Бутални ротационни помпи и хидродвигатели

Част 1. Работни параметри на аксиално-буталните и радиално-буталните помпи и хидродвигатели

     Както е известно, помпите са хидравлични машини, които преобразуват подадената на вала механична енергия в енергия на течността (хидравлична енергия). Хидродвигателите преобразуват енергията на подведената към тях течност в механична енергия на вала.

Буталните ротационни помпи и хидродвигатели спадат към голямата група на обемните хидравлични машини. При тях, независимо от конструкцията, трансформацията на енергията (механична или хидравлична) става в работни камери, чиито обеми в процеса на работа непрекъснато се изменят. При помпите, в периода на увеличаване на обемите на работните камери, във всяка една се извършва засмукване на определено количество течност, а в периодите на намаляване на обемите течността се нагнетява към изходящия отвор на машината. При хидродвигателите подаваната под високо налягане работна течност запълва работните камери в периода на увеличаване на обемите, а в периода на намаляването им се отвежда към изхода с ниско налягане.

Аксиално-бутални и радиално-бутални машини
В процеса на работа работните елементи (бутала или плунжери) на разглежданите хидравлични машини извършват едновременно въртеливо и възвратно-постъпателно движение. Работните камери са оформени в ротора на машината под формата на отделни цилиндри. В зависимост от разположението на цилиндрите спрямо оста на въртене се различават две групи машини.

В радиално-буталните машини цилиндрите са разположени перпендикулярно на оста на въртене на цилиндровия блок и буталата се движат в една равнина (машини с равнинна кинематика). В аксиално-буталните машини цилиндрите са успоредни на оста на въртене на цилиндровия блок и движението на буталата е пространствено (машини с пространствена кинематика). Буталните ротационни машини принципно са обратими, т. е. един агрегат може да работи и като помпа, и като двигател. И двата типа машини се изготвят във варианти без регулиране и с регулиране на дебита. Аксиалното разполагане на цилиндрите се предпочита за големи скорости и малки въртящи моменти, а радиалното - за големи въртящи моменти и малки скорости. Аксиално-буталните машини, при еднакви други условия, са със значително по-малки габарити и почти два пъти по-леки от радиално-буталните.

Разглежданите машини се използват за работа само с чисти и неагресивни течности, притежаващи добри смазващи качества (напр. минерални масла, синтетични работни течности и др.), което изключва работата им с вода.

Буталните ротационни машини се използват в системите за хидравлични задвижвания, работещи при високи налягания. Въведени са няколко основни показатели, които характеризират работата на всяка една хидравлична машина, в това число и на ротационните. По-долу ще бъдат дадени и някои прости зависимости, използвани широко при подбирането и експлоатацията на хидравличните машини. В практиката се срещат различни единици за едни и същи параметри. За да не се получат грешки, при изчисленията е целесъобразно 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.

Обемните ротационни помпи, и в частност разглежданите, работят в хидравлични системи за задвижване с високо работно налягане и налягането на входа на помпата е пренебрежимо малко спрямо изходното налягане. Незначителна е и кинетичната енергия (скоростта) на работната течност. Всичко това дава основание в практиката често да се работи не с напора на помпата, а с налягането на изхода на помпата, което накратко се нарича налягане на помпата р. Аналогично, налягането на хидродвигателя се дефинира за входа на машината. За по-прецизни изчисления се използват нарастването на налягането в помпата Dр или, съответно, падът на налягането в хидродвигателя.

Под дебит на помпа Qp се разбира обемът течност, който помпата подава за единица време и се отнася към изходящия отвор на машината.

Дебит на хидродвигател Qm е обемът течност, който постъпва в хидродвигателя за единица време и се отнася към входящия отвор на машината.

Основен параметър на обемните ротационни машини е специфичният обем q.
Специфичният обем на помпа (наричан още и работен обем) е обемът течност, който се изтласква за един пълен оборот на задвижващия вал, без да се отчитат обемните загуби и свиваемостта на работната течност.

Специфичният обем на хидродвигател е обемът течност, необходим да се получи един пълен оборот на вала.

Работният обем зависи само от геометрията на хидравличната машина, затова понякога се нарича още и геометричен обем. При буталните ротационни машини, поради простата геометрия на работните камери, този обем може да бъде лесно изчислен. За други типове машини, например зъбни, винтови, пластинкови и др., това е трудно да се направи със задоволителна точност. В подобни случаи специфичният обем се определя опитно, чрез бавно завъртане на вала на празен ход (без натоварване на машината), при изравнени налягания на входа и изхода. При тези условия се осигурява пълно запълване на работните камери.

С постоянен или променлив специфичен обем
Обемните хидравлични машини, и в частност буталните ротационни, се проектират с постоянен или променлив специфичен обем. В първия случай те са нерегулируеми, а във втория - регулируеми.

Теоретичният дебит Qt и за помпа, и за двигател се дава от израза: Qt = qn, където n е честотата на въртене.

Теоретичната (индикаторна) мощност Nt на една ротационна машина (помпа или двигател) се определя от налягането р (или Dр) и теоретичния дебит Qt: Nt = DрQt .
От тук, за теоретичния въртящ момент на ротационната машина се получава: Mt = Nt/2рn = Dрq/2р.

Действителният дебит Qp на една помпа винаги е по-малък от теоретичния. Това се дължи на наличието на обемни загуби DQ: Qp = Qt - DQ.

Обемните загуби DQ зависят от няколко фактора: на първо място, протичане на работна течност през хлабините от областите с високо налягане към тези с по-ниско (вътрешни протечки); непълното запълване на работните камери, дължащо се на инерционните сили; свиваемост на течността; външни протечки; кавитационни явления; отделяне на разтворения въздух и др. Протечките се увеличават с нарастване на работното налягане, увеличаване на хлабините вследствие на износването, намаляване на вискозитета на работната течност. Вследствие на зависимостта на протечките от налягането, помпите се оценяват и сравняват по дебит винаги при зададено налягане. Поради наличието на протечки при честоти на въртене по-малки от една гранична стойност nminp, при която теоретичният дебит става равен на протечките, Qt = qnminp, помпата не може да подава дебит към системата при зададеното налягане.

Обемните загуби се отчитат чрез въвеждане на т. нар. обемен к. п. д. hQ и за дебита на помпата Qp се получава: Qp = QthQ = qnhQ.

Обемните загуби при хидродвигателите се дължат на вече споменатите фактори с тази разлика, че при тях практически липсват загуби, дължащи се на непълното запълване на работните камери и основни са загубите от протечки през хлабините. Като следствие, подаваният към хидродвигателя дебит Qm е по-голям от теоретичния: Qm = Qt + DQ.

Като се използва обемният к. п. д.: Qm = Qt /hQ = qn/hQ.

В практиката най-често трябва да се определи честотата на въртене на хидродвигателя, за която от горния израз се получава: n = QmhQ/q.

Вижда се, че обемните загуби намаляват честотата на въртене на хидродвигателя в сравнение с теоретичната. При един минимален дебит към хидродвигателя, равен на обемните загуби, Qmin m = DQ, хидродвигателят няма да се завърти, защото подаваната течност ще се изразходва само за покриване на протечките.
Загубите на мощност вследствие на обемните загуби са преобладаващи, но не единствени. Вискозното триене и механичното триене между работните елементи е съпроводено с дисипация (разсейване) на енергия. При помпите част от задвижващия момент се използва, за да се преодолеят триещите сили и следователно е по-голям от теоретичния момент. Загубите от триене се отчитат с механичния к. п. д. hmech, като действителният момент на вала на помпата Mp е: Mp = Mt/hmech = Dpq/2phmech.
При хидродвигателите механичните загуби намаляват получавания на вала въртящ момент и той е по-малък от теоретичния: Mm = Mthmech = Dpqhmech /2p.

Друг източник на загуби на мощност са загубите на налягане в каналите на работните камери. Те се характеризират чрез хидравличния к. п. д. hh. При нормални условия на работа за разглежданите тук машини, тези загуби са пренебрежимо малки и обикновено не се отчитат, т. е. приема се, че hh = 1.

Пълният к. п. д. на една хидравлична машина е h = hQhmech hh или ако се пренебрегнат хидравличните загуби h = hQhmech.

Мощността на вала на помпата се определя по: Np = DpQp/hp .
Подобен израз се получава и за хидродвигателите: Nm = DpQm hm.