers, energy losses and efficiencies and also to show the respective relations. Conclusions are drawn, based on the analyses of presented definitions and relations, on the motor energy investigations.
18
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Stosowane dotychczas w badaniach naukowych i w praktyce przemysłowej metody oceny strat i sprawności energetycznej obrotowych silników hydraulicznych stosowanych w napędach hydrostatycznych dają błędne rezultaty, ponieważ obarczone są wpływem samych strat na parametry, w funkcji których straty i sprawności są oceniane. Celem pracy było zdefiniowanie w silniku parametrów pracy, rozwijanych mocy, występujących strat i sprawności energetycznej, a także pokazanie ich zależności. W oparciu o analizę przedstawionych definicji i zależności wyciągnięto wnioski dotyczące badań energetycznych silników.
EN
The evaluation methods of energy losses and efficiency of the hydraulic rotational motors for the hydrostatic drives, used so far in the scientific research and in the industrial practice, give wrong results because the parameters that the losses and efficiencies are a function of are themselves dependent on those losses. The aim of the paper is to define the motor operational parameters, developed powers, energy losses and efficiencies and also to show the respective relationships. On the basis of the analyses of presented definitions and relationships, were drawn conclusions of the motors energy investigations.
19
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy przedstawiono modele teoretyczne i matematyczne momentu strat mechanicznych występujących w silniku hydraulicznym obrotowym o stałej teoretycznej chłonności qMt silnika na obrót wału (o stałej teoretycznej objętości roboczej V Mt silnika) i o zmiennej chłonności qMgv = bM qMt na obrót wału (o zmiennej geometrycznej objętości roboczej V Mgv silnika). Modele mają służyć badaniom laboratoryjnym i symulacyjnym strat energetycznych w silniku służącym ocenie sprawności energetycznej silnika i sprawności napędu hydrostatycznego. Tekst został zamieszczony w monografii [11], a zarejestrowany w ramach Ogólnopolskiej Konferencji Naukowo-Technicznej CYLINDER 2010 zorganizowanej przez Instytut Techniki Górniczej KOMAG w Gliwicach w dniach 20-22 września br. w Rytrze.
EN
The article presents theoretical and mathematical models of mechanical loss torque occurring in hydraulic rotary motor of constant theoretical motor capacity qMt per shaft revolution (of constant theoretical motor operational volume V Mt) and of variable motor capacity qMgv = bM qMt per shaft revolution (of variable geometric motor operational volume V Mgv). The models are to be used for laboratory and simulation testing of energy losses in motors, which are carried out to evaluate motor power efficiency and hydrostatic drive efficiency.
The operating field of hydrostatic drive system is presented. Subdivision of the hydraulic motor and pump work parameters into parameters independent of and dependent on the operation of displacement machines and the system is justified. A research project is proposed aimed at development of methods determining the energy characteristics of pumps and rotational hydraulic motors as well as modified methods of determining the energy characteristics of hydrostatic drive systems with selected structures of hydraulic motor speed control. The paper is an extended version of reference [11].
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.