Гидродинамическое подобие в лопастных насосах

Гидродинамическое подобие проточных полостей насоса, включающее так же подобие шероховатостей поверхности стенок внутренних каналов, зазорах в щелевых уплотнениях и толщин лопаток рабочего колеса.

79 В наше время широко применяется проектирование нового насоса путём пересчёта по формулам подобия размеров существующего насоса. Для этого необходимо выбрать среди существующих насосов такой насос, у которого режим, подобен заданному режиму работы проектируемого насоса, был бы близок к оптимальному. Необходим параметр, который служил бы критерием подобия и был бы одинаков для всех одинаковых насосов. Определив его по заданным H,Q u n проектируемого насоса и сравнив его с критериями подобия имеющихся конструкций, получим возможность подобрать необходимый насос. Для подобных насосов, работающих на подобных режимах, справедливы уравнения

Q₁/Q₂=(n₁/n₂)(L₁/L₂)³ и H₁/H₂=(n₁L₁/n₂L₂)²

Также их можно записать

Q₁/(n₁L₁³)= Q₂/(n₂L₂³)=Q/(nL³)=q

H₁/(n₁L₁)²=H₂/(n₂L₂)²=H/(nL)2=h

Величины q u h одинаковы для подобных насосов и являются критериями подобия. Но они не могут быть определенны для поректируемого насоса т.к. не известен размер L.Сделаем преобразования уравнений чтобы избавиться от L

Q²n⁶L⁶/H³n²L⁶=n⁴Q²/H³=q²/h³ или

=

Как параметры q u h так и ny одинаковы для геометрически подобных насосов при работе их на подобных режимах. ny является искомым критерием подобия - удельная частота вращения.В насосостроении большее распространение получил параметр ns, называемый коэф быстроходности и в 3,65 раза больший удельной частоты вращения. Коэф быстроходности различен для различных режимов работы насоса. Назовем Коэф быстроходности, определённый для оптимального режима, т.е. для режима, соответствующего максимальному значению КПД. У лопастных насосов по мере увеличения коэф быстроходности кривая напоров H=f(Q) становится более крутой. Мощность при подаче, равной нулю, увеличивается с ростом быстроходности. Т.к. напор лопастного насоса не зависит от рода перекачиваемой жидкости, удельная частота вращения и Коэф быстроходности также не зависят от рода перекачиваемой жидкости.

80 При очень больших подачах и малых напорах применяются осевые насосы (коэффициент быстроходности п = 500-1000 об/мин). Особенностью их конструкции является то, что движение жидкости в проточной части происходит симметрично оси вращения рабочего колеса.

Корпус насоса состоит из след. литых деталей: камеры рабочего колеса, выправляющего аппарата и отводного колена. В крупных насосах корпусные детали имеют разъем не только в плоскостях, перпендикулярных к оси ротора, но и по оси. Корпус насоса опирается на фундамент через опорные кольцо и лапы.

Рабочее колесо насоса состоит из втулки, лопастей (числом от 4 до 8) и обтекателя. Оно консольно крепится к фланцу полого вала. Во втулке рабочего колеса размещен механизм поворота лопас­тей, который приводится в действие при помощи штока или гидравли­ческого привода, расположенных внутри полого вала. Опорами вала являются два радиальных подшипника скольжения: нижний направ­ляющий, размещенный в ступице выправляющего аппарата, и верхний. Смазывание подшипников осуществляется перекачиваемой жид­костью. Верхний подшипник может смазываться густым консистентным смазочным материалом при помо­щи пресс-масленки. В месте выхода вала из корпуса имеется уплотнение 9 сальникового типа. Муфтой 10 вал насоса соединяется с валом дви­гателя.

Жидкость подводится к насосу снизу через всасывающую трубу, присоединяемую к опорному коль­цу. Взаимодействуя с лопастями рабочего колеса, она приобретает энергию. В зависимости от требуе­мых подачи и напора выбирается угол установки лопастей рабочего колеса. Осевое усилие, возникаю­щее на валу насоса в результате взаимодействия жидкости с лопас­тями рабочего колеса, передается на вал электродвигателя и восприни­мается его упорным подшипником. Проходя рабочее колесо, жидкость приобретает закрутку. В выправ­ляющем аппарате, установленном за рабочим колесом и снабженном жестко закрепленными лопастями, происходит раскрутка жидкости, при этом ее кинетическая энергия пере­ходит в потенциальную.

Рабочее колесо осевых насосов может иметь и неподвижные ло­пасти.

81 Осевые насосы предназначаются главным образом для подачи больших объёмов жидкостей. Их работа обусловлена передачей той энергии, которую получает жидкость при силовом воздействии на неё лобовой поверхности вращающихся лопастей рабочего колеса. Частицы подаваемой жидкости при этом имеют криволинейные траектории, но, пройдя через выправляющий аппарат, начинают перемещаться от входа в насоса до выхода из него, в основном вдоль его оси (откуда и название).

Существуют 2 основных разновидности осевых насосов: жестколопастные с лопастями, закрепленными неподвижно на втулке рабочего колеса, называемые пропеллерными, и поворотно-лопастные, оборудованные механизмом для изменения угла наклона лопастей. Насосы обеих разновидностей строят обычно одноступенчатыми,реже двухступенчатыми.

Изменением наклона лопастей рабочего колеса достигается регулирование подачи с поддержанием кпд на высоком уровне в широких пределах. Рабочие колёса осевого насоса имеют очень высокий коэффициент быстроходности (ns от 500 до 1500 об/мин). При малых подачах характеристики Н - Q и N - Q круто снижаются. Максимальные значения Н и N соответствуют режиму холостого хода. Крупнейший отечественный осевой поворотно-лопастной насос рассчитан на Q = (45¸50)´103 м3/ч при H от 13 до 10 м, N = 2 Мвт и 11 = 86%. Марка этого насоса: ОП2-185. где ОП - осевой поворотно-лопастной, 2 - тип рабочего колеса и 185 - диаметр рабочего колеса (по концам лопастей, в см).

Работа насоса характеризуется следующими основными параметрами: подачей, напором, потребляемой мощностью, коэффициентом полезного действия (КПД) и частотой вращения.

Подачей насоса называется объем жидкости, проходящей в единицу времени через напорный (выходной) патрубок.Подача насоса зависит от геометрических размеров рабочей камеры и рабочего органа и скорости его движения, а также от утечек жидкости внутри насоса через неплотности между областями нагнетания и всасы­вания.

Рабочим объемом объемного насоса называется сумма разнос­тей наибольшего и наименьшего значений объемов рабочих камер насоса за один оборот приводного вала.

Напором насоса называется удельная (приходящаяся на единицу веса) энергия жидкости, приобретаемая ею при прохождении насоса:

где - положение центра крайнего поперечного сечения соответствую­щего патрубка насоса относительно плоскости сравнения,
- дав­ление и средняя скорость жидкости в соответствующем патрубке; индекс "н" относится к напорному патрубку, "в" - к входному.

Давление насоса р определяется зависимостью

где - плотность перекачиваемой жидкости; ~ напор насоса.

Мощностью насоса N называется мощность, потребляемая насосом:

(3)

где - крутящий момент на валу насоса; - угловая скорость вращения вала;

- частота вращения вала.

Полезной мощностью насоса называется мощность, приобретае­мая жидкостью при прохождении ею насоса:

Отношение полезной мощности к мощности насоса N называется коэффициентом полезного действия (КПД) насоса:

82 Гидродинамические передачи со­стоят из расположенных соосно и предельно сближенных в общем корпусе рабочих, органов лопастного насоса и гидравлической тур­бины. Они передают мощность от двигателя приводимой машине по­средством потока жидкости. Жесткое соединение входного и выход­ного валов при этом отсутствует,

Гидропередачи разделяют на гидродинамические муфты- (гидро­муфты), которые передают мощность, не изменяя момента, и гидро­динамические трансформаторы (гидротрансформаторы), способные изменять передаваемый момент.

Гидромуфты и гидротрансформаторы со­стоят из расположенных в общем корпусе лопастных колес — на­сосного, соединенного с валом двигателя, и турбинного, соеди­ненного с выходным валом.

В гидротрансформаторах между насосным и турбинным колесами устанавливают соединенное с неподвижным корпусом колесо реактора. Лопасти рабочих колес прикреплены к горообразным направляющим: поверхностям. Поверхности обра­зуют рабочую полость гидропередачи, в которой движется поток жидкости (чаще всего маловязкого минерального масла), обтекающий лопасти колес.

Гидропередачи имеют один или несколько внутренних подшипников для взаимной центровки колес и восприя­тия осевых сил, а также уплотнение, замыкающее корпус,

Насосное колесо получает энергию от двигателя и посредством, своих лопастей сообщает ее потоку жидкости, Поток обтекает лопасти турбинного колеса, приводит его во вращение и сообщает при этом энергию, используемую на выходном валу для преодоления сопротив­ления приводимой машины (потребителя). Гидропередачи способны ограничивать момент сопротивления, нагружающего двигатель, и сглаживать пульсации этого момента при пульсирующем изменении сопротивления потребителя. Этим они защищают двигатель и меха­ническую часть трансмиссии от перегрузок, и ударных нагрузок, увеличивая их долговечность. Гидропередачи устраняют также пе­регрузку двигателей во время пуска, при разгоне приводимых объектов, обладающих большой инерцией, благодаря чему отпадает необходимость завышения установленной мощности двигателей для обеспечения разгона.

Гидротрансформаторы, кроме того, обеспечивают бесступенчатое ^: изменение передаваемого момента в зависимости от изменения частоты вращения выходного вала. При возрастании сопротивления потребителя и, следовательно, при снижении частоты вращения выходного вала передаваемый момент увеличивается. При этом улуч­шается использование мощности двигателей, повышается произво­дительность мантии, устраняется необходимость в коробках зубчатых передач, требующих переключения. Все указанные функции гидропе­редачи выполняют автоматически без вмешательства человека или какого-либо управляющего устройства,, На оптимальных режимах работы КПД гидропередач достигает высоких значений 85-—98 %, что незначительно меньше КПД механических передач.

Несмотря на это и на некоторое усложнение трансмиссий, перечисленные ка­чества обусловили широкое распространение гидропередач в дорож­ных строительных и транспортных машинах, работающих в особенно тяжелых условиях.

83 Гидропередачи разделяют на гидродинамические муфты- (гидро­муфты), которые передают мощность, не изменяя момента, и гидро­динамические трансформаторы (гидротрансформаторы), способные изменять передаваемый момент.

гидротрансформаторы со­стоят из расположенных в общем корпусе лопастных колес — на­сосного, соединенного с валом двигателя, и турбинного, соеди­ненного с выходным валом.

В гидротрансформаторах между насосным и турбинным колесами устанавливают соединенное с неподвижным корпусом колесо реактора. Лопасти рабочих колес прикреплены к горообразным направляющим: поверхностям. Поверхности обра­зуют рабочую полость гидропередачи, в которой движется поток жидкости (чаще всего маловязкого минерального масла), обтекающий лопасти колес.

Гидротрансформаторы, кроме того, обеспечивают бесступенчатое ^: изменение передаваемого момента в зависимости от изменения частоты вращения выходного вала. При возрастании сопротивления потребителя и, следовательно, при снижении частоты вращения выходного вала передаваемый момент увеличивается. При этом улуч­шается использование мощности двигателей, повышается произво­дительность мантии, устраняется необходимость в коробках зубчатых передач, требующих переключения. Все указанные функции гидропе­редачи выполняют автоматически без вмешательства человека или какого-либо управляющего устройства,, На оптимальных режимах работы КПД гидропередач достигает высоких значений 85-—98 %, что незначительно меньше КПД механических передач.

84 Гидропередачи разделяют на гидродинамические муфты- (гидро­муфты), которые передают мощность, не изменяя момента, и гидро­динамические трансформаторы (гидротрансформаторы), способные изменять передаваемый момент.

ГИДРОМУФТА (от гидро... и муфта), гидродинамическая передача - механизм, передающий вращательное движение от ведущего вала к ведомому. Состоит из центробежного насоса и гидротурбины, лопаточные колеса которых сближены и образуют торообразную полость, заполняемую рабочей жидкостью. Служит для передачи крутящего момента без его изменения (потери в гидромуфте не учитываются). Применяется в приводах буровых установок, питательных насосов и дымососов теплоэнергоцентралей и др.

Гидромуфты со­стоят из расположенных в общем корпусе лопастных колес — на­сосного, соединенного с валом двигателя, и турбинного, соеди­ненного с выходным валом.

Правила выбора гидромуфты для совместной работы с двигателем и потребителем сводятся к соблюдению двух условий. Во-первых, в режиме длительной эксплуатации гидромуфта должна работать вблизи оптимального режима

Во-вторых, гидромуфта должна надежно защищать двигатель и приводимую машину от пере­грузок.

Обычно гидромуфты применяют с асинхронными электродвигате­лями и двигателями внутреннего сгорания, которые по свойствам своих характеристик нуждаются в защите от перегрузок.

Гидроприводам называется совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов и машин посредством рабочей жидкости, находящейся под давлением, с одновременным выполнением функций регулирования и реверсирования скорости движе­ния выходного звена гндродвнгателя.

На рис.8 показана структурная схема гидропривода.

Приводной двигатель 1 вырабатывает механическую энергию и является входным звеном гидропривода. II сточннком питания 2 гидроприводов служат главным образом насосы, которые преобразуют механическую энергию приводного двигателя в энергию ра­бочей жидкости. 11ногда в схему гидросистемы включают аккумуляторы энергии, эпизодиче­ски становящиеся источником питания. В пневмоприводах источником питания служат ком­прессоры.

Гидравлическая (пневматическая) энергия (давление, расход) через основную гидро-линню (трубопроводы, гибкие шлангн)передается в нсполн нтельное устрой­ство 4, в котором гидравлическая (пневматическая) энергия потока рабочего агента снова преобразуется в механическую энергию (усилие на штоке или момент на валу), используе­мую для преодоления нагрузки 5. Выходным звеном в гндропневмопрнводах является нагрузка на валу (штоке) исполнительного устройства 4.

В качестве исполнительных устройств применяются различные гидро- и пневмодвнгате-

ли:

• силовые гидроинлннлры (пневмоинлнндры) для осуществления прямолинейных возврат­но-поступательных движений и поворотных перемещений (моментные цилиндры):

-гидро - н пневмомоторы непрерывного врашательного движения.

В гидросистему включаются: устройства 3 управления параметрами потока жидкости (давление, расхо'д. направление"), т.е. режимом работы; дополнительные н вспомогатель­ные устройства для обеспечения нормального функционирования системы в заданных ус­ловиях (предохранительные клапаны, аккумуляторы, емкости, фильтры, кондиционеры, гндромагистралн, уплотнения).

Кроме основной гндролннии. в системе используются также вспомогательные гндроли-нин ятя осуществления различных функций управления и регулирования.

Гидропривод обладает высокой механической жесткостью, что объясняется относи­тельно большим значением модуля объемной упругости жидкости.

Эти преимущества приводят к тому, что гидроприводы имеют простую конструкцию, вы­сокий кпд (0,95-0,98). возможность выбора определенного соотношения скоростей прямого н обратного ходов, высокую надежность, хорошие компоновочные возможности, самосма-зываемость! условия для автоматизации и т.д.

К недостаткам гидропривода можно отнести: зависимость характеристики гидропривода от вязкости рабочей жидкости; потери на трение в утечки, снижающие кпд гидропривода и вызывающие разогрев рабочей жидкости; жесткие требования к точности изготовления: взрыво- н пожароопасность: растворимость воздуха, жидкости и проникновение влаги, кото­рые нарушают работу гидропривода и автоматических устройств: необходимость применения фильтров тонкой очистки, повышающих стоимость гидропривода.

При правильном конструировании и эксплуатации гидроприводов отмеченные не-достатки могут быть сведены к минимуму.

Гидроприводы и пневмоприводы оснащены специальной гндропневматической аппара­турой, которая создает возможность компоновки большого числа различных систем в широ­ком диапазоне функциональных возможностей.

Широкое распространение получили как дискретные, так и аналоговые гидравлические и пневматические вычислительные устройства, которые по быстродействию, размерам и весу намного уступают электрическим. Однако гидравлические вычислительные устройства и элементы пневмоннкн имеют такие преимущества, как взрывобезопасность. нечувствитель­ность к электромагнитным полям, возможность работы при сравнительно высоких темпера­турах и в объектах с высоким уровнем вибраций, низкая стоимость и т.д.

Средства гидропневмоавтоматикн находят все более широкое применение во взрывоопас­ных технологических процессах химических предприятий.

Принцип работы объемного гидропривода основан на законе Паскаля, по которому всякое изменение давления в какой-либо точке покоящейся жидкости, не нарушающее ее равнове­сия, передается в остальные ее точки без изменения (рис. 10).

Насосом I рабочая жидкость подается в напорную гидролинию 3 и далее через распреде­литель 5 к гидродвнгателю 2, При одном положении гидрораспределнтеля совершается рабо­чий ход гндродвнгателя, а при другом положении - холостой. Из гидро двигателя жидкость через распределитель поступает всливную гидролинию и далее или в гидробак9. или во вса­сывающую гидролинню насоса (в гидроприводах с замкнутой схемой циркуляции рабочей жидкости, см. рис. 10 а). В резервуаре жидкость охлаждается и снова поступает в гидросисте­му. Надежная работа гидропривода возможна только при соответствующей очнсткерабочей жидкости фильтрами 8.

Принцип работы объемного гидропривода основан на законе Паскаля, по которому всякое изменение давления в какой-либо точке покоящейся жидкости, не нарушающее ее равнове­сия, передается в остальные ее точки без изменения (рис. 10).

Насосом рабочая жидкость подается в напорную гидролинию и далее через распреде­литель к гидродвнгателю, При одном положении гидрораспределнтеля совершается рабо­чий ход гндродвнгателя, а при другом положении - холостой. Из гидро двигателя жидкость через распределитель поступает всливную гидролинию и далее или в гидробак9. или во вса­сывающую гидролинню насоса (в гидроприводах с замкнутой схемой циркуляции рабочей жидкости, см. рис. 10 а). В резервуаре жидкость охлаждается и снова поступает в гидросисте­му. Надежная работа гидропривода возможна только при соответствующей очнсткерабочей жидкости фильтрами 8.

Регулирование скорости движения выходного звена гидродвигателя может быть дроссель­ным или объемным. При дроссельном регулировании в гидросистеме устанавливаются нере­гулируемые насосы, а нзменениескорости движения выходного звена достигается изменени­ем расхода рабочей жидкости через дроссель 6. При объемном регулировании скорость дви­жения выходного звена гндродвнгателя изменяется подачей регулируемого насоса либо за счет применения регулируемого гидромотора. Зашита гидросистемы от чрезмерного повышения давления обеспечивается предохранительным или переливным клапанами,которые настраиваются на максимально допустимое давление. Если нагрузка на гидродвигатель возрастсет сверх установленной, то весь поток рабочей жидкости будет идти через предохранительный или переливной клапаны, минуя гидродвигатель. Контроль за давлением на отдельных участках гидросистемы осущ по манометрам