Бутални ротационни помпи и хидродвигатели – част 2

ПОДОБНИ СТАТИИ

Регулиране на бутални ротационни машини

Бутални ротационни помпи и хидродвигатели – част 3

Бутални ротационни помпи и хидродвигатели

Част 2. Характеристики на радиално-буталните помпи и хидродвигатели.

Принципна схема на ротационна радиално-бутална машина е показана на фиг. 1. Статорът 1 и роторът 2 са разположени ексцентрично един спрямо друг с ексцентрицитет е. В радиално разположените цилиндри са монтирани буталата 3, които се опират със сферичната си глава в опорната повърхнина на статора. Осите на цилиндрите лежат в една равнина и се пресичат в една точка. Подвеждането и отвеждането на течността към цилиндрите се осъществява посредством неподвижната разпределителна преграда 4 и камерите А и Б, образувани между преградата и вътрешната цилиндрична повърхнина на ротора. Посредством канали, разположени по оста на ротора, двете камери са свързани към входящия и изходящия отвор на машината.

Радиално-бутални помпи
При работа на машината като помпа работният процес протича както следва. При завъртане на ротора, например в показаната със стрелка посока (по часовниковата стрелка), буталата се въртят заедно с ротора, като едновременно извършват и възвратно-постъпателно движение в радиална посока, тъй като са в непрекъснат контакт с ексцентрично разположения статорен пръстен. Буталата се притискат към статора под действие на центробежните сили, от налягането на работната течност и, в някои случаи, от пружини. В цилиндрите, разположени над оста на ротора, буталата се движат от центъра навън, при което в увеличаващия се обем на всеки цилиндър се засмуква течност от камерата А, която в случая се явява смукателна. В цилиндрите, разположени под оста, буталата се движат към центъра и течността се нагнетява в камерата Б. Подобни помпи са познати под наименованието еднодействащи, тъй като за пълен оборот на вала във всеки цилиндър се извършва един смукателен и един нагнетателен ход. Когато отворът на цилиндъра застане точно срещу разпределителната преграда (най-левият цилиндър от фигурата), той се затваря. В разглежданата конструкция това се случва два пъти за един оборот на цилиндровия блок - когато обемът е най-голям и когато е най-малък.

Теоретичният дебит може да се изчисли много лесно, тъй като ходът на буталото е равен на удвоения ексцентрицитет: Qt = qn = (pd2/2)ezn, където d и z са диаметърът и броят на буталата.

Във всички гореспоменати изрази се има предвид стойност на дебита, осреднена за един оборот, т. е. среден дебит. Това е стойността, която се дава в техническата документация и се използва при проектиране на хидравличните системи, затова прилагателното среден обикновено се изпуска, но се подразбира. Дебитът на помпата в даден момент, т. нар. моментен дебит, се получава като сума от моментните дебити на цилиндрите, които в разглеждания момент са свързани към изходящия отвор на машината. Тъй като всеки цилиндър се намира в различна фаза от нагнетателния процес, общият моментен дебит е неравномерен и пулсиращ. Пулсациите на дебита водят до пулсации на налягането и неравномерно движение на хидравличните цилиндри и двигатели.

На фиг. 2 е показано изменението на моментния дебит като функция на ъгъла на завъртане g на цилиндровия блок за брой на цилиндрите z=5 и z=6. В долната част на графиките са показани моментните дебити на всеки един от цилиндрите, а в горната - моментният дебит на помпата. Вижда се, че при четен брой цилиндри неравномерността е по-голяма. Това се обяснява с факта, че при четен брой настъпва едновременно затваряне на два диаметрално разположени цилиндъра. Това е причината радиално-буталните помпи да се произвеждат с нечетен брой цилиндри - най-често 5, 7 или 9 (11). Неравномерността на дебита на обемните помпи се характеризира количествено чрез степента на неравномерност, която се изчислява с максималния, минималния и средния дебит по: sQ = ((Qmax – Qmin)/Qm)100%.
Степента на неравномерност при брой цилиндри z=5 е 0.063, а при z=6 е 0.136, т. е. при четен брой е около два пъти по-голям (при сравним брой цилиндри).

Увеличаване на работния обем
За да се увеличи работният обем на радиално-буталните помпи, се увеличава броят на цилиндрите чрез разполагането им в няколко успоредни равнини - до 4-5 реда, като във всеки ред има от 5 до 13 цилиндъра.

Регулирането на работния обем, а по този начин и на дебита, се осъществява чрез изменението на ексцентрицитета. При регулируемите помпи той може да се изменя и в двете посоки между +emax и - emax. При нулев ексцентрицитет дебитът е нула. Чрез изменение на ексцентрицитета освен изменение на дебита се постига и промяна на посоката на протичане, при запазване на една и съща посока и честота на въртене на вала. При показания на фиг. 1 ексцентрицитет и посока на въртене, камера А е смукателна, а Б - нагнетателна. Ако оста на ротора премине отдясно на оста на статора, камера Б става смукателна, а камера А - нагнетателна и така се разменят смукателният и нагнетателният отвор на помпата, към които са свързани двете камери. 

За намаляване на силите на триене между буталата и статорния пръстен, последният обикновено се изпълнява като вътрешна гривна на търкалящ (ролков) лагер. Буталата при своето движение увличат във въртене гривната, благодарение на което триенето при плъзгане на главата на буталото по статора се заменя с триене при търкаляне на ролките. Ъгловата скорост на гривната, явяваща се статорен пръстен, практически е равна на ъгловата скорост на ротора.

Най-често буталата се опират в статорния пръстен посредством сферична глава, но има конструкции с водене посредством ролки или други опорни елементи. За да се подобри смазването и намали триенето на буталото в стените на цилиндъра, когато главата на буталото е сферична, на него се предава едно въртеливо движение спрямо оста му. Това се осъществява, като повърхността на статорния пръстен, върху която се опира сферичният край на буталото, е с малка конусност или осите на цилиндрите се изпълняват с наклон 15-20о спрямо равнината на въртене - фиг. 3. Вследствие на това точката на контакт вече няма да лежи на оста на цилиндъра и буталото, под действие на силите на триене, ще се завърта. За един оборот на цилиндровия блок направлението на въртене ще се промени два пъти.

Радиално-буталните помпи се използват при налягания 20 - 30 МРа. Производителността им е до 800 l/min. Обемният к. п. д. е hQ = 0,94 - 0,98 при максимално налягане, а механичният к. п. д. hm = 0,8 - 0,95. Честотата на въртене е в интервала от 1800 min-1 за най-малките производителности, до 500 - 600 min-1 за най-големите. За уплътняване на буталата на помпите не се използват никакви допълнителни средства освен осигуряването на минимална хлабина. В хидродвигателите, при големи диаметри на буталата (над 25 mm), се прилагат срязани метални пръстени.

Помпи с двукратно действие
На фиг. 4 е показана помпа с двукратно действие. Статорът е профилен, а разпределителното устройство има четири разделителни повърхности, които образуват две смукателни (А и A1) и две нагнетателни (Б и Б1) камери. Принципът на действие е вече познат, като тук за един оборот на цилиндровия блок всяко бутало извършва два работни хода и при еднакви други условия дебитът е два пъти по-голям от този на еднодействаща помпа.

При работа на машината като хидродвигател, ако се подаде работна течност под налягане към камерата Б (по фиг. 1), буталата, разположени под оста, ще извършват работен ход, измествайки се навън, и роторът ще се завърти в посока обратна на часовника. Обратимото действие на радиално-буталните машини може да се поясни по-добре, като се разгледа силовото взаимодействие между буталата и статора - фиг. 5. В точката на контакт между главата на буталото и статорния пръстен възниква сила N, която при пренебрегване на триенето е нормална на направляващата повърхност на статора и, следователно, направлението й минава през центъра на статора. Поради ексцентричното разположение на ротора, тази сила може да се разложи на две съставляващи - Fp насочена по оста на цилиндъра и Т - перпендикулярна на нея.
Силата Fp се уравновесява основно от силата на налягането върху буталото. Другите сили - от триене между буталото и цилиндъра, инерционните сили и евентуално наличната пружинна сила, са пренебрежимо малки. Нормалната към оста на буталото сила Т създава въртящ момент. Когато машината работи като помпа (посока на въртене по часовника), този момент се преодолява от задвижващия момент, приложен на вала от двигателя. При работа като хидродвигател (посока на въртене обратно на часовника) този момент завърта цилиндровия блок, т. е. това е двигателният момент.

Високомоментни двигатели
Радиално-буталните двигатели обикновено се конструират като високомоментни двигатели. Това се постига чрез използване на принципа за многократно действие. За целта статорът е профилен и за един оборот всяко бутало извършва няколко хода. За увеличаване на момента на хидродвигателя се използват няколко реда (най-често два или три) цилиндри, като общият им брой достига 50 - 60. Подобни хидродвигатели са способни да работят устойчиво с много ниски честоти - до 1 - 2 оборота за минута, а въртящият момент достига до 45 000 Nm. Поради относително малките средни скорости на буталата (0.2 - 0.5 m/s), този вид хидродвигатели се отличава с голяма надеждност и дълъг срок на експлоатация (6000 часа). Тегловният показател е в границите 2 - 10 kg/kW.

Пълният к. п. д. е 90 - 95%. Високомоментните двигатели от разглеждания вид не се използват за работа като помпи. Максимално допустимата честота на въртене е значително по-ниска от тази на другите хидродвигатели, например до около 400 min-1. Въртящият момент на хидродвигател с n- кратно действие при същото налягане е n пъти по-голям от този на хидродвигател с еднократно действие. Съответно, при еднакъв дебит честотата на въртене е n пъти по-малка.