Динамические машины

Определения и классификации

Насос – это машина для перемещения жидкости и увеличения её энергии. При работе насоса энергия, получаемая им от двигателя, превращается в потенциальную, кинетическую и в незначительной мере в тепловую энергию потока жидкости.

Машины для подачи газовых сред в зависимости от развиваемого ими давления называют вентиляторами, газодувками, компрессорами.

Вентилятор – машина, перемещающая газовую среду при степени повышения давления до 1,15*.

Газодувка – машина, работающая при >1,15, но искусственно не охлаждаемая.

Компрессор сжимает газ при >1,15 и имеет искусственное (обычно водяное) охлаждение полостей, в которых происходит сжатие газа.

В современной промышленности распространены гидродвигатели – машины, превращающие энергию потока жидкости в механическую энергию (гидротурбины, гидромоторы).

В последнее время в различных технических устройствах применяются гидропередачи – конструктивные комбинации, служащие для передачи механической энергии с вала двигателя на вал приводимой машины гидравлическим способом. Гидропередача состоит из насоса, гидродвигателя и системы трубопроводов с устройствами для распределения и регулирования потоков рабочей жидкости (энергоносителя). Во многих случаях все указанные элементы гидропередачи совмещают в едином конструкторском блоке. Гидравлические двигатели, насосы и гидропередачи составляют класс гидравлических машин. Классификация гидравлических машин по энергетическому и конструктивным признакам представлена на рис. 1.1.

ГОСТ 17398 – 72 подразделяет насосы на два основных класса: динамические и объёмные.

Рисунок 1.1 Классификация гидравлических машин по энергетическому и конструктивным признакам.

В динамических насосах передача энергии потоку происходит под влиянием сил, действующих на жидкость в рабочих полостях, постоянно соединённых с входом и выходом насоса. Характерным представителем этого насоса является центробежный насос (рис.1.3).

В объёмных насосах энергия передаётся жидкой среде в рабочих камерах, периодически изменяющих свой объём и попеременно сообщающихся с входом и выходом насоса: поршневой насос (рис. 1.6).

Простейшая краткая классификация машин для подачи жидкостей и газов на основе конструктивных признаков и свойств перемещаемой среды представлены на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 Классификация гидравлических машин по конструктивным признакам и свойствам перемещаемой среды.

Среди динамических насосов наиболее распространены лопастные, в которых рабочая среда перемещается под действием движущихся лопастей; и вихревые, в которых жидкость перемещается в тангенциальном направлении благодаря действию плоских радиальных лопастей, расположенных по периферии рабочего колеса.

Среди объёмных насосов наиболее распространены поршневые и роторные.

Машины для подачи газов аналогичны машинам для жидкостей и также подразделяются на динамические и объёмные.

Эти машины представлены тремя основными группами: центробежными и осевыми насосами, вентиляторами и компрессорами, вихревыми насосами. Машины первых двух групп являются лопастными, третью группу государственный стандарт относит к машинам трения.

Достоинство лопастных машин: удобство комбинирования с электрическим приводом, компактность при больших подачах, высокий КПД, возможность достижения высоких давлений.

Схема центробежного насоса представлена на рис. 1.3. Рабочие лопасти 1, жёстко соединёны с валом приводного двигателя, вращающегося вокруг оси вала.

Рисунок 1.3 Схема центробежного насоса

Под влиянием центробежных сил, обусловленных массами жидкости, находящимися в межлопастных пространствах жидкость повышает свою энергию, выбрасывается в спиральный канал, образованный корпусом 2, и далее вытесняется в напорный трубопровод 4. Через приемное отверстие 3 происходит непрерывное всасывание жидкости.

На рис. 1.4 представлена схема осевого насоса. Лопасти 1 закреплены на втулке 2 под некоторым углом к плоскости нормальной оси вала насоса, образуя рабочее колесо. При вращении лопасти взаимодействуют с потоком жидкости, сообщая ей энергию и перемещая её вдоль оси насоса.

Рисунок 1.4 Схема осевого насоса

Принцип действия вихревого насоса представлен на рис. 1.5. В корпусе 1 насоса концентрично располагается рабочее колесо 2 с плоскими радиальными лопастями 3. При работе насоса жидкость поступает во всасывающий трубопровод 4, увлекается рабочим колесом, и, совершая сложное вихреобразное движение в кольцевом канале 5, выходит через напорный патрубок 6. В отличие от центробежных и осевых насосов в вихревой машине вход и выход жидкости производятся по периферии рабочего колеса.

Рисунок 1.5 Схема вихревого насоса

1.1.3 Объёмные машины

Работа таких машин выполняется путём всасывания и вытеснения жидких газовых сред твёрдыми телами – поршнями, пластинами, зубцами, движущимися в рабочих полостях – цилиндрах, корпусах специальных форм.

На рис. 1.6 дана схема поршневого насоса одностороннего действия.

Цилиндр 1 плотно соединён с клапанной коробкой 2, в гнёздах которой расположены вертикально перемещающие всасывающий 3 и напорный 4 клапаны. Поршень 5 двигается в цилиндре возвратно – поступательно и производит всасывание среды 6 на ходу вправо и подачу по трубе 7 на ходу влево. При этом открытие и закрытие всасывающего и напорного клапанов происходит автоматически. Периодичность движения поршня обусловливает неравномерность подачи и всасывания и возникновения инерционных сил. Эти факторы тем существеннее, чем значительнее изменение скорости на полном ходу поршня. Поэтому привод таких машин высокооборотными двигателями недопустим. Это обстоятельство вызвало появления е объёмных насосов вращательного типа (роторные насосы). Из этой группы наиболее распространены шестерёнчатые и пластинчатые насосы. На рис 1.7 представлена схема пластинчатого роторного насоса.

Рисунок 1.7 Схема пластинчатого роторного насоса

Массивный ротор 1 с радиальными прорезями постоянной ширины помещаются эксцентрично в корпусе 2. Вал ротора через уплотнение выведен из корпуса для соединения с валом двигателя. В прорезях ротора вставлены прямоугольные пластинки 3, отжимаемые от центра к периферии собственными центробежными силами. При вращении ротора жидкость всасывается через напорный патрубок 4 в полость 5 и вытесняется из полости 6 в напорный патрубок 7. Насос реверсивен: при изменении направления вращения его вала насос будет всасывать через патрубок 7 и подавать через патрубок 4. Частота вращения такого насоса высокая, его вал может соединяться непосредственно с валом двигателя.

Машины, изображённые на схемах 1.6, 1.7 могут применяться также для перекачки газов.

1.1.4 Струйные насосы и пневматические подъёмники для жидкостей

В промышленности для перемещения жидкостей и газов применяются насосы струйного типа. Схема такого насоса приведена на рис. 1.8.

Рисунок 1.8 Схема насоса струйного типа

Поток рабочей жидкости, несущей энергию, проходит через сопло 1. В сужающем сопле увеличивается скорость потока и возрастет кинетическая энергия. По закону сохранения и увеличения кинетической энергии понижается давление в выходном сечении сопла и, следовательно в камере 2; под влиянием разности давлений (атмосферного – на уровне 3 и в камере 2) жидкость поднимается в камеру 2, где захватывается струей рабочей жидкости, смешивается с нею, поступает в расширяющийся патрубок 4 и далее по трубопроводу в бак на высоту .

Коэффициент полезного действия струйных насосов невысок, но простота конструкции и отсутствие движущихся деталей способствует их промышленному применению. Насосы струйного типа применяются для перемещения газов и как эжекторы в вакуумных установках.

Для подъёма и перемещения жидкостей иногда применяются пневматические подъёмники, в которых в качестве рабочей среды используется сжатый воздух или технический газ. Пневматический подъёмник периодического действия показан на рис. 1.9.

Рисунок 1.9 Схема пневматического подъёмника для жидкостей

Подъём жидкости из резервуара 1 на высоту в бак 2 производится при помощи компрессора К и пневматического баллона 3. При отключённых компрессоре и открытых кранах а и б баллон 3 заполняется жидкостью из резервуара 1. При закрытии кранов а и б и включении компрессора К жидкость вытесняется через открытый кран в из баллона 3 в бак 2. Цикл подачи осуществляется периодически.

Схема подъёмника для жидкостей, называемая эрлифтом или газлифтом, дана на рис. 1.10. Подъёмники такого типа применяются для подъёма жидкости из добывающих нефтяных скважин. В обсадную трубу 1 опущена водоподъёмная труба 2. Воздух поступает из компрессора К по воздуховоду (показан штриховой линией) в нижний конец водоподъёмной трубы, где, смешиваясь с водой, образует смесь с малой плотностью < . По закону сообщающихся сосудов между столбами жидкости в кольцевом пространстве между обсадной колонной и водоподъёмными трубами и более лёгкой смеси в водоподъёмной трубе стремиться установиться равновесие. Глубина погружения водоподъёмной трубы под уровень жидкости может быть такой, что высота столба смеси в подъёмной трубе будет достигать верхнего конца этой трубы или несколько превышать его.

Рисунок 1.10 Схема работы эрлифта

Столб воды в обсадной трубе будет выдавливать вверх столб лёгкой смеси в подъёмной трубе. При ударе об отбойный конус 3 смесь выделяет воздух; вода, освобождённая от воздуха, собирается в резервуаре 4. Таким образом производится подъём жидкости на заданную высоту.

Подача и напор объёмных и динамических машин

Подача и напор машин для перемещения жидкости или газа определяется в основном конструкцией машин и скоростью движения её рабочих органов, но зависит также и от гидравлических свойств систем, в которые включены машины.

Поршневые и роторные машины приспособлены для создания высоких напоров; их подача, определяемая размерами из рабочих органов, может быть небольшой. Это машины малых подач и высоких напоров.

Лопастные центробежные машины перекрывают область значительных подач при широком диапазоне развиваемых напоров.

Осевые машины развивают малые напоры и наибольшие подачи.

Вихревые машины занимают промежуточное положение между центробежными поршневыми.

Представление о подачах и напорах различных типов машин даёт график, показанный на рис. 1.11.

Рисунок 1.11 График подач и напоров водяных насосов различных типов

Дата добавления: 2014-12-08