Кинематика движения жидкости

Рис.1.9. Схема вихревого нагнетателя.

Рис.1.8. Схема осевого вентилятора.

Рис.1.7. Схема диаметрального вентилятора.

Рис.1.5. Схемы струйных нагнетателей.

Рис.1.4. Схема пластинчатых нагнетателей.

Рис.1.3. Схемы зубчатых нагнетателей.

Рис. 1.1.

Классификация нагнетателей.

Классификация гидравлических машин.

Применение гидравлических машин в системах ТГВ.

Разработанные учеными и инженерами гидравлические машины широко применяются в ТГВ. Слово СНАБЖЕНИЕ – несет в себе и ответ.

Вентиляция (от латинского VENTILATID – проветривание) – это регулируемый воздухообмен в помещении. Предназначена вентиляция для поддержания чистоты, температуры, влажности и подвижности вохдуха. Установки, обеспечивающие регулируемый воздухообмен в помещении называются вентиляционными. Частным случаем вентиляционных установок являются аспирационные.

Аспирация – (от латинского «aspiration»- вдыхание) – это отсос воздуха от оборудования с целью создания внутри рабочих пространств или защитных кожухов вакуума, необходимого для предотвращения выделения пыли в производственные помещения.

В ТГВ применяются гидравлические машины:

- НАСОСЫ – для обеспечения движения (или циркуляции) воды в системах теплофикации и отопления, для перекачки конденсата из паровых систем в котлы, питания котельных установок, подачи воды в увлажнительные устройства систем кондиционирования воздуха.

- ВЕНТИЛЯТОРЫ – в качестве основных агрегатов для перемещения воздуха в приточных и вытяжных системах вентиляции жилых, общественных и промышленных зданий, в установках пневмотранспорта, для подачи дутья и удаления продуктов горения в котельных установках.

- КОМПРЕССОРЫ – для побудителя тяги в пылесосных и пневмотранспортных установках, для распыления воды или топлива сжатым воздухом.

Целью данного курса, т.е. задачами, стоящими перед Вами (специалистами) в области снабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха является не конструирование гидравлических машин, а изучение принципа их действия и рациональный (правильный) выбор, монтаж и эксплуатация выпускаемых промышленностью гидравлических машин, сведения об их расчете приводятся в весьма сжатой форме, которые более широко будут применяться Вами в ККР.

По виду перекачиваемой среды гидравлические машины подразделяются на машины, предназначенные для перемещения капельной (жидкой среды) и некапельных (воздушных, а правильнее газовых сред).

ГМ -, предназначенная для перемещения жидкости и увеличения ее энергии – носит название насоса. При работе насоса энергия, получаемая им от двигателя, превращается в потенциальную, кинетическую и в незначительной мере в тепловую энергию потока жидкости.

ГМ – для подачи газовых сред в зависимости от развиваемого ими давления называют – вентиляторами, газодувами (воздуходувками), компрессорами.

Вентилятор – Г. машина, перемещающая газовую среду при степени повышения Е до 1,15 или 15 КПа. Е – отношение давления газа на выходе и давления его на входе.

Воздуходувка – Г.машина, работающая при Е от 1,5 до 3,0, но искусственно не охлаждается.

Компрессор – Г.машина сжимает газ при Е 1,15 (3,0) и имеет искусственное (воздушное или водяное) охлаждение полостей, в которых происходит сжатие газа и охлаждение самого газа.

Наиболее привлекательна классификация гидромашин по принципу их действия, безотносительно от вида перемещаемой среды (капельная, жидкость или газ), предложенная М.П.Кашкумкиным.

Машины объемного действия работают по принципу механического вытеснения жидкости твердым телом. При этом создающий давление рабочий орган нагнетателя совершает возвратно-поступательное или вращательное движение.

Действие струйных аппаратов основано на смешении двух струй – рабочей (активной) с подсасываемой струей.

В центробежных, диаметральных и осевых лопастных машинах давление среды создается вследствие возникновения центробежных сил при закручивании жидкости лопатками вращающегося колеса.

В вихревых машинах перемещение жидкости происходит под давлениями, возникающими в вихрях, которые образуются на кромке лопатки и захватываются колесом.

Принцип действия поршневой машины рассмотрим на простейшей схеме (рис.1.2). В цилиндре 1 перемещается поршень 2. К цилиндру присоединены всасывающая труба 3 с клапаном 4 и нагнетательная труба 5 с клапаном 6. При движении поршня вверх (рис.1.2,а) в пространстве под ним создается разрежение, и жидкость по всасывающей трубе через открытый всасывающий клапан 4 заполняет цилиндр. При обратном ходе поршня (рис.1.2,б) давление в цилиндре повышается и жидкость выдавливается по трубе 5 через открытый нагнетательный клапан 6 в напорную линию.

В некоторых конструкциях поршней предусматривается отверстие, снабженное нагнетательным клапаном 6 (рис.1.2,в). В этом случае движение жидкости под поршнем и над ним направлено только снизу вверх.

Рис.1.2.Схемы поршневых машин.

а и б – с глухим поршнем; в - с проходнымпоршнем.

Поршневые машины характеризуются практической независимостью подачи от от давления. Поэтому их чаще всего применяют при необходимости создания высоких давлений. Коэффициент полезного действия (к.п.д.) этих машин сравнительно высок.

К недостаткам этих машин следует отнести неравномерность подачи, сложность соединения с электродвигателем, трудность регулирования и быстрый износ клапанов. Однако, несмотря на эти недостатки, поршневые насосы и компрессоры находят широкое применение в практике.

а – для подачи жидкости; б – для подачи воздуха.

В зубчатых (шестеренных) машинах (рис.1.3,а) жидкость перемещается парой зубчатых колес 1, установленных в плоском кожухе 2, к которому присоединены всасывающая 3 и нагнетательная 4 трубы. Зазоры между кромками зубьев и стенками кожуха минимальны. При вращении колес жидкость, попавшая в пространство между зубьями и стенкой кожуха, захватывается и переносится по направлению от всасывающей трубы к нагнетательной. Обратное движение жидкости предотвращается плотным сцеплением зубьев.

Число зубьев в пределе может быть уменьшено до двух, причем вращающиеся элементы в этом случае будут иметь очертания, напоминающие восьмерку (рис.1.3,б).

Большими достоинствами зубчатых машин являются компактность и простота конструкции (отсутствие клапанов, непосредственное соединение с электродвигателем). К достоинствам относится также и постоянство объема перемещаемой среды (независимость от давления). К недостаткам машин такого типа можно отнести сравнительно низкий к.п.д., связанный с частичным перетеканием жидкости в обратном направлении через зазоры, а также с большими потерями на трение.

Зубчатые машины используются чаще всего в качестве насосов для перекачки масел и других вязких жидкостей и развивают высокие давления. В варианте, изображенном на рисунке 1.3,б такие насосы используются как воздуходувки в системах подачи дутья, пневмотранспорта и т.п.

Схема пластинчатой машины приведена на рис 1.4. В цилиндрическом корпусе 1 эксцентрично расположен вращающийся сплошной ротор 2 с пазами 3, в которые вставлены пластины 4. Под действием центробежных сил пластины выходят из пазов, прижимаются к внутренней поверхности корпуса. Размеры пространства, заключенного между этими пластинами, как видно из рисунка, зависят от степени их выхода из пазов. Если к корпусу присоединить патрубки, то воздух или газ будут всасываться через патрубок 5, сжиматься и под давлением выходить через нагнетательный патрубок 6.

По принципу действия машина аналогична поршневой, так как объем перемещаемый за каждый оборот среды постоянен и равен разности объемов пространств при верхнем и нижнем положении пластин.

Достоинствами машины являются высокая равномерность подачи и возможность непосредственного соединения ротора с валом электродвигателя. К недостаткам следует отнести сравнительно низкий к.п.д. из-за перетекания газа или воздуха через зазоры между кромками пластин и стенками корпуса, а также довольно быстрый износ кромок пластин, трущихся о внутреннюю поверхность корпуса.

Пластинчатые машины используются чаще всего в качестве компрессоров или газодувок.

Струйный нагнетатель, называемый иначе элеватором или инжектором, представляет собой устройство, состоящее из сопла 1, камеры смешения 2 и диффузора 3 (рис.1.5). Струя, выходящая со значительной скоростью из сопла в камеру, создает в ней разрежение, под действием которого жидкость или газ подсасывается в камеру, смешивается со струей, выходящей из сопла, и поступает в диффузор. В последнем динамическое давление падает, за счет чего статическое давление жидкости повышается.

Струйные нагнетатели могут быть выполнены по двум основным схемам. В первой схеме (рис.1.5,а) направления движения рабочей (эжектирующей) струи, выходящей из сопла, и подсасываемой струи взаимно перпендикулярны, из-за чего значительная часть количества движения подсасываемой струи пропадает.

По второй схеме (рис.1.5,б) направления движения рабочей струи и подсасываемой параллельны. Эта схема обеспечивает значительное (почти двукратное) повышение к.п.д. установки.

Первая (менее рациональная) схема широко применяется в элеваторах для смешения перегретой воды, поступающей из ТЭЦ с температурой 130-150^оС, с обратной водой системы отопления, имеющей температуру 65-70^оС. Полученная смесь (85-105^о) поступает в местную отопительную систему.

Вторая схема применяется в гидроэлеваторах, предназначенных для подъема воды из колодцев, в паровых инжекторах, в воздушных эжекторах, используемых при вентиляции огнеопасных или взрывоопасных помещений, где при устройстве вентиляции не допускается установка двигателей.

Центробежная машина состоит из рабочего колеса 1 (рис.1.6), снабженного лопатками. Колесо установлено на кожухе 2 (корпусе) и с помощью втулки закреплено на валу, снабженном двумя подшипниками. Указанные элементы образуют привод 3.

Рис.1.6. Схема центробежной машин ы

Действие машины основано на том, что рабочее колесо при вращении создает разность давлений, под влиянием которой жидкость через всасывающее отверстие в боковой стенке 4 входить в кожух нагнетателя, совершает поворот на 90^о, проходит между лопатками колеса и поступает в кожух, пройдя по которому, выходит из машины через нагнетательное отверстие 5.

Центробежные машины существенно отличаются от объемных машин тем, что в довольно широком диапазоне изменения производительности развивают примерно постоянную разность давлений во всасывающем и нагнетательном отверстиях.

Эти машины характеризуются большой равномерностью подачи. Отсутствие в рабочем органе – колесе – движущихся частей обеспечивает работу без пульсаций и толчков перекачиваемой жидкости.

Центробежные машины широко используются для перемещения воздуха и газов и называются в этом случае вентиляторами. Машины, предназначенные для перемещения капельных жидкостей, называются насосами.

Схема диаметральной машины несколько напоминает (рис.1.7) схему центробежного нагнетателя. Основным рабочим элементом машины является колесо 1 с большим числом сравнительно узких лопаток. Однако колесо это располагается не в спиральном, а в коленообразном кожухе2, сравнительно тесно охватывающем нижнюю и верхнюю части колеса.

Входная часть кожуха 3 имеет форму сужающейся прямоугольной коробки. Выходное отверстие 4 расположено на конце кожуха, имеющего форму плавно расширяющегося прямоугольного колена.

В этой машине перемещаемая жидкость входит внутрь колеса, проходя между лопатками, пересекает колесо примерно по диаметру и выходит через противоположную сторону колеса.

К.п.д. диаметральных машин несколько меньше, чем у центробежных, однако по сравнению с последними они обладают рядом существенных достоинств: при работе мало шумят, допускают установку колес большой ширины (в несколько раз превышающей диаметр). Эти машины, кроме того, удобно присоединяются к оборудованию, так как поток внутри нагнетателя не имеет поворота на 90^о.

Машины применяются в основном в качестве вентиляторов, хотя принципиально их можно использовать и в качестве насосов.

Осевые нагнетатели (рис1.8) имеют весьма простую конструкцию. Рабочее колесо машины состоит из втулки 2, к которой прикреплены лопатки 2, установленные под некоторым углом к плоскости вращения. Колесо расположено в обечайке 3 или непосредственно в воздуховоде.

При вращении колеса жидкость подтекает к его лопаткам, проходит между ними и сходит с колеса с небольшим изменением направления движения. В целом поток движется по траектории, практически параллельной оси вращения колеса, откуда и происходит название машины.

Осевые нагнетатели развивают давления, значительно более низкие, чем центробежные. К.п.д. машин обоих типов примерно одинаков. Большим достоинством осевых нагнетателей является их компактность, относительная простота исполнения и высокая производительность.

Осевые нагнетатели широко применяются в качестве вентиляторов и несколько реже в качестве насосов.

Схема нагнетателя вихревого типа приведена на рис.1.9. В этой машине основным элементом является колесо 1, представляющее собой сплошной диск, по краям которого расположены лопатки 2. Диск размещается в плоском кожухе так, что лопатки почти касаются его верхней части и свободно проходят в нижней части.

При вращении колеса у каждой лопатки образуются вихри, способствующие проталкиванию жидкости в направлении, совпадающим с направлением вращения колеса. Жидкость к кожуху подводится трубопроводом 3, присоединенным к нему по касательной, и выходит через трубопровод 4.

Таким образом, по принципу действия вихревые машины занимают как бы промежуточное положение между лопастными и объемными, так как перемещаемый ими объем жидкости сравнительно мало изменяется с повышением давления.

К.п.д. вихревых нагнетателей ниже, чем у центробежных и осевых, однако из-за простоты конструкции они широко используются в качестве насосов для перекачки различных жидкостей.

Л Е К Ц И Я № 2.

Уравнение центробежного колеса(уравнение Эйлера). Характеристики.

План лекции:

2.1Кинематика движения жидкости в рабочем колесе центробежного насоса. Уравнение Эйлера.

2.2. Теоретическая и действительная характеристики центробежных машин с различными углами наклона лопаток.