Лекции - Гидравлические и аэродинамические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Маркин А.Н. Гидравлические и аэродинамические машины. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 31

Лекция № 13

Объёмные нагнетатели

13.1 ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ

На рис. 13.1 показана схема простейшего поршневого насоса (см. лекц. 1) одностороннего

всасывания с приводом через кривошипно-шатунный механизм. Передача энергии потоку жидкости

происходит за счёт периодического увеличения и уменьшения объёма полости цилиндра со стороны

клапанной коробки. При этом указанная полость сообщается то со стороной всасывания (при

увеличении объёма), то со стороной нагнетания (сокращение объёма), путём открытия одного из

клапанов; другой клапан при этом закрывается.

Рис. 13.1 Схема поршневого насоса Рис. 13.2 Индикаторная диаграмма

одностороннего действия поршневого насоса

Изменение давления в указанной полости описывается так называемой индикаторной

диаграммой. При движении поршня из крайнего левого положения вправо, в цилиндре создаётся

разрежение Р

, жидкость увлекается за поршнем. При движении поршня справа налево давление

возростает до величины Р

наг

, и жидкость выталкивается в нагнетательный трубопровод.

Площадь индикаторной диаграммы (рис. 13.2), измеренная в Нм/м

, представляет собой работу

поршня за два хода, отнесённую к 1 м

его поверхности.

В начале всасывания и в начале негнетания имеют место колебания давления, обусловленные

влиянием инерции клапанов и «прилипанием» их к соприкасающимся поверхностям (сёдлам).

Подача поршневого насоса определяется размерами цилиндра и числом ходов поршня. Для

насосов одностороннего действия (рис. 13.1):







где: n – число двойных ходов поршня в минуту; D – диаметр поршня, м; S - ход поршня, м;



–

объёмный к.п.д.

Объёмный к.п.д. учитывает, что часть жидкости теряется через неплотности, а часть теряется

через клапаны, которые закрываются не мгновенно. Он определяется при испытаниях насоса и

составляет обычно



= 0.7-0.97.

Положим, что длина кривошипа R много меньше длины шатуна, т.е. R/L



Двигаясь из левого крайнего положения в правое, поршень проходит путь

х=R-Rcos



, где



- угол поворота кривошипа.

Тогда скорость движения поршня



sinR

v 

, где







(13.1)

Ускорение поршня:

.coscos







a 

Маркин А.Н. Гидравлические и аэродинамические машины. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 32

Очевидно, всасывание жидкости в клапанную коробку и нагнетание из неё происходят крайне

неравномерно. Это вызывает возникновение инерционных сил, нарушающих нормальную работу

насоса. Если обе части выражения (13.1) умножить на площадь поршня



/4, мы получим

соответствующую закономерность для подачи (рис. 13.3)

.sin





Q 

Поэтому жидкость будет двигаться неравномерно по всей системе трубопроводов, что может

привести к усталостному разрушению их элементов.

Рис. 13.3 График подачи поршневого насоса Рис. 13.4 График подачи поршневого

одинарного действия насоса двойного действия

Одним из методов выравнивания подачи является использование

насосов двойного действия (рис. 13.5), в которых за один оборот

приводного вала происходит два хода всасывания и два хода

нагнетания (рис. 13.4).

Другой способ повышения равномерности подачи заключается в

применении воздушных колпаков (рис. 13.4). Воздух, заключённый в

колпаке, служит упругой средой, выравнивающей скорости движения

жидкости.

Полная работа поршня за двойной ход

PPA

нагвс

)(





, а мощность

100060 



, кВт.

Рис. 13.5 Схема поршневого насоса

двойного действия с воздушным колпаком

Это так называемая индикаторная мощность – площадь индикаторной диаграммы.

Действительная мощность N больше индикаторной на величину потерь механического трения, что

определяется величиной механического к.п.д.

мi





13.2 ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

По своему принципу действия, основанному на вытеснении рабочей среды поршнем, поршневой

компрессор напоминает поршневой насос. Однако рабочий процесс поршневого компрессора имеет

существенные отличия, связанные со сжимаемостью рабочей среды.

На рис. 13.6 показана схема и индикаторная диаграмма поршневого компрессора одинарного

действия. На диаграмме



(v) по оси абсцисс отложен объём под поршнем в цилиндре, однозначно

зависящий от положения поршня.

Двигаясь из правого крайнего положения (точка 1) влево, поршень сжимает газ в полости

цилиндра. Всасывающий клапан закрыт в течение всего процесса сжатия. Нагнетательный клапан

закрыт до тех пор, пока разность давлений в цилиндре и нагнетательном патрубке преодолеет

сопротивление пружины. Затем нагнетательный клапан открывается (точка 2) и поршень вытесняет

газ в нагнетательный трубопровод вплоть до точки 3 (крайнее левое положение поршня). Затем

начинается движение поршня вправо вначале при закрытом всасывающем клапане, затем (точка 4)

он открывается и газ поступает в цилиндр.

Маркин А.Н. Гидравлические и аэродинамические машины. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 33

Рис. 13.6 Схема и индикаторная диаграмма Рис. 13.7 Схема шестерёнчатого насоса

поршневого компрессора

Таким образом, линия 1-2 соответствует процессу сжатия. В поршневом компрессоре

теоретически возможны:

Политропный процесс

const





(кривая 1-2 на рис. 13.6).

Адиабатный процесс

const





(кривая 1-2’’).

Изотермический процесс

const





(кривая 1-2’).

Протекание процесса сжатия зависит от теплообмена между газом в цилиндре и окружающей

средой. Поршневые компрессоры выполняются обычно с водяным охлаждением цилиндра. При этом

процесс сжатия и расширения являются политропными (с показателями политропы n<k, n=1.2…1.35).

Вытолкнуть весь газ из цилиндра невозможно, т.к. поршень не может вплотную подойти к крышке.

Поэтому часть газа остаётся в цилиндре. Объём, занятый этим газом, называется объёмом вредного

пространства. Это приводит к уменьшению объёма всасываемого газа V

вс

. Отношение этого объёма к

рабочему объёму цилиндра V

, называется объёмным коэффициентом



вс

Теоретическая объёмная подача поршневого компрессора

604





Действительная подача Q=



Работа компрессора расходуется не только на сжатие газа, но и на преодоление сопротивления

трения

A=A

ад

тр

Отношение А

ад

/А=



ад

называется адиабатическим к.п.д. если исходить из более экономичного

изотермического цикла, то получим так называемый изотермический к.п.д.



из

=А

из

/А, А=А

из

+А

тр

Если работу А умножить на массовую подачу G, то получим мощность компрессора:

=AG – индикаторная мощность;

ад

G – при адиабатном процессе сжатия;

из

G – при изотермическом процессе сжатия.

Мощность на валу компрессора N

больше индикаторной на величину потерь на трение, что

учитывается механическим к.п.д.:



Тогда общий к.п.д. компрессора



из



13.3.1 ШЕСТЕРЕНЧАТЫЕ НАСОСЫ

Маркин А.Н. Гидравлические и аэродинамические машины. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 34

Схема шестеренчатых насосов приведена на рис. 13.7.

Находящиеся в защеплении зубчатые колеса 1, 2 помещены в корпус 3. При вращении колес в

направлении, указанном стрелками, жидкость поступает из полости всасывания 4 во впадины между

зубьями и перемещается в напорную полость 5. Здесь при входе зубьев в защепление происходит

вытеснение жидкости из впадины.

Минутная подача шестеренчатого насоса приближенно равна:



А(D

-А)вn



где: А - межцентровое расстояние (рис. 13.7); D

- диаметр окружности головок; в - ширина шестерен;

n - частота вращения ротора, об/мин;



– объемный к.п.д., находящийся в пределах 0.7...0.95.

13.3.2 ПЛАСТИНЧАТЫЕ НАСОСЫ

Простейшая схема пластинчатого насоса показана на рис. 13.8. В корпусе 1 вращается

эксцентрично расположенный ротор 2. В радиальных канавках, выполненных в роторе,

перемещаются пластины 3. Участок внутренней поверхности корпуса ав и сd, а также пластины

отделяют полость всасывания 4 от полости нагнетания 5. Вследствие наличия эксцентриситета e, при

вращении ротора жидкость переносится из полости 4 в полость 5.

Рис. 13.8 Схема пластинчатого насоса Рис. 13.9 Схема водокольцевого вакуум-насоса

Если эксцентриситет выполнен постоянным, то средняя подача насоса равна:

Q=f

lzn



где f

- площадь пространства между пластинами, при пробегании его по дуге ав; l - ширина ротора; n

- частота вращения, об/мин;



- объемный к.п.д.; z – количество пластин.

Пластинчатые насосы применяются для создания давлений до 5 МПа.

13.3.3 ВОДОКОЛЬЦЕВЫЕ ВАКУУМ-НАСОСЫ

Насосы этого типа применяются для отсасывания воздуха и создания вакуума. Устройство такого

насоса показано на рис. 13.9. В цилиндрическом корпусе 1 с крышками 2 и 3 эксцентрично

расположен ротор 4 с лопастями 5. При вращении ротора вода, частично заполняющая корпус,

отбрасывается к его переферии, образуя кольцевой объем. При этом объемы, находящиеся между

лопастями, изменяются в зависимости от их положения. Поэтому возникает всасывание воздуха

через серповидное отверстие 7,сообщающееся с патрубком 6. В левой части (на рис. 13.9), где объем

уменьшается, происходит вытеснение воздуха через отверстие 8 и патрубок 9.

В идеальном случае (при отсутствии зазора между лопастями и корпусом) вакуум-насос может

создавать во всасывающем патрубке давление, равное давлению насыщения пара. При температуре

T=293 К оно будет равно 2.38 кПа.

Теоретическая подача:

 

salz



6022































































где D

и D

– внешний и внутренний диаметры рабочего колеса, м; а – минимальное погружение

лопасти в водяное кольцо, м; z - число лопастей; b – ширина лопасти; l – радиальная длина

лопасти; s – толщина лопасти, м; n – частота вращения, об/мин;



– объёмный к.п.д.

Маркин А.Н. Гидравлические и аэродинамические машины. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 35

Лекция № 14

Струйные нагнетатели

Струйные нагнетатели получили широкое применение в качестве элеваторов на вводе теплосетей

в здания (для обеспечения смешения и циркуляции воды), а также в качестве эжекторов в системах

вытяжной вентиляции взрывоопасных помещений, в качестве инжекторов в холодильных установках

и в других случаях.

Рис. 14.1 Водоструйный элеватор Рис. 14.2 Вентиляционный эжектор

Струйные нагнетатели состоят из сопла 1 (рис. 14.1 и 14.2), куда подаётся эжектирующая

жидкость; камеры смешения 2, где происходит смешение эжектирующей и эжектируемой жидкостей и

диффузора 3. Эжектирующая жидкость, подаваемая к соплу, выходит из него с большой скоростью,

образуя струю, которая захватывает в камере смешения эжектируемую жидкость. В камере смешения

происходит частичное выравнивание поля скоростей и повышение статического давления. Это

повышение продолжается в диффузоре.

Для подачи воздуха к соплу применяются вентиляторы высокого давления (эжекторы низкого

давления), либо используется воздух из пневматической сети (эжекторы высокого давления).

Основными параметрами, характеризующими работу струйного нагнетателя являются массовые

расходы эжектирующей G



и эжектируемой жидкости G



; полные давления эжектирующей

и эжектируемой P

жидкостей на входе в нагнетатель; давление смеси на выходе из нагнетателя

В качестве характеристик струйного нагнетателя (рис. 14.3) строят зависимости степени

повышения давления



от коэффициента смешения u=G

. Здесь



-P



-P

Для расчётов используется уравнение

количества движения:



)=F

-P

где c

; c

– скорости на выходе из сопла, на

входе в камеру смешения и на выходе из неё;

– площадь сечения камеры смешения;



– коэффициенты, учитывающие

неравномерность поля скоростей;

и P

– давления на входе и на выходе из

камеры смешения.

К.п.д. струйного нагнетателя может быть

определён по формуле:













Эта величина для струйных нагнетателей не превышает 0.35.

Маркин А.Н. Гидравлические и аэродинамические машины. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 36

Лекция № 15

Тягодутьевые машины

Дымососы - транспортируют дымовые газы по газоходам котла и дымовой трубе и совместно с

последней преодолевают сопротивление этого тракта и системы золоудаления.

Дутьевые вентиляторы работают на наружном воздухе, подавая его через систему воздуховодов

и воздухоподогреватель в топочную камеру.

И дымососы, и дутьевые вентиляторы имеют рабочие колёса с загнутыми назад лопатками. В

обозначениях дымососов присутствуют буквы ДН (дымосос с загнутыми назад лопатками) и цифры –

диаметр рабочего колеса в дециметрах. Например, ДН-15 – дымосос с загнутыми назад лопатками и

диаметром рабочего колеса 1500 мм. В обозначении дутьевых вентиляторов – ВДН (вентилятор

дутьевой с загнутыми назад лопатками) и также диаметр в дециметрах.

Тягодутьевые машины развивают высокие давления: дымососы – до 9000 Па, дутьевые

вентиляторы – до 5000 Па.

Главные эксплуатационные особенности дымососов - это возможность работы при высоких

температурах (до 400bС) и при высоком содержании пыли (золы) - до 2 г/м

. В этой связи дымососы

нередко используются в системах пылеочистки газов.

Обязательным элементом дымососов и дутьевых вентиляторов является направляющий аппарат

(см. лекцию 8). Построив характеристики данного дымососа при разных углах установки

направляющего аппарата и выделив на них участки экономичной работы (



0.9



мах

), получают

некоторую область – зону экономичной работы (рис.15.1), которые используются для подбора

дымососа (аналогично сводным характеристикам общепромышленных вентиляторов). Сводный

график для дутьевых вентиляторов представлен на рис.15.2. При выборе типоразмера тягодутьевой

машины необходимо стремиться к тому, чтобы рабочая точка была возможно ближе к режиму

максимального к.п.д., который обозначен на индивидуальных характеристиках (в промышленных

каталогах).

Рис. 15.1 Конструкция дымососа

Заводские характеристики дымососов приведены в каталогах для температуры газов t

хар

=100С.

При выполнении подбора дымососа, необходимо привести характеристики к фактической расчётной

температуре t. Тогда приведенное давление

273

хар

пр





Дымососы применяются при наличии золоулавливающего оборудования, остаточная

запыленность должна быть не более 2 г/м

. При подборе дымососов по каталогу, вводятся

коэффициенты запаса:

=1.1Q; P

=1.2P.

В дымососах применяются рабочие колёса с загнутыми назад лопатками. На практике в котельных

применяются следующие типоразмеры: ДН-9; 10; 11.2; 12.5; 15; 17; 19; 21; 22 – одностороннего

всасывания и ДН222; ДН242; ДН262 – двухстороннего всасывания.

Маркин А.Н. Гидравлические и аэродинамические машины. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 37

Основными узлами дымососов являются (рис. 15.1): рабочее колесо 1, «улитка» – 2, ходовая часть

–3, входной патрубок – 4 и направляющий аппарат – 5.

Рабочее колесо включает «крыльчатку», т.е. лопатки и диски, соединяемые сваркой и ступицу,

посаженную на вал. Ходовая часть состоит из вала, подшипников качения, расположенных в общем

корпусе и упругой муфты. Смазка подшипников – картерная (маслом, находящимся в полостях

корпуса). Для охлаждения масла в корпусе подшипников установлен змеевик, по которому

циркулирует охлаждающая вода.

Направляющий аппарат имеет 8 поворотных лопаток, соединённых рычажной системой с

поворотным кольцом.

Для регулировния дымососов и дутьевых вентиляторов могут применяться двухскоростные

электродвигатели.

ЛИТЕРАТУРА

Основная:

1. Поляков В.В., Скворцов Л.С. Насосы и вентиляторы. М. Стройиздат, 1990, 336 с.

Вспомогательная:

2. Шерстюк А.Н. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М. “Высшая школа”, 1972, 338 с.

3. Калинушкин М.П. Насосы и вентиляторы: Учеб. пособие для вузов по спец.

«Теплогазоснабжение и вентиляция», 6-е изд., перераб. И доп.-М.: Высш.шк., 1987.-176 с.

Методическая литература:

4. Методические указания для проведения лабораторных работ по курсу «Гидравлические и

аэродинамические машины». Макеевка, 1999.