background image

14. Turning Moment Diagrams and Flywheel:

14.1 Turning moment diagram: 
The  turning  moment  diagram  (also  known  as  crank
representation  of  the  turning  moment 
Figure 1. 
The total area under the curve represents the work done by the crankshaft during the cycle.

If the resisting torque is constant, this is represented by the line 
the mean engine torque. Between points 
torque  and  the  crank  shaft  accelerates,  the  area 
energy  supplied  during  that  time.  Similarly,  between 
than  the  resisting  torque  and  the  crankshaft  decelerates,  the  area 
insufficiency in energy available during that time. 

At the points of intersection, AB, etc., the engine and load 
is  no  acceleration  or  deceleration  of  the  flywheel;  hence  the  speed  is  a  maximum  or 
minimum at these points. 

14.2 Flywheel: 
A flywheel is a device to control the variations in speed during each cycle of an engine
serves as a reservoir, which stores energy during the period when the supply of energy is 
more  than  the  requirement,  and  releases  it  during  the  period  when  the  requirement  of 
energy  is  more  than the  supply.  For the  first  period the  flywheel speed increases  and  for 
the second period the flywheel speed decreases. Therefore, the flywheel keeps the speed of 
the engine within specified limits during each cycle.

14.3 Fluctuation of Energy: 
The  variations  of  energy  above  and  below  the  mean  resisting  torque  line,  Figure 
called fluctuations of energy

14.3.1 Maximum Fluctuation of Energy:
A turning moment diagram of a multi
2. The horizontal line AG represents the mean torque line. Let a
above AG line and a

2

, a

4

, and a

6

 be the areas below 

quantity of energy which is either added or subtracted from the energy of the moving parts 
of the engine. 

 

 

 

 

 

 

Figure 1 

 

Page 1 

 

. Turning Moment Diagrams and Flywheel: 

The  turning  moment  diagram  (also  known  as  crank-effort  diagram)  is  the  graphical 
representation  of  the  turning  moment  or  crank  effort  for  various  positions  of  the  crank, 

The total area under the curve represents the work done by the crankshaft during the cycle.

If the resisting torque is constant, this is represented by the line AE, which also represents 

n engine torque. Between points A and B, the engine torque exceeds the resisting 

torque  and  the  crank  shaft  accelerates,  the  area  a  of  the  loop  representing  the  excess 
energy  supplied  during  that  time.  Similarly,  between  B  and  C,  the  engine  torque  is  less 
than  the  resisting  torque  and  the  crankshaft  decelerates,  the  area  b  representing  the 
insufficiency in energy available during that time.  

, etc., the engine and load torques are equal, so that there 

is  no  acceleration  or  deceleration  of  the  flywheel;  hence  the  speed  is  a  maximum  or 

A flywheel is a device to control the variations in speed during each cycle of an engine

voir, which stores energy during the period when the supply of energy is 

more  than  the  requirement,  and  releases  it  during  the  period  when  the  requirement  of 

For the  first  period the  flywheel speed increases  and  for 

nd period the flywheel speed decreases. Therefore, the flywheel keeps the speed of 

the engine within specified limits during each cycle.  

The  variations  of  energy  above  and  below  the  mean  resisting  torque  line,  Figure 

 Maximum Fluctuation of Energy: 

A turning moment diagram of a multi-cylinder engine is shown by a wavy curve in Figure 

represents the mean torque line. Let a

1

, a

3

, and a

be the areas below AG line. These areas 

quantity of energy which is either added or subtracted from the energy of the moving parts 

Figure 2 

 

  
 

effort  diagram)  is  the  graphical 

or  crank  effort  for  various  positions  of  the  crank, 

The total area under the curve represents the work done by the crankshaft during the cycle. 

, which also represents 

, the engine torque exceeds the resisting 

of  the  loop  representing  the  excess 

,  the  engine  torque  is  less 

representing  the 

equal, so that there 

is  no  acceleration  or  deceleration  of  the  flywheel;  hence  the  speed  is  a  maximum  or 

A flywheel is a device to control the variations in speed during each cycle of an engine. It 

voir, which stores energy during the period when the supply of energy is 

more  than  the  requirement,  and  releases  it  during  the  period  when  the  requirement  of 

For the  first  period the  flywheel speed increases  and  for 

nd period the flywheel speed decreases. Therefore, the flywheel keeps the speed of 

The  variations  of  energy  above  and  below  the  mean  resisting  torque  line,  Figure  1,  are 

cylinder engine is shown by a wavy curve in Figure 

, and a

5

 be the areas 

represent some 

quantity of energy which is either added or subtracted from the energy of the moving parts 


background image

 

 

 

Page 2 

 

 

 

If the energy of the flywheel at point A = U, 

Energy at B = U + a

1

 

Energy at C = U + a

1

 – a

2

 

Energy at D = U + a

1

 – a

2

 + a

3

 

Energy at E = U + a

1

 – a

2

 + a

3

 – a

4

 

Energy at F = U + a

1

 – a

2

 + a

3

 – a

4

 + a

5

 

Energy at G = U + a

1

 – a

2

 + a

3

 – a

4

 + a

5

 – a

6

 = Energy at A 

 

Let us now suppose that the greatest of these energies is at B and least at E. Therefore, 

Maximum energy in the flywheel = U + a

1

 

Minimum energy in the flywheel = U + a

1

 – a

2

 + a

3

 – a

4

 

∴ Maximum fluctuation of energy = Max. energy – Min. energy 
 

 

 

 

 

      = (U + a

1

) – (U + a

1

 – a

2

 + a

3

 – a

4

 

 

 

 

 

      = a

2

 – a

+ a

4

 

 
14.3.2 Coefficient of Fluctuation of Energy: 
It may be defined as the ratio of the maximum fluctuation of energy to the workdone per 
cycle. 

 

 

=

                             

                  

 

The workdone per cycle may be obtained by using the following two relations: 

1.  Workdone per cycle = T

mean

 * 

θ  

where  

T

mean

 = Mean torque, and 

 

 

   

 

θ   = Angle turned (in radians), in one revolution. 

2.  Workdone / cycle = P * 60 / N 

where  

P = Power in Watts, and  

 

 

N = Speed in rpm 

14.3.3 Coefficient of Fluctuation of Speed: 
The  difference  between  the  maximum  and  minimum  speeds  during  a  cycle  is  called  the 
maximum fluctuation of speed. The ratio of the maximum fluctuation of speed to the mean 
speed is called the coefficient of fluctuation of speed

Let   N1 and N2 = Maximum and minimum speeds in rpm during the cycle, and  
 

N = mean speed in rpm 

∴  

 

=

 

 

−  

 

 

=

 

 

−  

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

 

 

Page 3 

 

 

 

14.4 Energy Stored in a Flywheel:  

We know that when a flywheel absorbs energy, its speed increases and when it gives up 
energy, its speed decreases. 

Let 

 

m = Mass of the flywheel in kg

 

  

k = Radius of gyration of the flywheel, in meters

  

  

 = Mass moment of inertia of the flywheel about its axis of rotation in kg m

2

 

 

   = m * k

2

  

     N

1

 and N

2

 = Maximum and minimum speeds during the cycle in rpm

     ω

 1

 and ω

2

  = Maximum and minimum angular speeds during the cycle in rad/s.  

 

 

         ω = Mean angular speed during the cycle in rad/s= (ω

 1

2

)/2   

We know that the mean kinetic energy of the flywheel, 

  =

1
2   ∗  

 

=

1
2   

 

 

 

 

As the speed of the flywheel changes from ω

1

 to ω

2

, the maximum fluctuation of energy

   =    .   .  . −   .   .   =

1
2  

 

 

−  

 

 

) =   ∗  ( 

 

−  

 

    =   ∗  

 

 ( 

 

−  

 

    =   

 

 

 

 

 

= 2  ∗  

 

 

 

Example 1: A flywheel of an engine has a mass 6.5 tons and the radius of gyration is 1.8 
m. It is found from turning moment diagram that the fluctuation of energy is 56 kJ. If the 
mean speed of the engine is 120 rpm, find the maximum and minimum speeds. 

Solution: 

 

ω = 2π*120/60 = 12.566 rad / s 

 

  =   

 

 

 

 

 

 

            ∴  

 

=

 

  

 

 

 

=

56000

6500 ∗ 1.8

 

∗ 12.566

 

 

                     = 0.016839 

 

C

S

 = (ω

1

 – ω

2

) / ω 

 

ω

1

 – ω

2

 = 0.016509 * ω = 0.2116 

rad / s 

and 

 

ω

1

 + ω

2

 = 2 * ω = 25.132 

 rad / s 

 

∴ ω

1

 = 12.672 rad / s 

 

and  ω

2

 = 12.46 rad / s   

 


background image

Example 2: The flywheel of a steam engine has a radius of gyration of 
kg.  The  starting  torque  of  the  steam  engine  is 
Determine: (a) the angular acceleration of the flywheel, 
flywheel after 10 seconds from the start.

Solution: 

 

 

 

I = m * k

2

 = 2500

a)  Angular acceleration of the flywheel

Let  

α = angular acceleration of the flywheel

We know that  T = I * α  

 

 

 

∴ α = T / I = 1500

b)  Kinetic energy of the flywheel

First of all, let us find out the angular speed of the flywheel after 
start (i.e. from rest), assuming uniform acceleration.

Let 

 

 

ω

1

 = Angular speed at rest = 

 

 

 

ω

2

 = Angular speed after 

 

 

 

t = Time in seconds

 

 

 

ω

2

 = ω

1

 + α * t = 

∴                    ℎ      ℎ   

Example 3: The turning moment diagram for a petrol engine is drawing to the following 
scales:  turning  moment  1  mm  =  5
diagram repeats itself at every half-revolution of the engine and the areas above and below 
the  mean  turning  moment  line,  taking  in  order,  are 
rotating  parts  are  equivalent  to  a  mass  of 
Determine the coefficient of fluctuation of speed when the engine runs at 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 4 

 

The flywheel of a steam engine has a radius of gyration of 1 m and mass 

kg.  The  starting  torque  of  the  steam  engine  is  1500  Nm  and  may  be  assumed  constant. 

a) the angular acceleration of the flywheel, and (b) the kinetic energy of the 

 seconds from the start. 

2500 * 1

2

 = 2500 kg m

2

 

Angular acceleration of the flywheel 

= angular acceleration of the flywheel 

1500 / 2500 = 0.6 rad/s

2

 

Kinetic energy of the flywheel 

First of all, let us find out the angular speed of the flywheel after 10 seconds from the 
start (i.e. from rest), assuming uniform acceleration. 

= Angular speed at rest = 0 
= Angular speed after 10 sec, and 

= Time in seconds 

 

 

t = 0 + 0.6 * 10 = 6 rad/s 

    =

1
2   

 

 

=

1
2 ∗ 2500 ∗ 36 = 45000   

The turning moment diagram for a petrol engine is drawing to the following 

5  N  m;  crank  angle  1  mm  =  1°.  The  turning  moment 

revolution of the engine and the areas above and below 

turning  moment  line,  taking  in  order,  are  295,  685,  340,  960, 

rotating  parts  are  equivalent  to  a  mass  of  36  kg  at  a  radius  of  gyration  of 

fluctuation of speed when the engine runs at 1800

Figure 

 

  
 

 m and mass 2500 

  Nm  and  may  be  assumed  constant. 

and (b) the kinetic energy of the 

 seconds from the 

   = 45     

The turning moment diagram for a petrol engine is drawing to the following 

.  The  turning  moment 

revolution of the engine and the areas above and below 

,  270  mm

2

.  The 

  kg  at  a  radius  of  gyration  of  150  mm. 

1800 rev/min. 

Figure 3 


background image

Solution: 
 
 

 

I = m * k

2

 = 36 * 0.15

2

 

 

ω = 2π*1800/60 = 188.5

Since the turning moment scale is 1
π/180 rad, therefore 

 

 

1 mm

2

 = on turning moment diagram = 

Let the total energy at A = U, then referring to Figure 

Energy at B = U + 295  
Energy at C = U + 295 – 685 = U – 
Energy at D = U + 295 – 685 + 40 = U 
Energy at E = U + 295 – 685 + 40– 
Energy at F = U + 295 – 685 + 40– 
Energy at G = U + 295 – 685 + 40– 

From above, the total energy is greatest at point B and least at point E.
Maximum fluctuation of energy 
  =    .        −    .        =
Coefficient of fluctuation of speed, 
  =   ∗  

 

 

 

 

∴  

 

=

 

  

 

=

86

0.81 ∗ 188.5

 

= 0.00299

 
Example  4:  The  variation  of  crankshaft  torque  of  a 
approximately represented by taking the torque as zero for crank angles 
260 N m for crank angles 20° and 45°
straight  lines.  The  average  speed  is 
machine requiring a constant torque, find the mass of the flywheel, of radius of gyration 
250 mm, which must be fitted in order that the total variation of speed shall be 

Solution: 

The crankshaft torque diagram is shown 
in Figure 4. 

 

 

 

 

 

Page 5 

 

2

 = 0.81 kg m

2

 

188.5 rad/s 

1 mm  = 5 N m and crank angle scale is 

= on turning moment diagram = 5 * π/180 = π/36 Nm 

Let the total energy at A = U, then referring to Figure 3, 

 390  

= U – 350  

 340 = U – 690  

 340 + 960 =U +270  

 340 + 960– 270 = Energy at A 

the total energy is greatest at point B and least at point E. 

= 985   

 

= 985 ∗

 

36 = 86   

 

 

00299 = 0.299% 

The  variation  of  crankshaft  torque  of  a  4-cylinder  petrol  engine  may  be 

approximately represented by taking the torque as zero for crank angles 0° and 

45°, the intermediate portions of the torque graph being 

aight  lines.  The  average  speed  is  600  rev/min.  Supposing  that  the  engine  drives  a 

machine requiring a constant torque, find the mass of the flywheel, of radius of gyration 

 mm, which must be fitted in order that the total variation of speed shall be 

The crankshaft torque diagram is shown 

Figure 4 

 

  
 

 N m and crank angle scale is 1 mm = 1° = 

cylinder  petrol  engine  may  be 

 and 180° and as 

the intermediate portions of the torque graph being 

  rev/min.  Supposing  that  the  engine  drives  a 

machine requiring a constant torque, find the mass of the flywheel, of radius of gyration 

 mm, which must be fitted in order that the total variation of speed shall be 1 per cent. 


background image

Work done in 1/2 revolution = area OABC

          =

1
2 ∗ 260 ∗ 20 ∗

 

180 +

∴ T

mean

 = Work done / 

θ = 465

From triangle ABC, 

260 − 148

 

=

260

20            → ∴   = 8

And 

260 − 148

 

=

260
135            → ∴   = 58

∴ x + y = 66.76

°

  

∴ Fluctuation of energy represented by shaded area
 

 

  = 112 ∗  25 ∗

 

180  +

112

2 ∗  66

  =

1
2   ∗

 

 

−  

 

 

) =   ∗  

 

∗  

 

∴ m = 46.2 kg 

 

Example 5: An engine working on the two
120°. The turning moment for any cylinder is assumed to increase uniformly from zero to 
a  maximum while the crank turns 90°
remain zero over the remainder of the revolution
If the engine develops 15 kW per cylinder when running at a mean speed of 
the turning moment diagram for one cylinder and from it construct the combi
Determine  the variation in  the  kinetic  energy  of  the  flywheel  and its required  mass for a 
radius of gyration of 0.3 m to limit the total speed variation to 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 6 

 

 revolution = area OABC 

+

1
2 ∗ 260 ∗ 135 ∗

 

180 + 260 ∗ 25 ∗

 

180

465 / π = 148 N m 

8.61

°

 

58.15

°

 

represented by shaded area 

 66.76 ∗

 

180  = 114  

 

 

∗  

 

=   ∗ 0.25

 

∗ (

60 ∗ 600)

 

∗ 0.01

An engine working on the two-stroke cycle has three cylinders with cranks at 

. The turning moment for any cylinder is assumed to increase uniformly from zero to 

90°, to fall uniformly to zero over the next 

of the revolution. 

 kW per cylinder when running at a mean speed of 

the turning moment diagram for one cylinder and from it construct the combi
Determine  the variation in  the  kinetic  energy  of  the  flywheel  and its required  mass for a 

 m to limit the total speed variation to 2 rpm.  

Figure 5 

 

  
 

 

180 = 465    

 

01 

stroke cycle has three cylinders with cranks at 

. The turning moment for any cylinder is assumed to increase uniformly from zero to 

uniformly to zero over the next 90° and to 

 kW per cylinder when running at a mean speed of 400 rpm, draw 

the turning moment diagram for one cylinder and from it construct the combined diagram. 
Determine  the variation in  the  kinetic  energy  of  the  flywheel  and its required  mass for a 


background image

 

 

 

Page 7 

 

 

 

Solution: 

OABC is the diagram for one cylinder, Figure 5. 

∴ Work done per cycle per cylinder = Power * 60/ N = (15000 * 60) / 400 = 2250 J 
∴ 2250 =  

    

∗   =

1
2 ∗  

   

∗   

 ∴  

   

= 1433    

                 ℎ              =

3 ∗ 2250

= 1075    

From Figure 5, 

 

∴   =

1433 − 1075

1433

∗   =

 

4    

 

∴                   ,   =

(1433 − 1075)

2

 

4 = 140.6  

 

∴ 140.6 =

1
2 ∗   ∗

 

 

−  

 

 

) =   ∗   ∗ ( 

 

−  

 

) =   ∗ 0.3

 

∗  

60 ∗ 400   

60 ∗ 2 

 

∴   = 178    

 

Example  6:  A  single  cylinder  internal-combustion  engine  working  on  the 4-stroke  cycle 
develops 75 kW at 360 rpm. The fluctuation of energy can be assumed to be 0.9 times the 
energy developed per cycle. If the coefficient of fluctuation of speed is not to exceed 1 per 
cent and the maximum centrifugal stress in the flywheel is to be 5.5 MN/m

2

, estimate the 

mean  diameter  and  the  cross-sectional  area  of  the  rim.  Cast-iron  has  a  density  of  7.2 
Mg/m

3

Solution: 

  =

2  ∗ 360

60

= 12       /  

                    =

75000 ∗ 60

180

= 25000    

∴   = 0.9 ∗ 25000 = 22500    
∴ 22500 =

1
2 ∗   ∗

 

 

−  

 

 

) =   ∗  

 

∗  

 

 

−  

 

 

  =   ∗ (12 )

 

∗ 0.01 

∴   = 1584      

 

 

Centrifugal stress, 

σ = ρ * v

2

 = 

ρ * ω

2

 * R

2

 

where R is the mean rim radius, 

i.e.   5.5* 10

6

 = 7200 * 144π

2

 * R

2

 

 

∴ R = 0.732 m,  i.e. mean diameter, D = 2R = 1.464 m 

I = mk

2

 = 

ρ * A * 2πR * R

2

  


background image

where A is the cross-sectional area of the rim,

i.e. 

1584 = 7200 * A * 2π * 0.732

 

∴ A = 0.0892 m

2

 

 

Example 7: A machine shaft running at a mean speed of 
varies  uniformly  from  1200  Nm  to 
constant for the next one revolution, decreases uniformly to 
revolution and then remains constant for the next 
of operations. It is driven by a constant speed motor and a flywheel of radius of gyration 
0.6 m is fitted to the shaft. If the fluctuation of speed is 

1.  The power of the motor, and
2.  The mass of the flywheel required.

Solution: 

Since the fluctuation of speed is 

±2%

speed, therefore total fluctuation of speed,

 

 

−  

 

= 4%  = 0.04  

and coefficient of fluctuation of speed,

 

 

=

 

 

−  

 

 

= 0.04 

 
The turning moment diagram for the complete 
cycle is shown in Figure 6. 

 ω = 2π*200/60 = 20.95 rad/s 

We know that the torque required for one complete cycle 

 

 

= Area OAEF + Area ABG + Area BCHG + Area DCH

 

 

= 9π * 1200 + 2400π/2

 

 

= 19200π Nm 

∴ Mean torque, T

mean

 = 19200π / 9π = 

1.  Power of the motor, 

Power = 2π*N*T

mean

/60 = 2π * 

2.  Mass of the flywheel required

Let m = mass of the flywheel required,
First of all, let us find the values of LM
From similar triangles ABG and BLM

  /   =   /             → ∴    =
    

 

Page 8 

 

sectional area of the rim, 

0.732

2

 

A machine shaft running at a mean speed of 200 rpm requires a torque which 

  Nm  to  3600  Nm  during  the  first  half  revolution,  remains 

constant for the next one revolution, decreases uniformly to 1200 Nm during the next one 

on and then remains constant for the next two revolutions, thus completing a cycle 

of operations. It is driven by a constant speed motor and a flywheel of radius of gyration 

 m is fitted to the shaft. If the fluctuation of speed is 

±2% of mean speed, fi

The power of the motor, and 
The mass of the flywheel required. 

2% of mean 

speed, therefore total fluctuation of speed, 

and coefficient of fluctuation of speed, 

The turning moment diagram for the complete 

We know that the torque required for one complete cycle = Area of OALBCDEF

= Area OAEF + Area ABG + Area BCHG + Area DCH 

2 + 2π * 2400 + 2π * 2400/2 

π = 2133.3 Nm 

π * 200 * 2133.3 / 60 = 44685 W = 44.685

Mass of the flywheel required 
= mass of the flywheel required, 

LM and NQ 

BLM

= 0.61        

Figure 6

 

  
 

 rpm requires a torque which 

  Nm  during  the  first  half  revolution,  remains 

 Nm during the next one 

two revolutions, thus completing a cycle 

of operations. It is driven by a constant speed motor and a flywheel of radius of gyration 

 of mean speed, find 

= Area of OALBCDEF 

44.685 kW  


background image

 

 

 

Page 9 

 

 

 

Now from similar triangles CHD and CNQ

  /   =   /             → ∴    = 1.22         
 
Since the fluctuation of energy is equal to the area above the mean torque line, therefore, 

e = Area LBCQ = Area LBM + Area MBCN + Area NCQ 

 

   = 0.61π * 1466.7/2 + 2π *1466.7 + 1.22π * 1466.7/2 = 13435 Nm 

And  e = I * ω

2

 * C

S

 = mk

2

 * ω

2

 * C

S

 

 

∴ m = 13534 / (0.6

2

 * 20.95

2

 * 0.04) = 2126 kg 

 

14.5 Dimensions of the Flywheel Rim: 

Consider a rim of the flywheel shown in Figure 7; 

Let 

D = Mean diameter of rim = 2R 

 

R = Mean radius of rim  

 

A = Cross-sectional area of rim 

 

ρ = Density of rim  

 

ω = Angular velocity of the flywheel  

 

σ = Centrifugal or hoop stress  

 

v = Linear velocity of the mean radius = ω * R  

 

b = Width of rim 

 

= thickness of rim 

D

t

b

 

 

σ = ρ * v

2

 = 

ρ * ω

2

* R

2

 

 

 

              =  

 
  =

  ∗   ∗  

60

=   ∗   

 
 

m

rim

 = Volume * density = 2π * R * A * 

ρ  

 

 

 

 

Figure 7 


background image

 

 

 

Page 10 

 

 

 

 

A = m

rim

 / (2π * R * 

ρ) = b * t 

 

Example 8: The turning moment diagram for a multi-cylinder engine has been drawn to a 
scale of 1 cm of 5000 Nm torque and 1 cm to 60° of crank displacement. The intercepted 
areas between output torque curve and mean resistance line taken in order from one end in 
square cm are: 
-0.3,  +4.1,  -2.8,  +3.2,  -3.3,  +2.5, -3.6,  +2.8,  -2.6  cm

2

,  when  the  engine is  running  at 800 

rpm.  
The  fluctuation  of  speed  is  not  to  exceed  2%  of  the  mean  speed.  Determine  a  suitable 
mean  diameter  and  cross-section  of  the  flywheel  rim  for  a  limiting  value  of  the  safe 
centrifugal  stress  of  7  MN/m

2

.  The  material density  may  be  assumed  as  7.2  Mg/m

3

.  The 

width of the rim is to be 5 times the thickness.  

 

 

 

 

 

 

Solution:  
C

S

 = 2% = 0.02 

ω = 2π*800/60 = 83.8 rad/s 

From the figure above we find that the maximum energy is at point E = U + 4.2 and the 
minimum is at point H = U – 0.2 

∴ e = U + 4.2 – U + 0.2 = 4.4 cm

2

 

1 cm

2

 = 5000 * 60π/180 = 5235.987 

≅ 5236 N m 

∴ e = 5236 * 4.4 = 23038.4 N m 

Also e = 2E * C

S 

∴ E =23038.4 / 0.04 = 575960 N m 
σ = ρ * v

2

   →  

v = (7*10

6

/7200)

0.5

 = 31.18 m/s  

and v = π*D*N/60  

→ 

D = 0.74438 m 

  =

1
2  

   

∗  

 

 

∴ m

rim

 = 2E / v

2

 = 1184.868 kg 

 

-0.3 

+3.2 

-2.6 

Crank angle 

T

u

rn

in

g

 m

o

m

ent

 


background image

 

 

 

Page 11 

 

 

 

A = m

rim

 / (π * D * 

ρ) = 0.07037 m

2

 

A = b * t,   b = 5t, 

∴ A = 5t

2

∴ t = 0.1186 m ≅ 119 mm 

 b = 5 * 119 = 595 mm 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

 

 

Page 12 

 

 

 

Problems (Flywheel): 

Q1/  A  double-acting  steam  engine  runs  at  100  rev/min.  A  curve  of  the  turning-moment 
plotted on a crank angle base showed the following areas alternately above and below the 
mean turning-moment line: 780, 400, 520, 620, 260, 460, 340, and 420 mm

2

. The scales 

used were 1 mm = 400 N m and 1 mm = 1° crank angle. 
If the total fluctuation in speed is limited to 1.5 per cent of the mean speed, determine the 
mass of the flywheel necessary if the radius of gyration is 1.05 m. 

(Ans.: 3464 kg) 

Q2/ The turning-moment diagram for an engine is drawn on a base of crank angle and the 
mean resisting torque line added. The areas above and below the mean line are +4400, -
1150, +1300, -4550 mm

2

, the scale being 1 mm = 100 N m torque and 1 mm = 1° of crank 

angle. 
Find  the  mass  of  flywheel  required  to  keep  the  speed  between  297  and  303  rpm,  if  its 
radius of gyration is 0.525 m.   

 

 

 

 

 

(Ans.: 1460 kg) 

Q3/ The turning-moment diagram for an engine, which has been drawn to scales of 1 mm 
to  50  N  m  and  1  mm  to  1°  of  rotation  of  crankshaft,  shows  that  the  greatest  amount  of 
energy which has to be stored by the flywheel is represented by an area of 2250 mm

2

. The 

flywheel is to run at a mean speed of 240 rpm with a total speed variation of 2 per cent. If 
the mass of the flywheel is to be 450 kg, determine suitable dimensions for the rim, Cast 
iron has a density of 7.2 Mg/m

3

(Ans.: 1.237 m external diameter, 274 mm width)  

Q4/ A vertical diesel engine running at 350 rpm develops 600 kW and has 4 impulses per 
revolution.  If  the  fluctuation  of  energy  is  25  per  cent  of  the  work  done  during  each 
impulse, estimate the cross-sectional area of the rim of the flywheel required to keep the 
speed within 2 rpm of the mean speed when the mean peripheral speed of the rim is 1350 
m/min. Cast iron has a density of 7.2 Mg/m

3

.  

 

 

 

(Ans.: 0.04 m

2

)  

Q5/ A machine press is worked by an electric motor, delivering 2.25 kW continuously. At 
the  commencement  of  an  operation,  a  flywheel  of  moment  of  inertia  50  kg  m

2

  on  the 

machine  is  rotating  at  250  rpm.  The  pressing  operation  requires  4.75  kJ  of  energy  and 
occupies 0.75 second. Find the maximum number of pressing that can be made in 1 hour 
and the reduction in speed of the flywheel after each pressing. Neglect friction losses.  
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Ans.: 1705, 23.5 rev/min) 

Q6/ An engine has 3 single acting cylinders, the cranks being spaced 120° apart. For each 
cylinder, the crank effort diagram consists of a triangle: 

 

 

Angle  

 

0° 

 

60° 

 

180°   

180° to 360° 

 

 

Torque (N m) 

    200 (max.) 

  0                        0  

Find the mean torque and the moment of inertia of the flywheel in kg m

2

 necessary to keep 

the speed within 180 

± 3 rpm.   

 

 

 

(Ans.: 150 N m; 2.21 kg m

2

) 

Q7/  A  shaft  fitted  with  a  flywheel  rotates  at  250  rpm  and  drives  a  machine  the  resisting 
torque of which varies in a cyclic manner over a period of  three revolutions. The torque 
rises  from  675  Nm  to  2700  Nm  in  a  uniform  manner  during  0.5  revolution  and  remains 
constant for 1 revolution, the cycle being then repeated. 


background image

 

 

 

Page 13 

 

 

 

If the driving torque applied to the shaft is constant and the flywheel has a mass of 450 kg 
and a radius of gyration of 0.6 m, find the power necessary to drive the machine and the 
percentage fluctuation of speed.  

 

 

 

(Ans.: 44.2 kW, 

± 3.58 per cent) 

Q8/  A  single  cylinder  four  stroke  internal  combustion  engine  develops  30  kW  at  300 
rev/min. The turning-moment diagram for the expansion and compression strokes may be 
taken as two isosceles triangles, on bases 0 to π and 3π to 4π radians respectively, and the 
net  work  done  during  the  exhaust  and  inlet  strokes  is  zero.  The  work  done  during 
compression is negative and is one quarter of that during expansion. 
Sketch  the  turning  moment  diagram  for  one  cycle  and  find  the  maximum  value  of  the 
turning moment during expansion. 
If the load remains constant, mark on the diagram the points of maximum and minimum 
speed.  Also  find  the  moment  of  inertia,  in  kg  m

2

,  of  a  flywheel  to  keep  the  speed 

fluctuation within 

±1.5 per cent of the mean speed. (Ans.: 10.186 kN m, 457.8 kg m

2

) 

Q9/ Figure 8 shows the variation with time of the torque required on the driving shaft of a 
machine  during  one  cycle  of  operations.  The  shaft  is  direct  coupled  to  an  electric  motor 
which exerts a constant torque and runs at a mean speed of 1500 rpm. The rotating parts 
are equivalent to a flywheel of mass 18 kg with a radius of gyration of 250 mm. 
Determine (a) the power of the motor, neglecting friction; (b) the percentage fluctuation of 
speed.  

 

 

 

 

 

 

 

(Ans.: 2.075 kW; 6.275 per cent) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: ضرغام العزاوي
المشاهدات: لقد قام عضوان و 687 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل