Принцип действия, устройство

Рассмотрим на примере насоса простого действия.

1 – корпус насоса.

2 – уплотнительное кольцо.

3 – окно нагнетания.

4 – рабочее колесо.

5 – окно всасывания.

Рабочее колесо располагается в камере корпуса насоса с эксцентриситетом по отношению к оси. Окна всасывания и нагнетания находятся в боковой стенке корпуса. Рабочими камерами является пространство между лопастями рабочего колеса и внутренней поверхностью уплотнительного кольца.

Во время действия колесо вращается с постоянной скоростью, вращение сопровождается изменением величины объёма рабочих камер. В результате, в правой части круга вращения находится область всасывания, а в левой – область нагнетания. В любой части круга вращения лопасти погружены в уплотнительное кольцо.

Напор и подача

Напор образуется в результате давления лопастей на жидкость:

,

где

,

– диаметр внутренней поверхности уплотнения кольца.

,

где

.

В насосах двукратного действия ( ) корпус имеет эллипсо-образную форму.

Роторно-поршневые насосы

Существует 2 типа роторно-поршневых насосов: радиально-поршневые и аксиально-поршневые.

Бывают постоянной или переменной подачи.

Используются в составе объёмных гидроприводов и, в частности, в составе рулевых гидравлических машин. Применяются для создания потоков масла.

Радиально-поршневые насосы

Нерегулируемый радиально-поршневой насос:

1. – направляющее кольцо.

2. – блок цилиндров.

3. – цапфа.

4. – роликовый узел.

5. – перегородка цапфы.

6. – окно нагнетания.

7. – окно всасывания.

Ротор посажен на цапфу со скользящей посадкой. Роликовые узлы поршней располагаются в Т-образном пазу направляющего кольца. Цапфа и блок цилиндров установлены с эксцентриситетом по отношению к оси направляющего кольца.

Во время действия ротор вращается с постоянной угловой скоростью в своей паре подшипников. Роликовые узлы обкатываются по поверхности направляющего кольца, в результате поршни совершают возратно-поступательное движение в цилиндрах. В левой верхней части круга вращения происходит всасывание, а в нижней – нагнетание.

;

;

;

;

.

Существуют насосы, у которых направляющее кольцо может перемещаться относительно горизонтальной оси, в результате чего изменяется величина и знак эксцентриситета. При изменении величины изменяется ход поршней и подача, а при изменении знака – направление потока.

Возможности использования ряда поршневых насосов ограничиваются величиной давления, которое не должно превышать 14Мпа, в противном случае резко увеличиваются контактные нагрузки на поверхности колец и потери на трении.

Аксиально-поршневые насосы

Существуют два вида такого рода насосов: с наклонным блоком цилиндров и с наклонным диском.

Принцип действия насоса с наклонным блоком цилиндров:

Вал насоса вращается с постоянной угловой скоростью . Вместе с валом вращается фланец, сферические головки поршневых шатунов. Блок цилиндров вращается относительно оси блока, момент вращения передаётся блоку через поршень. При вращении по часовой стрелке в левой части происходит всасывание, а в правой части круга – нагнетание.

Напор, подача

Напор образуется давлением поршней на жидкость.

,

где

– рабочий объём,

– рабочий объём цилиндра,

,

r – радиус круга вращения сферических головок поршневых шатунов,

γ – угол наклона оси блока цилиндров.

Особенностью этих насосов является подвижный блок поршней.

Это позволяет изменять величину и знак γ. При изменении величины изменяется подача насоса, а при изменении знака γ изменяется направление подачи.

Достоинства – высокий напор (до 20МПа).

Эксплуатация судовых механических средств осуществляется по двум основным направлениям:

1. техническое использование (ТИ).

2. техническое обслуживание (ТО).

Содержанием ТО является выполнения мероприятий, направленных на обеспечение исправности и ресурса. Содержанием ТИ является подготовка действия, ввод в действие, обслуживание действия, обнаружение и устранение неполадок, регулировка и вывод из действия.

Общие положения ТИ:

Основным документом является инструкция завода изготовителя или судовладельца. При отсутствии указанных документов – правило ПЭЭ СТС: РД 31, 21.30 – 97.

1. В процессе технического использования запрещается:

1.1 Вводить в действие неисправные насосы.

1.2 Использовать масла и смазки, не предусмотренные инструкцией.

1.3 Обжимать соединения в узлах насоса во время действия.

1.4 Наносить удары по насосам во время действия.

2. Перед вводом в действие:

2.1 Осмотреть помещения, убедиться в отсутствии подтёков нефтепродуктов, посторонних предметов, наличии средств тушения пожара.

2.2 Осмотреть насос, убедиться в его исправности. (убедиться, что всё оборудование на своих местах, оно надёжно закреплено и не имеет внешних повреждений, которые могут быть причиной отказа или аварии).

2.3 Проверить наличие смазки, при необходимости пополнить смазку.

2.4 Провернуть вал насоса. Убедиться, что вал вращается свободно.

2.5 Подготовить систему к действию:

2.5.1 проверить наличие жидкости в расходной цистерне (замерить уровень),

2.5.2 спустить отстой воды и грязи,

2.5.3 открыть клапан цистерны,

2.5.4 открыть клапан клапанной коробки,

2.5.5 открыть всасывающий клапан, затем все повторить для приемной цистерны.

2.5.6 Открыть нагнетательный клапан насоса. (Центробежные насосы запускают при закрытом клапане).

3. Ввод в действие (пуск).

3.1 Пустить электродвигатель.

3.2 Убедиться в отсутствии постороннего шума.

3.3 Убедиться в отсутствии чрезмерных утечек.

3.4 Проверить показания прибора.

3.5 Убедиться в отсутствии чрезмерного нагрева.

3.6 Отрегулировать подачу насоса при необходимости.

3.7 При опасном уровне шума, протечек, нагрева – выяснить причину.

3.8 Устранить неисправность и ввести насос в действие.

4. Обслуживание двигателей.

4.1 Убедиться в отсутствии шума.

4.2 Убедиться в отсутствии чрезмерных протечек.

4.3 Убедиться в отсутствии нагрева.

4.4 Проверить показания приборов.

4.5 При необходимости отрегулировать подачу.

При опасном уровне вывести из действия НЕМЕДЛЕННО. При необходимости подготовить и ввести в действие резервный насос.

5. Вывод из действия (остановка):

5.1 Остановить электродвигатель. (У центробежного насоса предварительно закрыть нагнетательный клапан).

5.2 Закрыть всасывающий клапан и все клапаны в обратном порядке.

5.3 Осмотреть насос, убрать подтёки нефтепродуктов.

5.4 Устранить неисправности во время работы и в процессе осмотра.

6. Характерные неполадки в действии.

6.1 Отсутствие подачи насоса:

6.1.1 Закрыт всасывающий клапан насоса.

6.1.2 Отсутствует жидкость в расходной цистерне.

6.1.3 Не закрыт клапан клапанной коробки от смежной, пустой цистерны.

6.2 Недостаточная подача

6.2.1 Не полностью открыт нагнетательный клапан.

6.2.2 Подсосы воздуха – не полностью закрыт клапан клапанной коробки от смежной цистерны.

6.3 Двигатель работает с перегрузкой – высокая вязкость жидкости. Топливо необходимо нагреть.

6.4 Посторонний шум.

6.4.1 Износ подшипников.

6.4.2 Несоосность вала насоса и двигателя.

6.4.3 Посторонние предметы в насосе.

6.4.4 Поломка в насосе.

6.5 Чрезмерный нагрев в насосе.

6.5.1 Отсутствие смазки в подшипнике.

6.5.2 Неправильная установка подшипника.

6.6 Чрезмерные протечки.

6.6.1 Износ сальника.

6.6.2 Недостаточное обжатие.

6.6.3 Неправильная установка уплотнения.

Объемные гидроприводы

Объёмный гидропривод – это комплекс оборудования для выполнения 2-х функций: передача энергии и преобразования движения с помощью жидкости. В состав гидропривода входят как минимум две гидродинамические машины: объёмный насос и объёмный гидродвигатель, гидроаппаратура, гидролинии, вспомогательные устройства.

В основу действия гидропривода положены два свойства жидкости: низкая сжимаемость и способность передавать производимое внешнее давления во всех направлениях без изменения величины. Рабочей жидкостью в судовых гидроприводах является масло.

Под действием силы поршень цилиндра 1 движется вниз, вытесняя жидкость в цилиндр 2. Жидкость не сжимается, в результате поршень цилиндра 2 движется вверх, преодолевая силу , которая является внешней нагрузкой. За исключением потерь на сжатие и преодоление гидравлических сопротивлений и объёмных потерь, вся энергия, затраченная на передвижение поршня цилиндра 1, передаётся цилиндру 2.

,

где

– скорость жидкости.

– площадь поршня.

– давления в цилиндре.

– подача цилиндра 1.

– мощность потока масла.

При необходимости происходит преобразование движения.

Классификация гидроприводов

Для классификации гидроприводов используется 4 признака:

1. Характер движения выходного звена. Выходное звено гидропривода – шток или вал гидродвигателя.

2. Направление действия выходного звена.

3. Способ управления действием.

4. Давление масла.

По первому признаку гидроприводы делятся на поступательные, поворотные, вращательные.

По второму признаку: нереверсивные, реверсивные (одностороннего, двухстороннего действия).

По третьему признаку: нерегулируемые, регулируемые. Регулируемый параметр – скорость движения выходного звена.

По четвёртому признаку: низкого давления ( ), среднего давления ( ), высокого давления ( ).

Перспективным является привод высокого давления.

Гидроприводы могут быть индивидуальными или групповыми.

Индивидуальные – гидроприводы, имеющие один гидродвигатель и один гидронасос для привода в действии одного механизма.

Групповой гидропривод – насосная станция из 2-х, 3-х насосов и несколько гидродвигателей.

Достоинства:

· возможность плавного бесступенчатого (в широком диапазоне) регулирования скорости и создания больших передаточных отношений:

· возможность быстрого изменения режима действия, т.к. гидравлические двигатели обладают низкой инерционностью,

· возможность простой и надёжной защиты от перегрузок с помощью предохранительных клапанов,

· простота преобразования движения,

· высокая надёжность действия в морских условиях.

Недостатки:

· высокая чувствительность к загрязнениям масла (механические примеси, вода),

· КПД ниже КПД электропривода,

· сложность использования в условиях низких температур.

Гидравлические схемы

Существует два типа принципиальных схем гидроприводов: схемы с разомкнутой и с замкнутой циркуляцией масла в главном контуре.

I. Схема с разомкнутой циркуляцией масла в главном контуре на примере индивидуального нерегулируемого поступательного реверсивного двигателя.

1. – масляная цистерна.

2. – предохранительный клапан.

3. – гидропереключатель.

4. – гидродвигатель.

5. – трубопроводы главного контура.

6. – насос.

Насос находится в действии постоянно, когда нет расхода масла на гидродвигатель, вся подача масла через предохранительный клапан отводится в масляную цистерну.

Достоинства – простота и низкая стоимость оборудования.

Недостаток – низкий КПД, когда нет расхода масла на гидродвигатель, подача насоса отводится в масляную цистерну.

Область применения – гидроприводы низкой мощности с кратковременным периодическим использованием (Пример: гидропривод крышек трюмов).

II. Гидроприводы с замкнутой циркуляцией масла в главном контуре на примере индивидуального, регулируемого, реверсивного, вращательного гидропривода.

1 – насос подпитки.

2 – трубопровод подпитки.

3 – главный насос.

4 – клапан подпитки.

5, 6 – главный масляный трубопровод.

7 – вращательный двигатель.

8 – трубопровод отвода протечек масла.

Главный насос находится в действии постоянно.

Когда нет расхода масла на гидродвигатель, подача насоса равна Ø.

Достоинство: высокий КПД, т.к. нет режима с избытком подачи.

Область применения: гидроприводы большой мощности с длительным периодом (пример: приводы грузовой лебёдки крана или рулевой машины).

Нормальными условиями считаются такие условия всасывания и нагнетания, при которых жидкость неотрывно следует за поршнем. Такой режим действия насоса обеспечивается тогда, когда напор под поршнем во время всасывания и нагнетания будет выше напора насыщенного пара жидкости.

,

– давление насыщенных паров жидкости (давление, при котором жидкость закипает при данном значении температуры).

В противном случае произойдёт кавитация.

Кавитация в насосах

Кавитация – разрыв сплошности жидкости, вызванный образованием парогазовых каверн. Кавитацию у насосов связывают с понижением давления или с повышением температуры жидкости при входе в насос.

Существует 2 вида кавитации: газовая и паровая.

газовая – следствие выделения растворённых в жидкости газов,

паровая – следствие вскипания жидкости.

Газовая кавитация в насосах не существенна, т.к. растворимость газов невелика, а основной вид кавитации – паровая кавитация. Возможность возникновения кавитации оценивается по величине кавитационного запаса насоса.

Кавитационный запас – величина, на которую полный гидродинамический напор жидкости при входе в насос превышает напор насыщенного пара жидкости:

,

1 – полный гидродинамический напор при входе в насос.

2 – величина напора насыщенного пара в жидкости.

Если на пути жидкости к насосу в точке, где давление минимально, кавитационный запас израсходуется на преодолении сопротивлений или на повышения скорости, то начинается кавитация. Жидкость в насосе закипает.

В поршневых насосах кавитация возможна в начале и конце хода поршня. В начале хода поршня кавитация возникает в начале всасывания, когда давление под поршнем минимально. Жидкость закипает, под поршнем образуется парогазовая каверна и происходит отрыв жидкости под поршнем. При дальнейшем ходе поршня, давление под поршнем будет увеличиваться, напор увеличивается, и, когда он станет больше напора насыщенного пара, пар сконденсируется, газы перейдут в растворенное состояние, каверна заполнится жидкостью и в цилиндре произойдет гидравлический удар.

При нагнетании – кавитация в конце нагнетания. В этом случае в связи с понижением давления в цилиндре, нагнетательный клапан закроется, а всасывающий – откроется, жидкость будет поступать через всасывающий клапан, напор будет увеличиваться и, когда он станет выше напора насыщенного пара, произойдет сильный гидравлический удар, который может быть причиной повреждения насоса. Давление гидравлического удара достигает нескольких десятков МПа. Гидравлический удар вызывает эрозионное разрушение поверхности цилиндра и поршня. Кавитация в центробежных насосах имеет особенность – она начинается там, где давление минимально, т.е. на тыльной стороне кромок лопастей вблизи входных кромок. Образующиеся каверны движутся к концам лопастей.

Когда напор станет выше напора насыщенного пара, произойдет гидравлический удар и эрозионное разрушение поверхности лопастей.

Различают три стадии кавитации:

· Начальная – сопровождается микрогидравлическими ударами, т.к. размер каверн небольшой.

· Развитая – сопровождается распределением кавитации на значительную часть сечения потока жидкости и сопровождается сильными гидравлическими ударами.

· Супер кавитация – распространяется на большую часть сечения потока, что приводит к срыву всасывания и прекращению подачи.

Признаки кавитации:

· Гидравлические удары в насосе.

· Колебания давления всасывания и нагнетания.

· В поршневых насосах – сильные гидравлические удары.

Методы предупреждения: в процессе технической эксплуатации не следует допускать понижения давления и повышение температуры жидкости.

Кавитацией называется нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, заполненных паром или газом. Кавитация возникает при понижении давления, в результате чего жидкость закипает или из нее выделяется растворенный газ. Обычно эти процессы происходят одновременно. В потоке жидкости такое падение давления происходит в области повышенных скоростей.

Давление, при котором возникает кавитация, зависит от физических свойств жидкости. На практике жидкость быстро проходит через область пониженного давления и газ не успевает выделиться. В таком случае наблюдается паровая кавитация. Последствием кавитации являются следующие явления:

1.Разрушение – эрозия стенок канала. Если конденсация пузырька происходит на стенке канала или вблизи её, то происходит разрушение поверхности – выщербливание материала стенок канала,называемое кавитационоей эрозией. Кавитационная эрозия является наиболее опасным следствием кавитации.

2. Появление шума, треска, ударов и вибрации установки вследствие колебаний жидкости, которые вызваны замыканием полостей, заполненных паром.

3. Уменьшение подачи , напора, мощности и КПД насоса. В лопастных насосах паровая кавитация возникает на тыльных сторонах лопастей вблизи входных кромок, где вследствие местного увеличения скорости потока давление минимально. Давление жидкости на тыльной стороне у входной кромки лопасти зависит от давления во всасывающем патрубке насоса, гидравлических потерь в подводе и местной скорости жидкости.

Давление у входа в насос и в рабочее колесо тем меньше, чем больше высота всасывания и гидравлическое сопротивление во всасывающем трубопроводе и чем меньше давление в опорожниваемом баке. При достаточно больших высоте всасывания и сопротивлении всасывающего трубопровода или при очень малом давлении в опорожниваемом баке давление у входа в рабочее колесо становится настолько малым, что возникает кавитация. Кавитация ограничивает высоту всасывания насоса. Значение, на которое полный напор жидкости во входном патрубке насоса превышает напор, соответствующий давлению её насыщенных паров, называется кавитационным запасом.

,

1 – полный гидродинамический напор при входе в насос.

2 – величина напора насыщенного пара в жидкости.

В поршневых насосах кавитация возможна в начале и конце хода поршня. В начале хода поршня кавитация возникает в начале всасывания, когда давление под поршнем минимально. Жидкость закипает, под поршнем образуется парогазовая каверна и происходит отрыв жидкости под поршнем. При дальнейшем ходе поршня, давление под поршнем будет увеличиваться, напор увеличивается, и, когда он станет больше напора насыщенного пара, пар сконденсируется, газы перейдут в растворенное состояние, каверна заполнится жидкостью и в цилиндре произойдет гидравлический удар.

При нагнетании – кавитация в конце нагнетания. В этом случае в связи с понижением давления в цилиндре, нагнетательный клапан закроется, а всасывающий – откроется, жидкость будет поступать через всасывающий клапан, напор будет увеличиваться и, когда он станет выше напора насыщенного пара, произойдет сильный гидравлический удар, который может быть причиной повреждения насоса. Давление гидравлического удара достигает нескольких десятков МПа. Гидравлический удар вызывает эрозионное разрушение поверхности цилиндра и поршня. Кавитация в центробежных насосах имеет особенность – она начинается там, где давление минимально, т.е. на тыльной стороне кромок лопастей вблизи входных кромок. Образующиеся каверны движутся к концам лопастей.

Когда напор станет выше напора насыщенного пара, произойдет гидравлический удар и эрозионное разрушение поверхности лопастей.

Вентиляторы

Вентиляторы – машины для создания потоков воздуха. Они делятся на центробежные и осевые. В соответствии с назначением различают приточные и вытяжные.

В соответствии с величиной давления делятся на вентиляторы:

· Низкого давления ( ).

· Среднего давления ( ).

· Высокого давления ( ).

.

Особенности устройства

Устройство вентиляторов соответствует устройству центробежных и осевых насосов, но является более простым.

Центробежные вентиляторы

Корпус – сварной из листовой стали. Форма поперечного сечения – прямоугольная. Профиль – спиральный. Рабочие колёса – составные. Лопасти штампуют из листовой стали. Крепления к дискам рабочего колеса производится сваркой или клёпкой. В вентиляторах низкого и среднего давления диски рабочего колеса параллельные. Лопасти рабочих колёс – широкие, короткие. У вентиляторов низкого давления лопасти изогнуты вперёд, среднего давления – назад. У вентиляторов высокого давления передний диск конический, лопасти сравнительно узкие, длинные, изогнутые назад.

Осевые вентиляторы

Колёса составные, состоят из ступицы и лопастей. Лопасти штампуют из листовой стали, крепят к ступице сваркой. Валом рабочего колеса является вал электродвигателя. Корпус цилиндрический, составной, сварной из листовой стали. Электродвигатель снабжается обтекателем и вместе с рабочим колесом устанавливается в направляющий аппарат. Осевые вентиляторы – вентиляторы низкого давления с большой величиной подачи.

Основы теории вентиляторов

Вентиляторы являются воздуходувными машинами с низкой степенью сжатия:

.

При такой степени сжатия плотность воздуха повышается не более чем на 7%. Учитывая это и, допуская погрешность, считают воздух несжимаемой средой. Для вентиляторов используют теорию центробежных и осевых насосов. Рассмотрим процессы в межлопастных каналах и отводах вентилятора по аналогии с указанными процессами насосов соответствующих типов. В частности, используя струйную теорию, для вентилятора можно получить выражение для напора:

– для идеального вентилятора.

Для осевых вентиляторов:

.

Аналогичным образом определяем и :

.

Объёмные потери вентилятора невелики. На практике пренебрегают

.

Для центробежных вентиляторов:

,

для осевых:

.