Обемни ротационни помпи

ХидравликаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2012

Обемни ротационни помпиОбемни ротационни помпиОбемни ротационни помпиОбемни ротационни помпи

ПОДОБНИ СТАТИИ

Обемните ротационни помпи (ОРП) са хидравлични машини, при които се реализира т. нар. обемен принцип на работа благодарение на непрекъснатата промяна на обема на работните камери, образувани между елементите на ротора и статора в процеса на работа. При увеличаване на обемите на работните камери във всяка една се извършва засмукване на определено количество течност, а при последващото намаляване на обемите, течността се нагнетява към изходящия отвор на машината.

Обемните ротационни помпи се разделят на две основни подгрупи. При първата работните елементи извършват само въртеливо движение. Типични примери са зъбните и винтовите помпи. При зъбните помпи работните камери с течност се преместват в равнина, перпендикулярна на оста на въртене на ротора, а при винтовите помпи - по оста на въртене.

Към другата група ротационни помпи спадат тези, при които елементите, изтласкващи течността извършват освен въртеливо, и постъпателно движение. Такива са пластинковите и бутално-ротационните помпи (аксиално-бутални и радиално-бутални).

При ротационните помпи изолирането на смукателното от нагнетателното пространство се извършва от самите работни елементи и за разлика от буталните машини тук липсват смукателни и нагнетателни клапани. Тази и някои други конструктивни особености на обемните ротационни помпи обуславят някои общи свойства, съществено отличаващи ги от буталните помпи.

Могат да работят като силова машина
Обемните ротационни помпи принципно са обратими, т. е. ако се подаде течност под налягане могат да работят като силова машина - хидродвигател. На практика не всички конструкции ОРП са достатъчно ефективни при използването им като хидродвигатели. Това се дължи най-вече на особеностите на уплътненията и широкия диапазон на изменение на честотата на въртене и въртящия момент, което е характерно за хидродвигателите.

ОРП са бързоходни, като честотата на въртене обикновено е 3000 min-1, но има специални изпълнения, например на аксиално-бутални помпи, при които честотата достига до 20 000 min-1. Големият брой работни камери, особено при зъбните помпи, обуславя значителна равномерност на дебита.

ОРМ с общо предназначение работят с максимално налягане 7,5 - 42 МРа. Съществуват и специални изпълнения за налягания до 70 MPa.

ОРМ са с висока енергийна ефективност (висок к. п. д.) и се характеризират с ниско тегло и обем за единица мощност. Най-широко приложение намират в системите за хидравлични задвижвания.

ОРМ работят в широки диапазони по отношение на работното налягане и честотата на въртене при запазване на висок к. п. д.

Могат да осигурят постоянен дебит
Поради наличието на механичен контакт и съответно триене между повърхнините на ротора и статора, те се използват за работа само с чисти и неагресивни течности, притежаващи добри смазващи качества (например минерални масла, синтетични работни течности, течни горива и др.), което изключва работата им с вода.

Тук е уместно да се напомни най-важната особеност на всички обемни помпи, която ги отличава най-съществено от лопатъчните (центробежни и осови), а именно: при постоянна честота на въртене ОРП създават практически постоянен дебит, като налягането може да е произволно високо (теоретично може да е и безкрайно голямо, ако например се блокира изходящият отвор на машината) и се определя от хидравличните съпротивления и натоварването на конкретната система. Това е причината в хидравличните системи с обемни помпи винаги да се включва предпазен клапан, който ограничава максималната стойност на работното налягане.

Основни параметри на ОРП
В техническата документация и каталозите на фирмите се използват различни единици за едни и същи параметри. За да не се получат грешки при изчисленията е добре да се използват единиците на системата SI: за обем - m3; за честота на въртене и ъглова скорост - s-1; за дебит - m3/s; за налягане - Ра; за момент - Nm и за мощност - W. Във формулите, дадени по-долу, се използват именно тези единици.

Специфичният обем (наричан още и работен обем) q е обемът течност, който се изтласква за един пълен оборот на задвижващия вал, без да се отчитат обемните загуби и свиваемостта на работната течност. Той зависи от максималната Vmax и минималната Vmin стойности на обема на работната камера, броя z на работните камери и, при някои конструкции, броя i на нагнетателните ходове в една камера за един оборот на вала. Този обем зависи само от геометрията на помпата, затова понякога се нарича още и геометричен обем. Специфичният обем на всяка обемна помпа може да се определи по изчислителен път, т. е. теоретично, по най-общия израз q = (Vmax - Vmin)iz. Практически този обем може да се измери чрез завъртане на празен ход при равни налягания на входа и изхода.

Ако разгледаме идеалния случай, когато в помпата няма вътрешни протечки, липсват триене и загуби на налягане, лесно се получават прости зависимости между основните параметри на помпата.

Теоретичният дебит Qt се дава от израза Qt = qn.
На фиг. 1 е показано типично свързване на обемна ротационна помпа към хидравлична задвижваща система. Приемайки допускането за идеална помпа, нейната теоретична мощност Nt може да се изрази по два начина - чрез нарастването на налягането в помпата Dp = p2 – p1 и теоретичния дебит Qt, и чрез теоретичния момент Mt и ъгловата скорост w: Nt = DpQt = Mt w. От тук, като се замести даденият по-горе израз за Qt и се отчете, че w = 2pn, за теоретичния момент се получава Mt = Dpq/2p.

Тъй като в хидравличните задвижващи системи на практика налягането на входа на помпата p1 е многократно по-малко от налягането на изхода p2, диференциалното налягане числено се приема за равно на налягането на изхода и се означава само с р, т. е. Dp = (p2 – p1) » p2 = p и се използва широко терминът налягане на помпата.

Загуби на мощност
В реалния случай действителният дебит Q на помпата винаги е по-малък от теоретичния. Това се дължи в най-голяма степен на наличието на вътрешни протечки (обемни загуби) DQ през хлабините Q = Qt - DQ.

Това е първата причина за загуби на мощност. Допълнителен ефект за намаляване на дебита може да окаже частичното запълване на работните камери, дължащо се на инертността на течността.

Течението през тесните хлабини на практика е ламинарно и обемните загуби нарастват линейно с нарастване на налягането р, и съответно действителният дебит на помпата намалява. Това се илюстрира от фиг. 2. Намалението на дебита обаче дори при максималното налягане не е голямо, затова понякога това не се взима под внимание. Обемните загуби се отчитат чрез въвеждане на т. нар. обемен к. п. д. hQ и за дебита Q се получава Q = Qt hQ = qnhQ.

На фиг. 3 е показано изменението на теоретичния и действителния дебит в зависимост от честотата на въртене. Фигурата демонстрира една много важна особеност на ротационните помпи. Поради наличието на обемни загуби, при честоти на въртене по-малки от една гранична стойност nmin, при която теоретичният дебит става равен на обемните загуби, Qt=DQ, помпа не подава дебит към системата. Както се вижда, до определени стойности при увеличаване на честотата на въртене, обемните загуби остават постоянни, а след това нарастват поради недозапълването на работните камери.

Втората причина за загубите на мощност е триенето. Вискозното триене и механичното триене между работните елементи е съпроводено с дисипация (разсейване) на енергия. Част от задвижващия момент се използва, за да се преодолеят триещите сили. Загубите от триене се отчитат с механичния к. п. д. hm, като действителният момент М е: M = Mt /hm = pq/2p hm.

Третият източник на загуби на мощност са загубите на налягане в каналите на работните камери. Създаденото в тях налягане е по-голямо от налягането на изхода на помпата, за да компенсира загубите от протичането на флуида през каналите на машината – т. нар. хидравлични загуби. Последните се характеризират чрез хидравличния к. п. д. hh. При нормални условия на работа тези загуби са пренебрежимо малки и обикновено не се отчитат, т. е. приема се, че hh = 1.

Мощността на вала на помпата N може да се определи от момента и честотата на въртене: N = pqn/ hm или с дебита и налягането: N = pQ/ hQhm .
Пълният к. п. д. е h = hQhmhh или ако се пренебрегнат хидравличните загуби - h = hQhm.

Кавитация при ОРП
Кавитационните характеристики на обемните помпи описват влиянието на входното налягане pin върху дебита. Намаляването на налягането на входа на помпата под т. нар. налягане на насищане води до изпаряване или кипене на работната течност. Течението на входа на помпата вече представлява смес от течност, свободни газове и пари. При нулево или много ниско налягане на изхода на помпата, например при разтоварване чрез байпасиране, парите не кондензират и парните мехурчета не се свиват. При обичайните работни условия помпата е натоварена с високо налягане на изхода. Парните мехурчета се свиват поради бързата кондензация при преноса им към зоните с високо налягане и като резултат дебитът намалява. Като цяло увеличаването на обема на парата в работната течност с 1% намалява обемния к. п. д. с около 1%. Фиг. 4 показва ефекта на входното налягане pin върху дебита при едно и също налягане на изхода и различни честоти на въртене. В случая се използва абсолютното налягане. В действителност, намаляването на к. п. д. при възникване на кавитация не е най-съществената вредна последица. Работните елементи на помпата са подложени на голямо ударно въздействие в резултат на това, че освободеното пространство при свиване на мехурчетата се запълва бързо от околния флуид, при което се получава местно увеличаване на налягането от порядъка до 7000 bar. Тъй като процесът е повтарящ се с висока честота, настъпва бързо разрушаване на вътрешните повърхнини - т. нар. кавитационна ерозия. При настъпване на кавитация забележимо се увеличават нивата на шум, особено в областта на високите честоти. За да се предотврати възникването на кавитация, абсолютното налягане на входа на помпата трябва винаги да е по-високо от налягането на насищане при максималната очаквана работна температура Tmax с една достатъчно голяма стойност, наречена кавитационен запас - фиг. 5. Този запас е поне 0.3 - 0.4 bar. На фигурата с т. 1 е означена точката на кипене при атмосферно налягане, а с т. 2 - точката на кипене, при максималната работна температура Tmax. Линията между двете точки отделя зоните на течното и парообразно състояние на работния флуид. Приетият кавитационен запас определя минимално допустимото налягане на входа на помпата pmin.
Някои препоръки за избягване на това нежелано явление са:
- Намаляване на загубите на налягане в смукателната линия чрез увеличаване на диаметъра на смукателния тръбопровод, по възможност, намаляване на неговата дължина.
- Да се избягва употребата в смукателната линия на филтри и други елементи, създаващи хидравлични съпротивления.
- Увеличаване на налягането на засмукване по някои от следните начини:
- Използване на бустерна помпа.
- Използване на затворен резервоар под налягане.
- Монтиране на помпата на достатъчно разстояние под резервоара.

Пулсации на дебита при обемните помпи
Теоретично дебитът на помпата се изчислява по Qt = qn. Този израз дава една осреднена стойност или теоретичния среден дебит. В действителност дебитът на помпата не е постоянен. Всяка работна камера създава дебит, равен на скоростта на намаляване на обема й. Дебитът на помпата в даден момент, т. нар. моментен дебит, се получава като сума от дебитите на работните камери, които в разглеждания момент са свързани към изходящия отвор на машината. Дебитът, генериран от работната камера, започва от нулева стойност в началото на нагнетателния ход и нараства непрекъснато до достигане на максимална стойност в средата на хода. След това намалява непрекъснато до стойност нула в края на нагнетателния ход. Следователно действителният дебит на помпата е пулсиращ, както е показано на фиг. 6. Големината на пулсациите се характеризира чрез степента на неравномерност, която се изчислява с максималния, минималния и средния дебит: hQ = ((Qmax - Qmin)/Qm )100%.

Средният дебит е Qm = qn.

Пулсациите на дебита водят до пулсации на налягането и неравномерно движение на хидравличните цилиндри и двигатели.

Top