Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.2. Классификация области применения и определение гидравлических и газовых машин
Из гидравлики известно, что жидкость перемещается всегда из областей с большей удельной энергией в область с меньшей удельной энергией, т. е. при наличии разности удельных энергий – давлений (напоров). Эта разность может возникнуть естественным путем, например, естественная тяга воздуха в шахте при разности его температур в подающем и вытяжном стволах; движение воды в руслах при уклоне дна и т. д. Однако для того, чтобы заставить жидкость перемещаться с преодолением высоты, противодавления и сопротивления движению ее потока, необходимо сообщить искусственное приращение удельной энергии. Последнее может быть осуществлено, если на пути движения жидкости будет установлена гидравлическая машина, рабочие органы которой, взаимодействуя с жидкостью, будут сообщать потоку жидкости энергию извне, равную сумме работ на подъем, на преодоление противодавления, сопротивления движению и на создание кинетической энергии. Таким генератором-источником энергии являются специальные гидравлические машины-нагнетатели [4].
Под жидкостью понимается текучее тело (среда), которое может быть в капельном и газообразном состояниях. Такое объединение обусловлено единством законов, которым подчиняется текучее тело.
Нагнетатели, применительно к горной промышленности, – это машины, прежде всего для транспортирования жидкости и воздуха. Машины для транспортирования текучего являются основной частью вентиляторных, водоотливных и пневматических установок. К этой группе машин относятся насосы, вентиляторы, воздуходувки, компрессоры, вакуум-насосы.
Насосами называют машины, предназначенные для перемещения жидкостей и сообщения им энергии.
Работающий насос превращает механическую энергию, подводимую от двигателя, в потенциальную, кинетическую и тепловую энергию потока жидкости.
Вентиляторами называют машины, перемещающие газовые среды при степени повышения давления до 1,15.
Компрессоры – машины с искусственным, обычно водяным, охлаждением, со степенью повышения давления газа более 1,15.
Машины, работающие со степенью повышения давления газа более 1,15, но без искусственного охлаждения, называют нагнетателями.
В противоположность насосам машины, превращающие гидравлическую энергию потока жидкости в механическую энергию, называют гидравлическими двигателями.
Используя величины подач и напоров выполненных конструкций насосов и нанося их в координатной системе Q – Н, можно получить график областей применения различных типов насосов. Такой график для водяных насосов представлен в логарифмической координатной сетке на рис. 1.2.
Основными параметрами каждого насоса являются его подача и давление. Насосы принято подразделять на группы по величинам этих параметров. Каждому типу насосов соответствуют определенные области подач и давлений.
Так, например, насосы поршневые и роторные применяются при высоком давлении и относительно низкой подаче.
|
|
|
Рис. 1.2. График подач и напоров водяных насосов различных типов |
На рис. 1.3 приведена классификация насосов по конструктивным признакам.
Рис. 1.3. Классификация насосов по конструктивным признакам
Это объясняется принципом действия таких насосов, позволяющих получать малую подачу даже при весьма высоком давлении. Этого нельзя сказать об осевых насосах, специально приспособленных для подачи больших количеств жидкостей при низких давлениях.
Лопастные насосы
Эти машины представлены в современной промышленности тремя основными группами – центробежными, осевыми и вихревыми насосами. Большое распространение их объясняется достаточно высоким к.п.д., компактностью и удобством комбинирования их с приводными электродвигателями [4].
Схема центробежного насоса представлена на рис. 1.4. Рабочее колесо насоса, несущее лопасти 1, заключено в корпус 2 спиральной формы.
Рис. 1.4. Схема устройства центробежного насоса
При вращении колеса жидкость перемещается от центра под действием центробежной силы к периферии, выбрасывается в спиральную камеру и поступает вследствие разности давлений на входе в насос и на выходе их него в напорный трубопровод. Через приемное отверстие происходит всасывание жидкости.
На рис. 1.5 дана схема осевого насоса. Его лопасти 1 закреплены на втулке 2 под некоторым углом к плоскости, нормальной к оси. При вращении лопасти взаимодействуют с потоком жидкости, сообщая ей энергию и перемещая ее вдоль оси насоса.
|
|
|
Рис. 1.5. Схема осевого насоса |
Схема и способ действия вихревого насоса представлены на рис. 1.6. Жидкость поступает через патрубок 1 на периферию рабочего колеса с лопатками 2 и, получая от них энергию при движении по концентрическому каналу 3, отводится в напорный патрубок 4.
|
|
|
|
Рис. 1.6. Схема вихревого насоса |
|
Характерными особенностями вихревого насоса являются подвод и отвод жидкости на периферии рабочего колеса.
Объемные насосы
Работа таких насосов основана на всасывании и вытеснении жидкости твердыми телами (поршнями, пластинами, зубцами), движущимися в рабочих полостях.
На рис. 1.7 показана схема поршневого насоса.
Рис. 1.7. Схема поршневого насоса
Цилиндр 1 сопряжен с клапанной коробкой 2, в гнездах которой расположены всасывающий и нагнетательный клапаны 3 и 4. Поршень 5, движущийся в цилиндре возвратно-поступательно, производит попеременно всасывание из трубы 6 и нагнетание в трубу 7.
Привод поршня осуществляется от двигателя через кривошипно-шатунный механизм или непосредственно. Скорость поршня таких насосов ограничена действием инерционных сил, поэтому соединение их с высокооборотными электродвигателями затруднено. Кроме того, поршневые насосы обладают неравномерностью подачи, обусловленной периодичностью движения поршней. Эти обстоятельства привели к появлению насосов вытеснения вращательного типа, называемых роторными. Типичным представителем этой группы насосов является пластинчатый насос (рис. 1.8). Массивный цилиндр 1 с радиальными прорезями постоянной ширины помещается эксцентрично в корпусе 2. Вал цилиндра 1 через сальник выводится из корпуса для соединения с валом двигателя. В прорези цилиндра 1 вставляются прямоугольные пластинки 3, отжимаемые от центра к периферии действием центробежной силы.
Рис. 1.8. Схема пластинчатого
роторного насоса
При вращении цилиндра 1 пластинки 3 производят всасывание через приемный патрубок 4 и нагнетание через напорный патрубок 5. Насос является реверсивным: при изменении направления вращения его вала изменяется направление движения жидкости в трубопроводах, присоединенных к насосу. Вал такого насоса может соединяться непосредственно с валом электродвигателя [4].
Струйные насосы
и пневматические подъемники для жидкостей
Широкое применение в промышленности имеют насосы струйного типа.
Принципиальная схема насоса струйного типа представлена на рис. 1.9. Поток рабочей жидкости проходит через сопло 1. Сечение сопла 1 по длине уменьшается, поэтому постепенно увеличивается скорость потока. Кинетическая энергия потока при этом возрастает, достигая наивысшего значения на выходе его из сопла 1 в камеру 2. Повышение кинетической энергии потока обусловливает понижение давления в камере 2, под влиянием разности атмосферного давления и давления в камере 2 жидкость поднимается от уровня 3 в камеру 2, где она захватывается струей рабочей жидкости, вытекающей с большой скоростью из сопла 1.
|
|
|
|
Рис. 1.9. Схема насоса |
Рис. 1.10. Схема пневматического подъемника для жидкостей |
Смесь рабочей и перемещаемой жидкостей поступает в расширяющийся патрубок 4 и далее по трубопроводу в бак на высоту Нг.
Коэффициент полезного действия струйных насосов низок, но простота конструкции и отсутствие движущихся частей привели к их широкому применению. Насосами такого типа можно перемещать жидкости и газы.
Для подъема и перемещения жидкостей применяют иногда пневматические подъемники, в которых используется сжатый воздух или технический газ.
Пневматическое устройство периодического действия для подъема жидкости показано на рис. 1.10.
Подъем жидкости из резервуара 1 в бак 3 на высоту Нг осуществляется при помощи компрессора К и пневматического баллона 2.
При отключенном компрессоре и открытых кранах а и б пневматический баллон 2 заполняется жидкостью из резервуара 1. Закрыв краны а и б и включив компрессор К вытесняют жидкость через открытый кран в из баллона 2 в бак 3. Цикл подачи осуществляется периодически.
В промышленности применяется воздушный (газовый) подъемник для жидкостей – эрлифт или газлифт. Подъемники этого типа применяют, например, для подачи воды и нефти из буровых скважин. Схема такого подъемника дана на рис. 1.11.
Рис. 1.11. Схема работы эрлифта
В обсадную трубу 1 опущена водоподъемная труба 2. Воздух из компрессора К по воздухопроводной трубке (показана пунктиром) поступает в самую нижнюю часть водоподъемной трубы. Пройдя через рассеивающий фильтр, воздух смешивается с водой, образуя в водоподъемной трубе водо-воздушную смесь. Удельный вес этой смеси меньше, чем удельный вес воды в кольцевом цилиндрическом пространстве между стенками обсадной и подъемной труб. По закону сообщающихся сосудов между столбами тяжелой жидкости в обсадной трубе и легкой смеси в подъемной трубе стремится установиться равновесие. Глубина погружения подъемной трубы под уровень жидкости может быть подобрана так, что высота столба смеси в подъемной трубе будет достигать верхнего конца этой трубы или несколько превышать его. Столб тяжелой, чистой воды в обсадной трубе будет выдавливать вверх столб смеси по подъемной трубе. При ударе об отбойный конус 4 смесь выделяет воздух, а вода, освобожденная от воздуха, собирается в резервуаре 3 [4].