Гидромашины и компрессоры

ВВЕДЕНИЕ

Гидравлические машины применяются для различных целей, начиная от водоснабжения населения и предприятий и кончая подачей топлива в двигателях ракет. В нефтегазодобывающей промышленности гидромашины имеют очень большое значение. В бурении применяются буровые насосы, служащие для нагнетания в скважину промывочной жидкости с целью очистки забоя и ствола скважины от выбуренной породы, охлаждения и смазки долота. Для непосредственного бурения скважин применяются турбобуры, винтовые забойные двигатели. Для добычи нефти применяются электроцентробежные насосы и штанговые насосы. С помощью насосов (центробежных, поршневых и шестеренных) нефтепродукты транспортируются при их приеме и отпуске, а также при внутрибазовых перекачках.

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ  О ГИДРОМАШИНАХ

Насос - машина для создания потока жидкой среды. Различают динамические и объемные насосы. В динамическом насосе жидкая среда перемещается под силовым воздействием на нее в камере, постоянно сообщающейся со входом и выходом насоса. В объемном насосе жидкая среда перемещается путем периодического изменения объема занимаемой ею камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса.

Объемный гидродвигатель - машина, предназначенная для преобразования энергии потока рабочей среды в энергию движения выходного звена.

Объемные насосы и гидродвигатели (объемные гидромашины) являются энергопреобразователями объемных гидравлических приводов, под которыми понимают совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов машин посредством жидкой рабочей среды под давлением.

Объемный гидропривод определяется так же как гидравлическая система, включающая объемные насос и гидродвигатель с соответствующей аппаратурой (устройствами) управления. Эта система служит для передачи посредством жидкости энергии на расстояние, и преобразования ее в механическую работу на выходе системы с одновременным выполнением функций регулирования и реверсирования скорости выходного звена гидродвигателя, а также преобразования одного вида движения в другой. Это преобразование в объемных гидромашинах происходит в результате вытеснения жидкости из рабочих камер насоса при движении вытеснителей или наполнении этих камер жидкостью под давлением в гидродвигателе, т. е. в этих машинах используется энергия давления.

Применяют также термин «объемная гидропередача», под которым понимают часть объемного гидропривода, состоящую из объемного насоса, объемного гидродвигателя и соединяющих их гидролиний (магистралей).

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

 Разраб.

Гостев И.В.

1 Основные понятия о гидромашинах

Лит.

Лист

Листов

 Пров.

Соловьев В.В.

У

УГТУ МОН-1-09

 Н.контр.

.

 Утв.

Объемным насосом называют гидравлическую машину, преобразующую приложенную к входному его звену (валу) внешнюю механическую энергию в гидравлическую энергию потока жидкости. Объемной гидромашиной называют машину, преобразующую механическую энергию привода в потенциальную энергию потока жидкости (рабочей среды) - при работе машины в генераторном (насосном) режиме и обратно в механическую энергию на выходе гидродвигателя - при работе машины в двигательном режиме.

Объемная гидромашина, предназначенная для работы как в режиме объемного насоса, так и в режиме объемного гидромотора, называется насос-мотором. Насосный агрегат с комплектующим оборудованием, смонтированным по определенной схеме, обеспечивающей работу насоса, называют насосной установкой.

Всякая объемная гидравлическая машина имеет рабочий орган, который состоит из нескольких взаимодействующих деталей определенной геометрической формы, образующих полость изменяемого объема, заполняемую рабочей жидкостью во время нахождения ее во входной камере машины.

Детали, образующие полости изменяемого объема и отделяющие входную полость от выходной, являются основными деталями всякой объемной гидромашины.

Применяется также термин объемная гидромашина. Рабочий процесс в такой машине основан на попеременном заполнении рабочей камеры рабочей жидкостью и вытеснения ее из камеры, в соответствии с этим объемная гидромашина определяется так же как устройство, предназначенное для преобразования энергии движения входного звена в энергию потока жидкости или энергии потока жидкости в энергию движения выходного звена переменного заполнения рабочей камеры жидкостью и вытеснения ее из камеры.

В гидравлических приводах (системах) применяют преимущественно роторные насосы, под которыми понимают объемные насосы с вращательным или вращательным и возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена насоса.

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Реже применяют возвратно-поступательные насосы - объемные насосы с прямолинейным возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена. В качестве перекачивающих распространены прямодействующие насосы, под которыми понимают объемные насосы с возвратно-поступательным движением ведущего звена.

Используются также роторно-вращательные насосы - роторные с вращательным движением рабочих органов и роторно - поступательные насосы - роторные с вращательным и возвратно-поступательным движением рабочих органов.

В зависимости от типа применяемого гидродвигателя различают поступательный, поворотный и вращательный гидроприводы, а также гидропривод смешанного движения, в который входят не менее двух типов объемных гидродвигателей.

Гидропривод с автоматическим регулированием, в котором параметр движения выходного звена объемного гидродвигателя поддерживается постоянным, называют стабилизированным гидроприводом, а гидропривод с автоматическим регулированием, в котором параметр движения выходного звена гидродвигателя изменяется по заданной программе, называют программным гидроприводом.

Объемная гидромашина, предназначенная для работы как в режиме объемного насоса, так и в режиме объемного гидродвигателя, называется обратимой объемной гидромашиной.

По характеру движения выходного звена различают объемные гидродвигатели возвратного и вращательного движения. Первые из них называются силовыми цилиндрами или гидроцилиндрами, а вторые - гидромоторами. Под последним понимается объемный гидродвигатель с вращательным движением выходного звена.

Различают нерегулируемый и регулируемый гидромоторы, под которыми понимаются соответственно гидромоторы с постоянным и с переменным рабочим объемом. Кроме того, различают нереверсивный и реверсивный  

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

гидромоторы, под которыми понимается соответственно гидромотор с постоянным и с переменным рабочим объемом.

Гидропривод, управление которым осуществляется ручным воздействием на регулирующий орган без подвода дополнительной энергии извне, называют гидроприводом ручного управления. При использовании же воздействия на регулирующий орган гидромашины сервомеханизма, а также в случае дистанционного управления, будет иметь место гидропривод автоматического управления.

Гидролиния (гидросеть) - устройство, предназначенное для прохождения рабочей среды в процессе работы объемного гидропривода. Различают всасывающую и  напорную гидролинии. По первой рабочая жидкость движется к насосу, а по второй жидкость движется от насоса к распределителю или непосредственно к гидродвигателю. Гидролинию, по которой жидкость движется от распределителя к объемному гидродвигателю, называют исполнительной гидролинией, а гидролинию, по которой жидкость движется в бак от гидроаппарата или непосредственно от объемного гидродвигателя, называют сливной гидролинией.

Под аппаратами управления понимают устройства, предназначенные для управления параметрами гидросистемы. Насос и гидродвигатель связаны между собой и с аппаратами управления гидролинией.

Ниже приводятся прочие определения и термины по основным техническим показателям работы насосов.

Объемная подача насоса - отношение объема подаваемой жидкости ко времени.

Рабочий объем насоса - разность наибольшего и наименьшего значений замкнутого объема за один оборот.

Геометрическая (идеальная) подача - сумма подач и объемных потерь насоса.

Давление на входе в насос и на выходе из насоса - соответственно давление рабочей жидкости на входе и на выходе из насоса.

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Подпор - разность высот уровня рабочей жидкости в опорожняемой емкости (баке, резервуаре) и центра тяжести сечения входа в насос.

Высота самовсасывания - высота самозаполнения подводящего трубопровода самовсасывающим насосом.

Мощность насоса - мощность, потребляемая насосом. К. п. д. насоса - отношение полезной мощности насоса к его приводной мощности.

Номинальный режим насоса - режим его работы, обеспечивающий заданные технические показатели.

Оптимальный режим насоса - режим работы насоса при наибольшем значении к. п. д.

Кавитационный режим насоса - режим работы насоса в условиях кавитации, вызывающей изменение основных технических показателей.

Помимо объемного гидропривода различают также гидродинамический привод (передачу), состоящий из гидродинамической передачи и устройства управления, а также вспомогательных аппаратов и гидролиний. Гидродинамическая передача соответственно состоит из лопастных (центробежных) насоса и гидродвигателя (турбины). Энергия от насоса к турбине передается гидродинамическим взаимодействием потока жидкости и рабочих колес машин. Следовательно, в этих передачах в основном используется кинетическая энергия жидкости (скоростной напор), тогда как в объемных гидропередачах в основном используется энергия давления. Гидропередачей также называют устройства, предназначенные для передачи механической энергии посредством жидкости. [5]

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

2 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА  ЖИДКОСТЕЙ, ПЕРЕКАЧИВАЕМЫХ НАСОСАМИ  И ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ГИДРОПРИВОДЕ

Рабочая жидкость является рабочим телом гидропривода и может рассматриваться как его элемент. Одновременно она выполняет функции смазочного и охлаждающего агента, а также защищает детали от коррозии, т.е. обеспечивает работоспособность и надежность узлов гидропривода.

Наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к рабочей жидкости, минеральные масла нефтяного происхождения, представляющие собой жидкие дистиллаты, загущенные парафином, церезином и другими твердыми углеводородами. Для специальных гидроприводов применяются также синтетические жидкости на основе органических и кремнийорганических соединений.

Вязкость рабочей жидкости, под которой понимается ее свойство оказывать сопротивление деформации сдвига, является одной из наиболее важных характеристик. От вязкости жидкости зависят объемные и механические потери при работе насоса, возможность работы гидропривода при низких и высоких температурах и пр.

Описание характеристики вязкости жидкости основано на известной гипотезе Ньютона, согласно которой напряжение т сдвига между соседними слоями жидкости бесконечно малой толщины пропорционально градиенту скорости и сдвига в направлении, перпендикулярном к направлению движения жидкости. Механизм возникновения вязкости обусловлен тем, что при течении вязкой жидкости вдоль твердой стенки скорость движения ее слоев в результате торможения потока различна, вследствие чего между слоями возникает сила трения.

Следовательно, абсолютная вязкость является силой, действующей на  

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

 Разраб.

Гостев И.В.

2 Основные свойства жидкостей, перекачиваемых насосами и используемых в гидроприводе

Лит.

Лист

Листов

 Пров.

Соловьев В.В.

У

УГТУ МОН-1-09

 Н.контр.

.

 Утв.

единичную площадь плоской поверхности, которая перемещается с единичной скоростью относительно другой плоской поверхности, находящейся от первой на единичном расстоянии.

В системе единиц МКГСС единицей абсолютной вязкости принято считать касательную силу, с которой один слой жидкости площадью 1 м2 действует на другой, когда один слой движется относительно другого с градиентом скорости 1 м/см. Для маловязких жидкостей µ, обычно выражают в сантипуазах (сП).

Для кинематической вязкости в гидравлических расчетах обычно применяют отношение коэффициента динамической вязкости µ, к плотности р жидкости, которое называется коэффициентом кинематической вязкости.

При выборе величины вязкости рабочей жидкости для гидроприводов приходится учитывать ряд противоречивых факторов. С точки зрения упрощения герметизации уплотнительных соединений, и в особенности без применения эластичных уплотнительных средств, вязкость должна быть, возможно, высокой. Однако повышение вязкости увеличивает механические потери при движении узлов гидравлических машин и потери напора в их каналах, а также ухудшает режим питания (всасывания) насосов. Повышение вязкости жидкости замедляет реакцию исполнительных механизмов на сигналы регулирования (задающих устройств).

В общем случае для гидромашин, работающих с высокими давлениями, следует выбирать жидкости более высокой вязкости, чем для машин с более низкими давлениями.

Условные (относительные) единицы вязкости. На практике обычно пользуются условными единицами вязкости, измеряемой с помощью вискозиметров. В отечественной промышленности применяются единицы условной вязкости, выражаемые в градусах Энглера.

Пересчет условной вязкости в кинематическую и абсолютную производится по приближенным эмпирическим формулам или таблицам.

Зависимость вязкости от температуры. С повышением температуры вязкость капельных жидкостей понижается. Чем меньше изменяется вязкость с  

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

изменением температуры, тем выше качество и эксплуатационные свойства рабочей жидкости. Одним из основных критериев этой зависимости является характеристика по застыванию, условно оценивающая потери подвижности частиц. При этом жидкость (масло) не превращается в твердое тело.

Относительное изменение вязкости μ на 1°С называют температурным коэффициентом вязкости.

Вязкость жидкостей увеличивается с повышением давления. В пределах относительно небольших давлений — от 0 до 30÷40 МПа (от 0 до 300 - 400 кгс/см2) вязкость распространенных минеральных масел для гидросистем изменяется с изменением давления р практически линейно. При этом вязкость маловязких масел изменяется под давлением меньше, чем высоковязких. В общем случае при приближенных практических расчетах для определения зависимости вязкости минеральных масел, применяемых в гидросистемах, от давления для диапазона от 0 до 50 МПа.

Капельная жидкость является упругим телом, которое при давлениях примерно до 600 кгс/см2 подчиняется с некоторым приближением закону Гука.

Основной причиной нарушения физической стабильности жидкости является смятие ее при работе в условиях высоких давлений, в особенности при дросселировании с большим перепадом давления, вызывающее молекулярно-структурные изменения (деструкцию) жидкости. В результате вязкость жидкости может понизиться, а ее смазывающие свойства ухудшиться.

Важным фактором является химическая стабильность жидкости, или стойкость к окислению, в результате которого происходит выпадение из нее отложений в виде смол, сопровождающееся понижением вязкости и потерей смазывающих качеств.

Важным параметром, характеризующим качество рабочих жидкостей для гидросистем, является степень воздействия их на применяемые материалы, в частности - на резиновые детали. Усадка, набухание и размягчение резиновых деталей уплотнительных узлов под воздействием жидкости сопровождаются нарушением герметичности и другими дефектами в работе гидроагрегатов.

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

При длительном контакте рабочей жидкости с резиновыми деталями происходит сложный физико-химический процесс вымывания отдельных компонентов резины и замещения их жидкостью. При этом изменяется масса и объем резиновой детали и физико-механических свойств резины.

Особо следует отметить влияние на резину синтетических жидкостей, одни из которых вызывают либо чрезмерное набухание уплотнительного материала, либо, наоборот, значительную его усадку.

Газы, находящиеся в жидкости в растворенном (дисперсном) состоянии, не оказывают существенного влияния на ее механические свойства, однако если давление в какой-либо точке объема жидкости уменьшается, газы выделяются из раствора в виде пузырьков, которые ухудшают свойства жидкости, уменьшая ее модуль упругости. Относительное количество газа, который может раствориться в жидкости до ее насыщения, прямо пропорционально давлению на поверхности раздела.

Описанное свойство жидкости имеет важное значение для работы гидросистемы, так как присутствие нерастворенного газа ухудшает, а во многих случаях может полностью нарушить работу гидросистемы и ее агрегатов. В частности, при наличии газа ускоряется  наступление кавитации. Газ, выделившийся из жидкости в местах пониженного давления, может частично заполнить рабочие полости насоса, уменьшая тем самым его производительность и ухудшая режим его работы.

Воздух (газ) может находиться в жидкости в механической смеси, причем в зависимости от размеров пузырьков воздуха (диаметр пузырька равен ~0,4 - 0,8 мкм) эта смесь обладает меньшей или большей устойчивостью. При определенных условиях, характеризуемых в основном размерами пузырьков и вязкостью жидкости, скорость вытеснения пузырьков воздуха становится столь малой, что воздух может находиться в смеси с маслом длительное время.

Поскольку сжимаемость воздуха (газа) при невысоких давлениях несоизмеримо выше (в тысячи раз) сжимаемости жидкостей (модуль упругости воздуха равен приблизительно абсолютному его давлению), наличие в них  

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

воздушных пузырьков значительно понижает модуль их упругости. Вследствие этого жесткость гидравлического механизма понижается (повышается податливость рабочих органов гидродвигателя, характеризуемая величиной смещения выходного его звена под действием внешней нагрузки). Так, при давлении 15 МПа (150 кгс/см2) модуль упругости гидрогазовой смеси, содержащей 1% газа (приведенного к атмосферному давлению), почти в 2 раза меньше модуля упругости однородной жидкости.

При наличии в жидкости нерастворенного воздуха производительность насосов понижается, а также сокращается вследствие гидравлических ударов срок их службы.

Давлением или упругостью насыщенного пара жидкости называется установившееся в замкнутом пространстве в результате испарения жидкости при данной температуре давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью. С повышением температуры это давление повышается.

В практике пользуются экспериментальными данными по упругости насыщенных паров.

В непосредственной связи с упругостью насыщенных паров жидкости находится кавитация, под которой понимается местное выделение из жидкости газов и паров (вскипание жидкости) с последующим разрушением (конденсацией и смыканием) выделившихся парогазовых пузырьков, сопровождающимся местными гидравлическими микро ударами высокой частоты и большими «забросами» давления. В гидравлических приводах кавитация носит динамический характер и происходит в отдельных местах гидродинамического поля, где растягивающие напряжения достигают своего критического значения парообразования. К примеру кавитацию можно наблюдать в насадках, вблизи вибрирующих тел, в рабочих камерах насосов при быстром движении замыкателей (поршней) и пр.

Кавитация нарушает нормальный режим работы объемного насоса, в отдельных случаях оказывает разрушительное действие на его элементы. Механизм такого действия упрощенно сводится к следующему. При понижении 

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

давления в какой-либо точке потока жидкости ниже давления насыщенных ее паров при данной температуре жидкость вскипает (происходит ее разрыв) и выделившиеся пузырьки пара увлекаются потоком и переносятся в область более высокого давления, в которой они конденсируются (смыкаются). Так как процесс конденсации парового пузырька происходит мгновенно, частицы жидкости перемещаются к его центру с большой скоростью, в результате кинетическая энергия соударяющихся частиц жидкости вызывает при завершении конденсации местные гидравлические удары, сопровождающиеся резкими «забросами» давления и температуры в центрах конденсации.

Кавитация в насосах наступает тогда, когда жидкость при ходе всасывания отрывается от рабочего элемента (вытеснителя) насоса (поршня, лопасти, зубьев шестерен). Возможность такого - отрыва зависит от величины давления жидкости на входе в насос и его вязкости, от частоты вращения насоса, а также от конструктивных его особенностей.

Рабочая жидкость гидросистем должна обладать:

- хорошими смазывающими  свойствами;

- минимальной  зависимостью вязкости от температуры  в требуемом              диапазоне температур;  

- низкой упругостью  насыщенных паров и высокой  температурой кипения;

- нейтральностью  к применяемым материалам, в частности  к резиновым уплотнителям, и малым  абсорбированием воздуха, а также легкостью его отделения;

- высокой устойчивостью  к механической и химической  деструкции и к окислению в  условиях применяемых температур, а также длительным сроком  службы;

- высоким объемным  модулем упругости;

- высокими коэффициентами  теплопроводности и удельной  теплоемкости и малым коэффициентом  теплового расширения;

- высокими изолирующими  и диэлектрическими качествами; жидкость и продукты ее разложения  не должны быть токсичными.

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Основные физические свойства жидкостей приведены в таблице 1.

Важными параметрами характеристики жидкости являются температуры застывания и замерзания.

Температурой застывания по ГОСТ 1929-51 называют такую температуру, при которой поверхность уровня масла, залитого в стандартную пробирку, не перемещается в течение 5 мин при наклоне пробирки на 45°. Эта температура характеризует жидкость с точки зрения сохранения текучести, а следовательно, возможности транспортировки и слива в холодное время года. Температура застывания масла должна быть на 10-17 °С ниже наименьшей температуры окружающей среды, в условиях которой будет работать гидросистема.

Температурой замерзания называют температуру начала кристаллизации, т. е. температуру, при которой в жидкости образуется облачко из мельчайших кристаллов. При этом не должно быть расслаивания жидкости и выделения из нее составных компонентов. [1, 3]

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

 Таблица 1 – Физические свойства жидкостей

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

3 ОСНОВНЫЕ  ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ  МАШИН

Условимся называть основными те из показателей, с помощью которых получают так называемую внешнюю характеристику, показывающую технологические возможности и энергетические потребности машин.

Подача объемная Q - отношение объема подаваемой жидкой среды ко времени. Эта величина обычно измеряется с помощью расходомера.

Подача массовая Qм, м3/с, вычисляется по формуле

Qм= р· Q,

где р - плотность жидкой среды в условиях измерения подачи.

Подача весовая G, м3/с, вычисляется по формуле

G=γ·Q,

где γ - удельный вес жидкой среды.

Давление насоса P, МПа, вычисляется по формуле

где LП          -   полезная работа, Дж;

      V0           -   начальный объем жидкости, м3;

       рк и рн    -   конечное и начальное давление жидкости, МПа;

       ZК и ZН   -  конечная и начальная площадь сечения, см2;

      СК и СН   - конечная и начальная скорость жидкости, м/с.

Полезная удельная работа lп, Дж, насоса вычисляется по формуле

lп = ,

где m – масса жидкости, кг.

Напор насоса H вычисляется по формуле

МОНГ.000000.069 П

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

 Разраб.

Гостев И.В.

3 Основные параметры и характеристики гидравлических машин

Лит.

Лист

Листов

 Пров.

Соловьев В.В.

У

УГТУ МОН-1-09

 Н.контр.

 Утв.

H = .

Полезная мощность насоса Np, кВт, вычисляется по формуле

Np=P·Q,

где Р – давление жидкости, МПа;

          Q – подача насоса, м3/с.

Потребляемая мощность насоса N измеряется на ведущем звене насоса.

К.П.Д. насоса – это отношение полезной мощности к мощности насоса, вычисляется по формуле

η = ,

где  NП   –   полезная мощность насоса, кВт;

N  –   затрачиваемая мощность насоса, кВт.

В характеристике насоса указывают также вакуумметрическую высоту всасывания НВ, которая численно равна вакууму (дефициту давления) во входном патрубке, выраженному в метрах столба перекачиваемой жидкости. Допускаемая вакуумметрическая высота всасывания - такая, при которой обеспечивается работа насоса без изменения основных показателей.

При выборе скорости вращения насоса учитывают ряд факторов. При малой скорости повышается надежность и срок службы насоса, однако при этом увеличиваются его габариты и уменьшается объемный к.п.д. При увеличении скорости уменьшаются габариты насоса, однако при этом снижается его долговечность вследствие интенсивного износа деталей, а также повышаются гидравлические потери в каналах машины и возможности возникновения кавитационного режима работы.

Ввиду этого частоту вращения выше 5000 об/мин применяют лишь в случаях, когда долговечность насоса не является для данных условий применения превалирующим фактором (требованием). В частности высокооборотные аксиально-поршневые насосы (20000 - 30000 об/мин)  

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

применяют в ракетных энергетических узлах, где основным требованием к насосам является их малые габариты и масса, а также возможность установки их непосредственно на быстровращающемся валу газовой турбины, но не предъявляются высокие требования по долговечности. При скорости вращения более 4000 - 5000 об/мин возникают трудности обеспечения динамической уравновешенности вращающихся частей и в частности цилиндровых блоков в аксиально-поршневых насосах. При наличии в этих насосах динамической неуравновешенности блока произойдет отрыв его от распределительного золотника. Повышение скорости вращения самовсасывающих шестеренных насосов лимитировано центробежными силами жидкости, заполняющей межзубовые впадины шестерен.

Объемный насос гидравлического привода служит для преобразования механической энергии, прилагаемой к приводному валу (входному звену) в энергию потока жидкости, величину которого стремятся при заданной мощности максимально уменьшить.

В объемных гидромоторах происходит обратное преобразование энергии потока рабочей жидкости в механическую энергию ведомого звена. В отличие от насоса (в котором входным параметром является скорость вала и выходным - расход жидкости) входным параметром гидравлического двигателя является расход жидкости и выходным - перемещение или скорость выходного его звена (вала или штока).

Следовательно, в объемных гидравлических машинах энергия, заключенная в потоке жидкости, передается ведомому узлу за счет статического давления жидкости.

В применяемых в гидроприводах роторных объемных насосах и гидромоторах перемещение рабочей жидкости происходит в результате вытеснения ее из рабочих камер при помощи вытеснителей, выполняемых в виде поршня, пластины и пр. Рабочая камера в таких гидравлических машинах представляет собой замкнутое (изолированное) пространство,  попеременно сообщающееся при работе насоса с полостью всасывания, (слива) или  

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

нагнетания.

По характеру процесса вытеснения жидкости объемные насосы делятся на насосы с неподвижными рабочими камерами (их часто называют поршневыми насосами) и на роторные насосы. В первых насосах вытеснение жидкости происходит из неподвижных камер вытеснителями, совершающими возвратно-поступательное движение; во вторых насосах (роторных) вытеснение жидкости производится из камер, совершающих вращательное движение, в результате которого происходит перенос вытесняемого объема жидкости из всасывающей полости насоса в нагнетательную. Вытеснители этих насосов совершают вместе с ротором вращательное движение, которое может сочетаться с возвратно-поступательным движением в камерах. Наиболее распространены в гидроприводах роторные насосы.

В соответствии с указанным, роторной гидромашиной называют машину, у которой подвижные элементы, образующие рабочую камеру, совершают вращательное движение.

В зависимости от вида распределения рабочей жидкости насосы подразделяются на насосы с бесклапанным и клапанным распределением. Гидромоторы могут классифицироваться теми же показателями, что и насосы, однако с учетом свойства их обратимости, под которым понимается пригодность машины для работы в качестве как насоса, так и гидромотора.

Обратимым насосом называют насос, работающий также и в режиме гидродвигателя. Объемная гидромашина, предназначенная для работы как в режиме насоса, так и в режиме гидромотора, называется насосмотором.

К необратимым относятся гидромашины с самодействующими распределительными клапанами, а также автоматизированные насосы переменной подачи. В большинстве же случаев объемные насосы и гидромоторы бесклапанного распределения являются обратимыми машинами, что позволяет применять без какой-либо доработки или перемонтажа в качестве насоса и мотора одну и ту же машину.

Ввиду большой разновидности конструкций насосов и гидромоторов, в  

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

дальнейшем рассматриваются лишь конструкции машин, наиболее распространенные и типичные для современных объемных гидроприводов.

Всякая объемная гидравлическая машина (насос и гидромотор) работает на принципе вытеснения жидкости. Ее рабочий орган захватывает в приемной полости машины некоторый объем жидкости, который затем перемещается с рабочим органом машины к выходной полости, где жидкость вытесняется под некоторым давлением из рабочего органа в эту полость. В соответствии с этим основными параметрами объемных насосов и гидромоторов являются: рабочий объем q, подача Q, давление нагнетания рН, крутящий момент М, мощность N, а также объемный ηо и механический ηм  к.п.д.

Зависимость подачи Q насоса от давления рн при всех прочих равных условиях (частоте вращения, температуре, вязкости жидкости и пр.) называют характеристикой насоса Q= f (рн), иначе характеристика насоса - графическая зависимость его основных технических показателей от давления при постоянных значениях частоты вращения насоса, вязкости и плотность жидкой среды на входе в насос.

По способу регулируемости гидромашины делятся на машины с регулируемым рабочим объемом (регулируемые) и машины с постоянным рабочим объемом (нерегулируемые).

Под регулируемыми насосами понимаются насосы, обеспечивающие в заданных пределах изменение подачи. Для регулируемых гидромашин подача при повороте ротора на один радиан и соответственно средняя расчетная подача является для данной регулировки переменной величиной и может быть оценена долей от наибольшей возможной величины коэффициента регулирования.

В реальных насосах имеют место объемные потери, в результате которых фактическая подача жидкости будет меньше геометрической.

В соответствии с этим различают теоретической Q, фактическую (эффективную) подачу насоса Qэф, под которой понимают подачу жидкости насосом при определенных значениях перепада давления ∆р, частоте вращения n и при прочих условиях, влияющих на объемные потери в насосе. Величина  

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

фактической подачи будет меньше расчетной на величину объемных потерь, которые возникают в результате перетекания утечек жидкости под действием перепада давления из рабочей полости в нерабочую, а также потерь, обусловленных неполным заполнением рабочих камер жидкостью при проходе их через зону всасывания вследствие гидравлического сопротивления входных каналов, кавитационных процессов и выделения воздуха, а также действия, в ряде случаев, на жидкость центробежных сил.

К последним потерям относят также потери, обусловленные сжатием жидкости во вредном пространстве и деформацией его деталей. Потери принято называть условными утечками или потерями на всасывании насоса.

Для поршневых насосов с клапанным распределением существенное влияние на объемный к.п.д. оказывают утечки через всасывающие и нагнетательные клапаны вследствие их негерметичности, а также запаздывание закрытия клапанов.

Количественное сравнение непосредственных утечек жидкости с условными (объемными потерями на всасывании) показывает, что последние могут составить в некоторых случаях 75% всех объемных потерь в насосе.

Основными причинами неполного заполнения жидкостью рабочих камер насоса при прохождении ими всасывающей зоны являются недостаточный напор (малое давление) на входе в насос и большое сопротивление всасывающих каналов, подводящих жидкость к распределительным окнам блока, а также сопротивление в распределительных окнах и в самих цилиндрах. Для шестеренных и пластинчатых насосов к указанным сопротивлениям добавляется сопротивление, обусловленное центробежной силой жидкости при вращении рабочих узлов насоса.

Поскольку внутренние утечки увеличиваются с повышением перепада давления в системе, насосы оцениваются по подаче при заданном давлении.

Кавитационная характеристика насоса - графическая зависимость основных технических показателей насоса от кавитационного запаса или вакуумметрической высоты всасывания при постоянных значениях частоты  

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

вращения насоса, вязкости и плотности жидкой среды на входе в насос и давления.

Возможность возникновения кавитации можно уменьшить рациональным выбором режимов работы гидравлической системы и правильным конструктивным выполнением ее агрегатов, однако полностью исключить это явление можно лишь применением вспомогательных насосов подпитки и прочих средств, повышающих давления во всасывающей линии насоса.

Преобразование энергии в гидромашине (механической в гидравлическую - в насосе, или гидравлической в механическую - в гидромоторе) обеспечивается движением рабочих элементов - вытеснителей, которое сопровождается потерями энергии (мощности) на трение механических частей, а также на преодоление вязкостного и инерционного сопротивлений жидкости в каналах машины. Эти механические потери мощности характеризуются механическим к. п. д. машины, величина которого выражает относительную долю механических потерь в машине. Указанный к.п.д. равен отношению теоретической (индикаторной) мощности к мощности, подведенной к машине извне.

Иначе говоря, указанные механические потери определяются как разность между теоретической (индикаторной) мощностью и фактической мощностью на валу машины. Отличие насоса от гидромотора, с этой точки зрения, заключается лишь в том, что для определения потерь в насосе теоретическую мощность вычитают из фактической (приводной) мощности на валу насоса, а в моторе фактическую мощность на выходном валу вычитают из теоретической его мощности.

Механические потери увеличивают мощность и крутящий момент на валу насоса и уменьшают их на валу гидромотора. В соответствии с этим фактический крутящий момент на валу насоса Мпр или гидромотора М, т.е. крутящий момент, требуемый для привода насоса, или момент, развиваемый гидромотором, будет равен сумме крутящих моментов.

Приводной момент Мпр измеряют при снятии характеристик насоса, а теоретический момент, развиваемый давлением жидкости в рабочих камерах без  

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

учета потерь на механическое трение и потерь вязкого сопротивления жидкости, вычисляют по формулам, приведенным ниже.

Полный или общий к.п.д. гидромашины (насоса или гидромотора) учитывает все потери мощности (энергии), как объемные, так и механические, на которые различные факторы влияют по разному. Этот коэффициент равен отношению отдаваемой мощности к подводимой. Полный к.п.д. гидромашины показывает, насколько полезная (эффективная или отдаваемая) мощность отличается от потребляемой (подводимой) мощности. Значение этого к.п.д. вычисляется по формуле

ηпол=ηо·ηм,

где ηо – объемный к. п. д.;

ηм – механический к. п. д. [1; 2; 3; 4]

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

5 ИСПЫТАНИЕ  ГИДРОМАШИН

Одним из важных этапов создания конструкций гидромашин является их исследование в лабораторных и производственных условиях с целью: определения рабочих характеристик; изучения внутренних процессов и влияния их на потери мощности и силовой режим гидромашины; выявления зависимости надежности гидромашин от различных факторов и изучения эксплуатационных качеств машин. Основными параметрами, исследуемыми при испытаниях гидромашин, являются расход и давление жидкости, величина крутящего момента, частота вращения вала и температура жидкости, а также к.п.д. машины.

Испытания насосов имеют целью:

• получение характеристик;
• проверку соответствия  насосов требованиям и гарантиям;
• определение показателей надежности, сроков и объемов ремонтных работ

и потребности в запасных частях;

• получение опытных материалов для модернизации насосов.

Средства измерений выбирают так, чтобы относительная погрешность результата испытания была не больше предельной, установленной стандартом для данного вида испытания.

Снятию характеристик предшествует обкатка насоса в режиме рекомендуемом  ГОСТами. При снятии характеристики динамического насоса регулируют подачу, а для объемного насоса – давление на выходе. Регулировочную характеристику объемного насоса получают при номинальном давлении, изменяя регулируемый параметр (n, S давление пара) от минимального к 25, 50, 75, 100% номинального значения. Кавитационная характеристика динамического насоса - зависимость напора от кавитационного запаса при постоянной подаче. Кавитационная характеристика объемного насоса 

МОНГ. 000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

 Разраб.

   Гостев И.В.

5 Испытание гидромашин

Лит.

Лист

Листов

 Пров.

Соловьев В.В.

У

УГТУ МОН-1-09

 Н.контр.

 Утв.

зависимость подачи от вакуумметрической высоты всасывания при давлении насоса, равном номинальному и не превышающем 25% от номинального.

Проверку характеристики для динамического насоса проводят, измеряя напор насоса на стенде в трех режимах интервала подач, а на месте эксплуатации - в одном номинальном режиме. При проверке кавитационного запаса устанавливают, что при допускаемом запасе не происходит снижение номинального напора. При проверке самовсасывания устанавливают способность самовсасывающего насоса заполниться жидкостью в течение заданного времени. В центробежном электронасосе проверяют сопротивление изоляции обмоток относительно корпуса и силу тока в рабочем интервале подач. Действие защитных устройств проверяют путем трехкратного закрытия отводящего трубопровода. При этом давление на выходе должно быть не более допускаемого.

Для определения специальных показателей объемного насоса: снимают индикаторную диаграмму; определяют данные работы в режиме гидродвигателя; определяют объем внешней утечки, температуру элементов насоса, объем Внутренней утечки при неподвижных рабочих органах; характер запуска без заполнения жидкостью (всухую). Для динамического насоса: продолжительность работы при закрытой задвижке, данные работы в турбинном режиме, осевую силу.

Испытания на надежность существуют двух  видов: контрольные и определительные (ресурсные). Контрольные входят в состав других испытаний и служат для проверки показателей надежности, указанных в технической документации. При этом используется метод последовательного анализа, сущность которого состоит в том, что при длительной работе насосов на режимах, время работы испытываемых насосов до момента отказа. Затем подсчитывают так называемую «нормированную наработку». Испытание продолжается до получения результата испытания либо за «уровнем приемки», либо за «уровнем браковки».

Кроме того, через равные промежутки времени определяют технические 

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

показатели насоса, а после испытания - степень изношенности элементов.

Определительные испытания продолжают до возникновения необходимости капитального ремонта насоса или до его окончательного отказа. Во время испытаний фиксируют: суммарное время работы к моменту измерения технических показателей, обслуживание насоса (их характер, продолжительность, трудоемкость), характер и причину отказов, время работы до каждого отказа, работы с насосом по устранению отказа. На рабочем графике фиксируют зависимость от времени различных величин, а также указывают для соответствующего времени работы порядковый номер действий с насосом и порядковый номер отказа.

Снятие объемных характеристик (давление, частота вращения и температура) обязательно для всякой гидромашины. Испытания насосов и гидромоторов производятся раздельно.

Измерение потока жидкости производится либо прямым методом - непосредственно специальными приборами, либо косвенными методами - объемным и весовым. При объемном методе определяют объем жидкости мерами вместимости и одновременно - время заполнения мерного сосуда. В целях повышения точности измерения время, в течение  которого заполняется мерный сосуд, должно не менее, чем в 25 раз превышать время, необходимое для ввода и отвода потока жидкости (время срабатывания устройства, переключающего поток).

При весовом способе на весах устанавливают измерительную емкость и определяют время ее заполнения измеряемым потоком жидкости. Общее количество взвешиваемой жидкости должно быть таким, чтобы вес ее был не меньше, чем вес пустой измерительной емкости. Весы подбирают по грузоподъемности и точности.

Для измерения расхода применяют также различные расходомерные устройства (счетчики) поршневых и дисковых типов, счетчики с овальными шестернями, а также приборы без вращающихся частей, наиболее распространенными из которых являются ротаметры, расходомеры - 

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

дифференциальные манометры и пр. Простейшим из расходомерных устройств является ротаметр, представляющий собой дроссельный измеритель с переменным сечением щели и постоянным сопротивлением. Переменность проходного сечения достигается тем, что в вертикально установленную конусную стеклянную или металлическую трубку помещают поплавок плотностью, большей плотности жидкости. При подаче жидкости в нижнюю узкую часть трубки поплавок займет такое положение по высоте, при котором перепад давления, создаваемый сопротивлением кольцевого сечения, образованного поплавком и трубкой, уравновесит разницу в весе поплавка и жидкости в объеме поплавка. В результате каждому расходу будет соответствовать определенное положение поплавка по высоте.

Путем выбора соответствующей конусности трубки можно обеспечить при прочих равных условиях приемлемое для точности отсчетов соотношение между измеряемым расходом жидкости и перемещением поплавка. Градуирование прибора производится тарированием.

Испытания показали, что прибор имеет удовлетворительную точность измерения при относительно широком диапазоне вязкостей жидкости. Для повышения точности измерения приборы можно градуировать для жидкостей определенной вязкости.

В испытательных заводских лабораториях широко применяют для этой цели стандартные объемные гидромашины, преимущественно аксиально-поршневых типов, которые работают в этом случае в качестве гидромоторов с нагрузкой валика, практически равной нулю.

Рабочий объем гидромашины определяют при испытаниях путем перекачивания при медленном вращении вала (10 - 20 об/мин) рабочей жидкости из подпитывающего бака, в мерную емкость. Жидкость в баке находится при этом на уровне или несколько выше уровня входного патрубка насоса.

Размеры бака должны быть достаточными для того, чтобы понижение в нем уровня жидкости при измерении рабочего объема не превышало 150 мм. 

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Открытый конец сливной трубы должен находиться на одной высоте со средним уровнем рабочей жидкости в баке.

При этом способе измерения не учитывается объем сжатия жидкости, поскольку расходомером измеряется жидкость под нулевым, а не рабочим давлением. Однако при точных исследованиях, например характеристик гидромотора высокого давления часто требуется измерить расход на входе в него, который будет меньше расхода на выходе на величину сжатия жидкости под действием перепада давления. В этом случае необходимо ввести поправку с учетом сжатия жидкости.

Исследование механических характеристик объемной гидропередачи в основном заключается в определении зависимости крутящего момента на входном и выходном валах гидромашин и к.п.д. передачи от частоты вращения.

Для испытания высокомоментных малооборотных гидромоторов применяется стенд, в котором нагружение испытываемого гидромотора, обычно осуществляется вторым тормозным однотипным  высокомоментным гидромотором, работающим в режиме насоса.

Работа объемных гидромашин, и в особенности быстроходных насосов, сопровождается воздушным шумом, уровень которого является, в большинстве случаев, показателем совершенства конструкции их элементов, а также характеризует качество изготовления и монтажа машины. В частности, показатель по шуму, издаваемому насосом, носит столь закономерный характер, что по нему представляется возможным оценивать качества насоса дополнительно к обычным методам контроля по гидравлическим и механическим параметрам. С этой точки зрения шум  насоса  является обобщающим показателем динамических свойств последнего. При некотором же значении уровня и характере шум служит сигналом о наличии в рабочем процессе гидромашины дефектов, могущих нарушить надежность ее функционирования. Снижение уровня шума гидромашин, как правило, повышает надежность и увеличивает ресурс ее работы.

Воздушный шум порождается физическими свойствами машины, и 

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

характером ее рабочего процесса, т. е. является формой отражения определенных свойств машины, ввиду чего рабочий ее процесс и порождаемый шум взаимно связаны, а часто и взаимно обусловливают друг друга. Второй по значимости категорией шумов являются шумы аэродинамического происхождения, возникающие в результате нестабильности потоков жидкости, а также вследствие пульсации потока, возникающей при срыве вихрей.

Поскольку шум отрицательно влияет на работоспособность человека в производственных условиях и может представить угрозу для его здоровья, при оценке интенсивности шума учитывают также санитарные требования в части допустимых уровней громкости (высоты тонов) и частот. Ввиду указанного, борьба с шумом является важной производственной и социальной задачей и эта проблема должна учитываться при создании и эксплуатации гидромашин. [1; 5]

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Касьянов В.М. Гидромашины  и компрессоры. Учебник для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп., [Текст] /В.М.Касьянов  - М.: Недра, 1981. - 295 с.: ил.

2. Абдурашитов С.А. Гидромашины и компрессоры. Учебник для вузов., [Текст] /С.А. Абдурашитов, А.А. Тупиченков, С.М. Вершинин и др. - М.: Недра, 1974. - 296 с.: ил.

3. Башта Т.М. Объёмные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. Учебник для вузов. [Текст] /Т.М. Башта Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 1974. - 606 с.: ил.

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

МОНГ.000000.069 ПЗ

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

 Разраб.

Гостев И.В.

Центробежные насосы, работающие на поверхности

Лит.

Лист

Листов

 Пров.

Соловьев В.В.

У

УГТУ МОН-1-09

 Н.контр.

 Утв.