Підручник Гідравлічні та аеродінамічні машіни
.pdf
Для трьохгвинтового насоса з трьома однаковими гвинтами подача знахо- диться за формулою
Q = ηo(n/60) 1,243d2τ, |
(9.35) |
де d – внутрішній діаметр ведучого гвинта і зовнішній діаметр веденого гви- нта.
Рис. 9.15. Схема трьохгвинтового насоса
Рис. 9.16. Схема шиберного (пла- стинчастого) насоса
9.2.2.6. Шиберні насоси. На рис. 9.16 наведена схема шиберно- роторного насоса. У корпусі 1 ексце- нтрично розташовано ротор 2. В па- зах ротора вільно пересуваються прямокутні пластини 3 (шибери), які притискаються до внутрішньої пове- рхні корпусу за рахунок відцентрових сил, а іноді за допомогою спеціаль- них пружин. Робочою камерою насо- са є порожнина І, яка ущільнюється на ділянці А-Б, що дорівнює відстані між двома сусідніми пластинами. При обертанні ротора до точки А ро- бочі комірки розширюються, тому рідина через канал 4 перетікає у ці комірки зі всмоктувального трубо- проводу.
При положенні пластини у точці А виникає замикання робочого об’єму. При подальшому обертанні ротора від точки А починається виштовху- вання рідини, тому що попередня пластина в точці Б розмикає робочий об’єм і каналом 5 він з’єднується з
нагнітальним трубопроводом.
Середня подача шиберного насоса (м3/с) |
|
Q = (ηo /60) 2πR b 2e n = (ηo /15) πR b e n, |
(9.36) |
де R- внутрішній радіус корпусу, м; b – ширина пластини, м; e – ексцентри- ситет, м; n – частота обертання ротору, об/хв.
Формула (9.36) правдива для насосів, у яких пази пластин поперемінно з’єднуються зі всмоктувальною і напірною областями насоса. Якщо ж плас- тини в пазах не виконують функції допоміжних насосів, то при визначенні
подачі необхідно враховувати об’єм, який займають пластини |
|
Q=(ηо /30)(2 πR – z δ) b e n, |
(9.37) |
де z - кількість пластин, δ - товщина пластини, м. |
|
В деяких шиберних насосах подача регулюється за рахунок зміни ексцен- триситету Шиберні насоси застосовують для перекачування масел, які одно-
229
часно змащують деталі насосів, вони мають .невелику подачу від 5 до 200 л/хв і розвивають тиск 7 МПа.
9.2.2.7. Радіально-поршневі насоси.
Радіально-поршневим називається насос, у якого поршні (осі циліндрів) розташовані радіально (у формі зірки) в одній площині.
В радіально-поршневому насосі, рис. 9.17, поршні обертаються разом з ротором – блоком циліндрів 2, і одночасно приймають участь у зворотно- поступальному русі у радіальному напрямі в середині циліндрів.
При обертанні ротора сферичні головки поршнів опираються в кіль- цеву напрямну внутрішньої поверх- ні статора. Хід поршня h за полови- ну оберту ротора визначається екс- центриситетом e , причому h=2e. Подача кожного поршня за один оберт
|
Vп = 2 e F, |
(9.38) |
|
|
де F - площа поршня, м2. Тоді робо- |
||
Рис. 9.17. Схема радіально- |
чий об’єм (м3) і подача насоса (м3/с) |
||
V = zVn = 2e z F, |
(9.39 |
||
поршневого насоса |
|||
Q = (ηo /60) 2e F z n. |
(9.40) |
||
Розподіл рідини здійснюється нерухомою цапфою 3 з прорізями 4,5; які утворюють всмоктувальну і напір- ну порожнини. При обертанні кожен циліндр половину оберту (при висунен- ні поршня) з’єднаний з входом 4, 6 а другу – ( при входженні поршня) з ви- ходом 5, 7. Графік подачі насоса – рівномірний. Регулювання подачі здійсню- ється зміною ексцентриситету e .В насосах з регульованою подачею передба- чається можливість зміни ексцентриситету e на ходу машини Для цього ста- тор насоса виконується так, щоб мати можливість переміщуватися відносно ротора. Перехід статора через центр ротора веде до зміни напряму подачі насоса. В елементах гідроприводу це призводить до зміни напряму обертання
гідромотора. Тиск, який розвивається радіально-поршневим насосом досягає
30 МПа.
Рис. 9.18. Схема аксіально- поршневого насоса
9.2.2.8. Аксіально-поршневі насоси.
Аксіально-поршневим насосом на- зивається поршневий насос, у якого поршні (осі циліндрів) розташовані паралельно один одному на боковій циліндричній поверхні або один поруч одного на боковій поверхні конуса обертання.
230
Аксіально-поршневі насоси відрізняються найбільшою компактністю і мають, як правило, найменшу масу при передачі рівної потужності в порів- нянні з іншими об’ємними насосами. Малі радіальні габарити насоса забез- печують їм малі моменти інерції, тому вони можуть швидко змінити частоту обертання. Ці динамічні властивості забезпечили їх широке використання у якості регульованих насосів в гідроприводах. За кінематичними схемами роз- різняють аксіально-поршневі насоси з нахиленим блоком і з нахиленим дис-
ком, рис. 9.18.
В роторі 1 (блок циліндрів) вздовж його осі виконані циліндри, в яких пе- реміщуються під дією пружини поршні 2. Сферичні головки поршнів опира- ються в диск 3, який нахилено під кутом γ. В регульованих насосах кут нахи- лу диска може змінюватися в процесі роботи насоса, за рахунок чого зміню- ється хід поршня і подача насоса.
Для підводу і відводу рідини від циліндрів слугує торцева розподільча си- стема, яка виконана у вигляді двох напівкільцевих порожнин 5, з якими пері- одично сполучаються порожнини циліндрів через вікна 6. Одна напівкільцева порожнина з’єднана з всмоктувальною лінією, а друга – з напірною. При обе- ртанні блока циліндрів, поршень спирається в нахилений диск, періодично то виходячи з циліндра і здійснюючи такт всмоктування, то занурюючись в ньо- го і здійснюючи такт нагнітання рідини.
За один хід поршень здійснює подачу об’ємом
Vп = FS,
де F, S - відповідно площа і хід поршня. Хід поршня визначається за формулою
S = D tgγ,
де D - діаметр кола, на якому знаходяться осі поршнів (циліндрів).
Об’єми рідини, які поступають в трубопровід за один оберт ротора, ви- значаються так:
V = FDtgγ Z, |
(9.41) |
де Z - кількість циліндрів. |
|
Подача насоса |
|
Q = (ηo /60) FDtgγ Zn |
(9.42) |
де n - частота обертання блока циліндрів, об/хв. |
|
Питання для самоконтролю
1.Що називається об’ємним насосом?
2.Які основні відмінності об’ємних насосів від лопатевих?
3.Як визначаються основні показники об’ємних насосів?
4.Які існують типи поршневих насосів?
5.Чим відрізняються поршневі насоси від плунжерних?
6.Як визначається висота всмоктування поршневого насоса?
7.Як визначається об’єм повітря в напірних ковпаках, які використову- ються для вирівнювання подачі поршневого насоса?
231
8.Яка конструкція мембранних насосів?
9.Що називають ротаційним насосом?
10.Які особливості ротаційних насосів?
11.Як визначається подача шлангових насосів?
12.Який принцип дії рідиннокільцевих насосів?
13.Який принцип дії шестеренних насосів?
14.Які переваги і недоліки шестеренних насосів?
15.Які особливості гвинтових насосів сприяють їх розповсюдженню?
16.Яка конструкція шиберних насосів?
17.Яка конструкція і принцип дії радіально-поршневих насосів?
18.Як визначається подача радіально-поршневого насоса?
19.Яка конструкція і принцип дії аксіально-поршневого насоса?
20.Як визначається подача аксіально-поршневого насоса?
232
10.НАСОСИ ТЕРТЯ І ГІДРАВЛІЧНІ ДВИГУНИ
10.1Типи та особливості роботи насосів тертя.
10.1.1 Боковоканальні насоси.
Боковоканальним називається відцентровий насос, у якого збільшення енергії рідини здійснюється в міжлопатевому просторі (комірках) крильчас- того робочого колеса, що обертається в концентричному корпусі й передає імпульс рідині, яка проходить через канал, що розташований збоку від робо- чого колеса.
Схема боковоканального насоса наведена на рис. 10.1б.
Рис. 10.1. Боковоканальний насос: а) фрагмент робочого колеса; б) схема руху рідини; в), г) схема конструкції
Робоче колесо має плоскі радіальні лопаті 2. Між лопатями створюються криволінійні канали 5. В середині корпуса 4 по периметру колеса проходить особливий боковий кільцевий канал 3, який перетинається перемичкою 6. Ця перемичка відокремлює всмоктувальну порожнину від напірної. При обер- танні робочого колеса 1 його лопаті діють на рідину, яка знаходиться у кіль- цевому каналі і надають їй за рахунок тертя обертального руху. Одночасно в
233
рідині, яка заповнює міжлопатеві канали 5, виникають відцентрові сили, що обумовлюють безперервний рух її із міжлопатевих каналів 5 в кільце 3. Ріди- на, яка захоплюється лопатями на вході в кільцевий канал 3 потім знову по- падає в міжлопатевий канал 5. В кільцевому каналі формується вихрова те- чія. За один оберт робочого колеса рідина декілька разів захоплюється лопа- тями і викидається в кільцевий канал 3. Тому при одних і тих же діаметрах робочих коліс і частотах обертання напір боковоканального насоса в 2…4 рази перевищує напір, що створюється відцентровим насосом.
Напір боковоканальногого насоса
H =ψu2 /(2g), |
(10.1) |
де ψ - коефіцієнт напору, причому ψ =3,3…4,5; u - переносна швидкість, м/с., u =πDn/60; D - діаметр робочого колеса, м; n - частота обертання робочого колеса, об/хв.
Більшість боковоканальних насосів має властивість самовсмоктування. Завдяки компактності, високим напорам, самовсмоктувальним властивостям боковоканальніі насоси мають широке застосування при перекачуванні рідин, які насичені газом, хімічно агресивних речовин і ін.
|
Боковоканальні насоси випускають таких |
|
|
типів В, ВС, ВКС в діапазоні подач 1…50 |
|
|
м3/год при напорах 25…100 м., к.к.д насоса – |
|
|
25…45%. Ці насоси найчастіше використову- |
|
|
ють як допоміжні в дренажних, осушувальних |
|
|
і протипожежних системах. |
|
|
10.1.2 Насоси з електромагнітним приво- |
|
|
дом (вібраційні)- це об’ємні насоси, у яких |
|
|
зворотно-поступальний рух поршня відбува- |
|
|
ється під дією зміни магнітного поля. |
|
|
В основу роботи вібраційних насосів по- |
|
|
кладений принцип використання інерційних |
|
|
сил, які виникають під дією коливальних про- |
|
|
цесів у перекачуваній рідині, що вміщується у |
|
|
трубопроводі. Робочий орган (клапан – |
|
|
поршень) цих насосів, який здійснює зворот- |
|
|
но-поступальний рух, приводиться у дію ме- |
|
|
ханічним вібратором. Вібраційні насоси випу- |
|
|
скають як з поверхневими, рис. 10.2, так і з |
|
Рис. 10.2. Конструкція |
||
зануреними вібраторами, рис. 10.3. |
||
вібраційної водопідйом |
З шахтних колодязів і водоймищ воду за- |
|
ної установки ВПУ-1: 1- |
бирають вібраційними насосами з зануреним |
|
вібратор; 2- пружний амор |
вібратором, див. рис. 10.3. Робочий орган цих |
|
тизатор; 3,5- водопідйомні і |
насосів приводиться в дію зануреним елект- |
|
обсадна труби; 4- приймаль |
ромагнітним вібратором резонансного типу. |
|
ний клапан |
||
Вібратор розміщується у корпусі 9. Дві коту- |
||
|
||
|
|
234
шки 10 електромагніта і сердечник заливають епоксидною смолою. Якір 8 електромагніта встановлюють на шток 3 на відстані 3…3,6 мм від котушок
|
вібратора. Шток проходить через гумову |
||
|
діафрагму 5, яка розділяє електромагнітну |
||
|
і гідравлічну частину насоса. Коли по- |
||
|
ршень 2 рухається вниз, приймальний кла- |
||
|
пан 1 щільно притискується до сідла, і во- |
||
|
да через зазор між поршнем і корпусом |
||
|
віджимається в надпоршневу порожнину. |
||
|
При русі вверх кінці поршня щільно |
||
|
притискаються до корпусу, тиск у всмок- |
||
|
тувальній частині насоса знижується і кла- |
||
|
пан 1 відкривається. Вода із джерела по- |
||
|
ступає в насос. Одночасно жорстка серед- |
||
|
ня частина поршня діє на воду , яка знахо- |
||
|
диться над ним і витискає її у міжкорпус- |
||
|
ний простір. Із цього простору вода, охо- |
||
|
лоджуючи електромагнітний привід, по |
||
|
напірному шлангу 12 поступає споживачу. |
||
|
Частота коливань поршня складає 6000 |
||
|
кол/хв. Електромагніт живиться від мережі |
||
Рис. 10.3. Конструкція віб |
змінного |
однофазного струму напругою |
|
220 В. При напорі 30…1 м подача вібра- |
|||
раційного насоса НЕБ-1/20 |
|||
ційного насоса змінюється від 0,2 до 1 л/с. |
|||
з зануреним вібратором: 1- |
|||
Такі насоси можна встановлювати на по- |
|||
приймальний клапан; 2- робо |
|||
плавку, тобто у плавучому положенні. |
|||
чий орган поршень; 3- шток; |
|||
10.1.3 |
Струминні насоси. |
||
4,5,6,11- деталі корпусу; 8- |
|||
Струминний насос – це апарат для збі- |
|||
якор; 10- котушка електро |
|||
льшення |
енергії перекачуваної рідини |
||
магніта; 12- напірний шланг |
|||
змішуванням з приводним робочим сере- довищем (рідина, газ, пара) з використан-
ням соплового ефекту.
Струминні насоси відносять до насосів тертя рис. 10.4а. Принцип їх дії ба- зується на тому, що кінетична енергія передається (без проміжних механіз- мів) від приводного середовища до тієї рідини, що піднімається насосом. В водоструминних насосах робоча рідина під напором трубою 2 подається у сопло 3. Тут її швидкість і кінетична енергія набувають найбільшого значен- ня, а тиск відповідно зменшується. При певній швидкості тиск у всмоктува- льній камері стає меншим атмосферного, виникає вакуум. Під дією перепаду тисків вода з нижнього резервуара всмоктувальною трубою 1 іде у всмокту- вальну камеру і далі в камеру змішування 4. У камері змішування робочий потік змішується з тим, що піднімається. При цьому робоча рідина віддає частину своєї енергії. Потім змішаний потік поступає у дифузор 5, де його
235
швидкість поступово падає, а статичний напір зростає. Далі змішаний потік іде напірним трубопроводом 6 у збірний резервуар.
Якщо знехтувати втратами напору, то потужність (Вт), яка витрачається струминним насосом на перекачування рідини з нижнього резервуара у збір- ний резервуар, буде
N3 =ρgQр Hр, |
(10.2) |
a корисна потужність |
|
N к = ρgQ3 H |
(10.3) |
де Qр -витрата робочої рідини, м3/с; Q3 - подача струменевого насоса,м3/с; Hр
робочий напір, м; H - висота підйому рідини, м; ρ - густина робочої рідини, кг/м3.
Рис 10.4. Водоструминний насос: а) схема насоса; б) схема установки на- соса; в) схема руху рідини в насосі
Коефіцієнт корисної дії струминного насоса при однаковій густині робо- чої і перекачуваної рідини
η = (Q3 H)/ (Qр Hр) |
(10.4) |
Відношенні витрат перекачуваної і робочої рідин називається коефіцієн- том інжекції (підмішування, підсмоктування).
α= Q3 / Qр
В звичайних умовах α = 0,8…1,2.
Відношення висоти підйому рідини і робочого напору називається коефі- цієнтом напору
β = H / Hр
Тоді η =αβ. Фактичне значення к.к.д струминних насосів складає η = 0,15…0,35.
236
Відстань між площинами виходу з насадка і входом у камеру змішування струминного насоса приймається l=2do , де do - діаметр вихідного отвору на- садка. Діаметр do знаходять за значенням витрати робочої рідини з формули
|
πd |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Q p = µ |
|
o |
|
2gH p |
, |
(10.5) |
4 |
|
|||||
|
|
|
|
|
||
де µ - коефіцієнт витрати, µ = 0,96. |
|
|
|
|
|
|
Діаметр камери змішування d3 =(1,5…2,5)do. Довжина камери зміщування |
||||||
lк = (9…12)(d3 – dо ). |
|
(10.6) |
||||
Довжина дифузора |
|
|
|
|
|
|
lд = (d4 – d3 ) / (2 tgαд ), |
(10.7) |
|||||
де αд- кут конуса дифузора, αд =4…8о.
Діаметр напірної лінії d4 знаходять при швидкості vн =2…5 м/с.. Діаметр лінії підсмоктування dп - при швидкості vп =1,0…1,5 м/с.
Струминні насоси використовують для підйому стічної та ґрунтової води, для відсмоктування повітря із всмоктувальних ліній при запусках великих відцентрових насосів, для видалення осаду з водоприймачів водозабірних споруд і ін. Перевагою струминних насосів є простота їх конструкції, а недоліком – низький
к.к.д.
До струминних насосів відносять водостру- минні насоси , що працюють на воді, газостру- минні (ежектори) - на газі або на повітрі, паро- струминні (інжектори) – на парі, пароструминні компресори і ін.
10.1.4 Газліфтні насоси (ерліфти).
Рис 10.5. Газліфтний насос (ерліфт): 1- екс-
плуатаційна труба; 2- змішувач; 3- повітровід; 4- водопідйомна труба; 5- повітровідділювач; 6- відвідна труба
Газліфтний насос – це гідравлічний пристрій для збільшення енергії перекачуваної рідини змішуванням і отримання емульсії зі стисненим газом.
В експлуатаційній трубі бурової свердловини 1, рис.10.5, розміщується труба 4, на нижньому кінці якої встановлено змішувач, що являє со- бою ділянку перфорованої труби з кожухом. До кожуха 2 змішувача приєднується повітровід 3. У верхній частині водопідйомної труби встанов- люють повітровідокремлювач (сепаратор) 5. Стиснуте повітря трубопроводом 3 підводиться
237
до змішувача, який знаходиться нижче динамічного рівня води на глибині h , і через отвори у нижній частині водопідйомної труби переміщується з водою, утворює повітряно-водяну суміш – емульсію. Густина суміші менше густини води. На основі властивостей сполучених посудин і законів гідравліки тиск у перерізі 1-1 повинен бути рівним у всіх точках, тому стовп води висотою зовні підйомної труби повинен врівноважуватися стовпом повітряно-водяної суміші більшої висоти з меншою густиною середовища в середині труби. Об’єм повітря, яке безперервно подається, повинен бути таким, щоб стовп повітряно-водяної суміші виходив на поверхню землі. Вода переміщується за рахунок тертя між водою і бульбашками, що піднімаються у воді.
У повітровідокремлювачі (сепараторі) повітря легко видаляється з води і виходить у атмосферу, а вода відвідною трубою поступає у резервуар.
Ефективність роботи газліфтного насоса залежить від правильного вибору занурення змішувача, яке характеризується коефіцієнтом занурення К, або процентом занурення .В таблиці 10.1 наведені значення цих величин в зале- жності від висоти підйому рідини Н.
Таблиця 10.1 Занурення ерліфта в залежності від висоти підйому.
K =(H+h)/H |
В=h / (h+H) 100% |
H, м |
К.к.д, ηерл |
3,33…2,94 |
70…66 |
До 15 |
0,59…0,57 |
2,94…2,50 |
66…60 |
15…30 |
0,57…0,54 |
2,50…2,00 |
60…50 |
30…60 |
0,54…0,5 |
2,00…1,80 |
50…45 |
60…90 |
0,50…0,44 |
1,80…1,66 |
45…40 |
90…120 |
0,44…0,4 |
1,66…1,49 |
40…33 |
120…150 |
0,40 |
Як визначити об’єм повітря, який необхідно подавати для підйому води? К.к.д ерліфта
ηерл = ρgQH/A |
(10.8) |
де Q - витрата води, яка піднімається, м3/с; H - висота підйому води, м; A - |
|
робота струменю повітря у змішувачі, Дж/с. |
|
За відомою з термодинаміки формулою |
|
A = p1 V1 ln p2 / p1, |
(10.9) |
де p1 - початковий тиск повітря, Па; V1 - витрата повітря при тиску p1 , м3/с; p2 - тиск повітря у змішувачі, Па. Підставимо значення за формулою (10.9) в вираз (10.8) і знайдемо витрату повітря, яку необхідно подавати у свердлови- ну при відомих значеннях Q і H.
V1 = |
|
|
ρgQH |
|
|
|
. |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
р |
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|||||
η |
ерл |
p |
ln |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||||||
|
|
1 |
|
р1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Якщо прийняти ρ = 1000 кг/м3; g = 9,81 м/с2; p1 = 98100 кПа і якщо тиски виразити через напори p1 = ρg10 ; p2 = ρg(h+10); тоді
238