Понятие насосной установки. Роль насосов в её действии

Курс лекции по СВМ Лекция 1 “Понятие насосной установки. Роль насосов в её действии” Эксплуатация морских судов и СЭУ связана с необходимостью перемещения жидкостей (вода, топливо, масло). Суда оборудуются насосными установками, в состав которых входят трубопроводы, арматура, клапаны, КИП, средства дистанционного контроля и управления. Трубопроводы – системы. Насосные установки бывают двух видов: с насосом выше, и с насосом ниже уровня жидкости в расходной цистерне. Второй случай предпочтительнее т.к. давление жидкости при входе в насос выше. Насос – гидравлическая машина, предназначенная для создания потока жидкости. Это гидравлическая машина, с помощью которой жидкости передаётся энергия для перемещения её из расходной цистерны в приемную. 1. Расходная цистерна. 2. Всасывающий трубопровод. 3. Насос. 4. Нагревательный трубопровод. 5. Приёмная цистерна. – высота уровня жидкости в приёмной и расходной цистерне над плоскостью сравнения (отсчёта). – давление на свободную поверхность жидкости в приёмной и рас­ходной цистернах. и – давление и скорость жидкости на выходе и входе в насос. – высота центра тяжести сечения потока при выходе и входе в насос над плоскостью отсчёта. Количество энергии, сообщаемое насосом единице массы жидкости, определяется разностью энергий жидкости при выходе из насоса и при входе в насос. , . Эта энергия затрачивается на: 1. Подъём жидкости от уровня расходной до уровня приемной цистерны. 2. На преодоления разности давления в цистернах. 3. На преодоление гидравлических сопротивлений. 4. На создание скорости жидкости. На пункты 1,2,3 расходуется потенциальная энергия, на пункт 4 – кинетическая. Лекция 2 “Основные механические параметры. Классификация насосов” I. Подача насоса, давление насоса, напор насоса, высота всасывания, мощность, КПД. Подача насоса – количество жидкости, поданное насосом в единицу времени. – объемная теоретическая подача, – теоретическая массовая подача, – действительная объёмная подача, – объёмный КПД насоса, . Давление насоса – количество энергии, сообщённое насосом единице массы жидкости, выраженное не по существу в единицах давления. , где – высота подъёма жидкости в насосе, – давление нагнетания, – давления всасывания, – скорость жидкости на выходе из насоса, - скорость жидкости на входе в насос. Первое слагаемое – энергия на подъём жидкости в насосе. Второе слагаемое – энергия на повышение давления. Третье слагаемое – энергия на создание и повышение скорости. Слагаемые 1 и 3 – величины малого порядка, поэтому ими пренебрегают и считают, что давление насоса равно: . Напор насоса – приращение энергии, сообщаемой насосом единице массы жидкости, выражается не по существу в метрах столба жидкости, которую перекачивает насос. – теоретический напор (без учёта потери энергии на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе). – действительный напор (с учётом потерь энергии). – гидравлический КПД насоса. . Высота всасывания – – геометрическая высота (высота центра тяжести сечения потока при входе в насос над уровнем жидкости в расходной цистерне). – вакуумметрическая высота всасывания. Отрицательная величина называется подпором насоса. Положительная величина выражает величину разряжения жидкости при входе в насос. Мощность насоса – работа в единицу времени. Существуют 3 понятия мощности: 1. теоретическая, 2. полезно сообщённая жидкости, 3. подведённая к валу насоса. – теоретическая мощность, – полезная мощность с учётом гидравлических потерь, номинальная, – КПД насоса, – механический КПД. II.Классификации насосов Для классификации насосов используются 2 признака: 1.Преобладающий вид энергии, сообщаемый жидкости рабочим органом насоса. 2.Назначение. В соответствии с 1 признаком насосы делят на две группы: динамического и статического напора. Рабочий орган насоса с динамическим напором сообщает жидкости кинетическую энергию. Приращение энергии происходит за счёт увеличения скорости жидкости. Сообщение энергии происходит в проточной части рабочего органа насоса, через которую непрерывно движется поток, и которая непрерывно сообщается со сторонами всасывания и нагнетания. В соответствии с этими особенностями насосы этой группы – динамические. К динамическим относятся: центробежные, осевые, вихревые и струйные насосы. Рабочий орган насоса со статистическим напором сообщает жидкости потенциальную энергию. Сообщение энергии происходит в рабочих камерах насоса, которые образуют его рабочий объём, и которые сообщаются со сторонами всасывания и нагнетания попеременно. Насосы этой группы называют объёмными насосами (насосы вытеснения). К объемным насосам относятся поршневые, роторные, шестерёнчатые, винтовые, пластинчатые, водокольцевые, роторно-поршневые, радиально-поршневые и аксиально-поршневые. Назначение насоса определяется назначением системы: осушительные, балластные и т.д. В качестве привода насосов используются электродвигатели, при большой мощности – гидравлические приводы. Лекция 3 “Центробежные насосы” Классификация: Центробежные насосы – такие насосы, в которых сообщение энергии жидкости осуществляется за счёт лопастного рабочего колеса, и жидкость движется в межлопастных каналах от оси к периферии. Для классификации центробежных насосов используются 3 признака: 1. Количество ступеней давления. 2. Тип рабочих колёс. 3. Вид подводящего и отводящего устройств. По 1 признаку: одно- и многоступенчатые. Одноступенчатый центробежный насос может быть одно- или многоколёсным: А – одноколёсный, Б – многоколёсный (в этом случае проточные части колёс соединены параллельно). Многоступенчатые выполняются многоколесными: В – последовательная компоновка, Г – параллельная компоновка. Тип рабочих колёс центробежных насосов характеризуется величиной коэффициента быстроходности , который является параметром подобия центробежных насосов. В соответствии с коэффициентом быстроходности, центробежные насосы подразделяются на: – тихоходные, – нормальные, – быстроходные. В качестве отводящих устройств в центробежных насосах используются спиральные отводы, лопастные отводы и комбинированные (лопастной и спиральный). В качестве подводящих устройств в центробежных насосах используются: конические патрубки, конические колена и кольцевые подводы. Спиральные подводы (для насосов с выносными подшипниками). Основным достоинством центробежных насосов являются: • Возможность создания любой величины подачи и напора. • Возможность использования для перекачивания и смазывающих, и не смазывающих жидкостей, в том числе загрязнённых. Основной недостаток – низкая самовсасывающая способность (практически отсутствует). Принцип устройства, действия Рассмотрим на примере одноколёсного одноступенчатого моноблочного насоса с подводящим устройством в виде конического патрубка и спиральным отводящим устройством: 1- корпус 1А – подводящее устройство 1Б – отводящее устройство 1В – камера уплотнения вала 2 – рабочее колесо 2А – задний диск рабочего колеса 2Б – лопасть (лопатка) рабочего колеса 2В – воронка 2Г – передний диск рабочего колеса Центробежный насос не обладает самовсасывающей способностью, поэтому перед началом действия их необходимо заполнять жидкостью. Они устанавливаются ниже уровня цистерны и снабжаются вакуумной ступенью или вакуумным насосом. Когда насос заполнен, происходит следующее: жидкость из всасывающего трубопровода со скоростью 2-3 м/с поступает в подводящее устройство. Здесь с целью предотвращения закрутки потока и сохранения оси симметрии скорость жидкости увеличивается на 10-15%, затем через воронку колеса поток жидкости поступает в межлопастные каналы, где на жидкость действуют силы: тяжести, вязкости, инерции окружного движения, давления лопастей и центробежная. В результате действия указанных сил на каждую частицу жидкости её движение в каналах приобретает сложный пространственный характер (трёхмерный поток). Основных сил две: сила давления лопастей, которая вовлекает жидкость в переносное окружное движение и сообщает жидкости окружную скорость; возникающая центробежная сила, вовлекающая жидкость в поступательное движение в направлении периферии колеса. Движение жидкости в межлопастных каналах сопровождается увеличением скорости до 1 порядка. С такой скоростью жидкость выходит в отводящее устройство. Здесь скорость жидкости преобразуется в давление, после чего поток направляется в нагнетательный трубопровод. Когда насос работает с воздухом, происходит то же самое, но плотность воздуха меньше жидкости в 800 раз. Центробежные силы оказываются незначительными, недостаточными для создания разряжения в корпусе насоса, необходимого для всасывания. Поэтому все центробежные насосы не обладают самовсасывающей способностью, и при попадании в рабочую полость насоса воздуха, насос срывает. Лекция 4 “Теоретический напор центробежного насоса” Движения жидкостей в межлопастных каналах рабочих колёс центробежного насоса является сложным пространственным процессом (трёхмерным потоком). Это обстоятельство затрудняет анализ движения жидкости и вынуждает прибегать к упрощениям. В частности, при рассмотрении вопроса о теоретическом напоре допускают, что жидкость идеальная невязкая, и таким образом исключается действие сил вязкости. Также допускают, что рабочее колесо имеет бесконечно большое число бесконечно тонких лопастей, которые делят проточную часть рабочего колеса на множество межлопастных каналов одинакового профиля. В этом случае все частицы жидкости будут двигаться каждая через свой межлопастной канал по одинаковым траекториям. В результате принятых допущений поток жидкости будет струйным и осесимметричным, а все частицы такого потока будут двигаться по одинаковым траекториям и в каждом данном поперечном сечении потока будут иметь одинаковые скорости, а именно: • Частицы будут иметь переносную окружную скорость, направленную по касательной к окружности колеса , где: – диаметр, – радиус. • Поступательную радиальную скорость, направленную к периферии колеса: , где: – теоретическая подача насоса, – площадь сечения ( – ширина сечения потока). • Относительная скорость, направленная по касательной к лопастям . • Абсолютная скорость, величина и вектор которой, определяется в результате построения параллелограмма скоростей . , – радиусы окружностей входа и выхода, – угол входа и выхода жидкости из колеса, – входной и выходной угол относительной скорости, – дополняющий угол, – окружная скорость жидкости, – проекция вектора относительной скорости на вектор . Вопрос о теоретическом напоре рассматривается с использованием закона о моменте количества движения жидкости. Момент количества движения на обозначим : , где: – масса жидкости перемещаемая с на за время . Момент количества движения на обозначим : . Здесь , т.е. движение жидкости сопровождается приращением момента количества движения. Согласно закону, гласящему что изменение момента количества движения жидкости между двумя сечениями потока равно моменту импульса внешней силы, действующей на жидкость: , где – внешняя сила действия на жидкость (сила давления лопастей), – расстояние от центра вращения колеса до центра приложения силы . Разделим тождество на и умножим на (угловая скорость вращения рабочего колеса). Получим: Подставляя это в исходное выражение, после сокращения равных величин и преобразования относительно , получаем: При безударном входе жидкости на колесо () . Полученное выражение характеризует количество энергии, сообщённое насосом единице массы жидкости, но не отвечает на вопрос, какая это энергия. Ответ получают с помощью теоремы косинусов: Подставляя в выражение для напора, получаем выражение для теоретического напора: Выражение 3 – выражение кинетической энергии, называется динамическим напором. Выражения 1, 2 – приращение потенциальной энергии, которую называют статической составляющей напора. – коэффициент реактивности. Лекция 8 “Отводящее устройство центробежного насоса. Основы подобия, тип рабочих колёс центробежных насосов” Отводящие устройства В центробежных насосах используется 2 вида отводящих устройств: спиральные отводы и лопастные отводы. Спиральные отводы – выполняются литыми вместе с корпусом. В этом случае отводу может быть придан вид (форма), наиболее целесообразный в гидродинамическом отношении. Но внутренние поверхности литых отводов недоступны для механической обработки. В связи с этим из-за шероховатости стенок отвода при движении жидкости в нём возникают потери трения. Учитывая это, литые отводы используются для малой скорости движения, т.е. в насосах среднего и низкого напора. Спиральные отводы используются для последней ступени многоступенчатых насосов: 1. . 2. язык, 3. диффузор, 4. горловина спирали, 5. спиральный участок, 6. – угол охвата спирали, 7. начальная окружность отвода. , где – скорость жидкости, постоянная в поперечном сечении отвода. Площадь поперечного сечения остальных частей уменьшается в направлении горловины к языку спирали, пропорционально уменьшению угла охвата спирали. На спиральном участке скорость преобразуется примерно на 20% давления, а заканчивается этот процесс в диффузоре. Поперечное сечение спирального отвода может быть круглым, каплевидным, трапециевидным или прямоугольным. Наиболее целесообразным с точки зрения скорости является трапециевидная форма сечения с углом раскрытия стенок, увеличивающимся в направлении от языка к горловине спирали. Лопастные отводы – выполняются с прямоугольной формой поперечного сечения межлопастных каналов. Такая форма сечения менее целесообразна в гидродинамическом отношении. Но прямоугольная форма сечения позволяет выполнить механическую обработку стенок каналов и свести к минимуму потери на трение, возникающие при движении жидкости в каналах. Учитывая это, лопастные отводы применяются, когда скорость движения жидкости в отводе высокая. 1. Диск лопастного отвода. 2. Лопасть. 3. Межлопастной канал. 4. Спиральный участок. 5. Диффузор. 6. – начальная окружность; 7. – окружность выхода; 8. – угол входа жидкости; 9. – выходной угол лопасти. ; из отношения: . Число лопастей отвода: . Принцип преобразования скорости такой же, как в спиральном отводе. Составные отводы: лопастной и спиральный. Подобие, тип рабочих колёс Отличающийся высокой сложностью процесс движения жидкости в каналах колёс центробежного насоса не имеет точного масштабного описания, которое позволило бы только расчетным путём находить оптимальные геометрические параметры рабочих колёс. Данные для уточнения расчётов получают опытным путём в результате испытания моделей насосов, создаваемых для этой цели. Такой путь создания центробежных насосов не является единственным. Это объясняется тем, что расчёт центробежных насосов производится с испытанием законов подобия. Это позволяет подобрать модель с высокими параметрами из числа существующих насосов и пересчитать размеры насоса на условия работы с использованием уравнений подобия. Подобие предполагает: 1. Геометрическое подобие проточных частей; 2. Кинематическое и динамическое подобия потоков жидкости. Геометрическое подобие предполагает постоянство пропорциональности любых соответствующих линейных размеров и углов проточных частей рабочих колёс. Для линейных размеров это условие выражается отношением: , где: – линейный размер натурального насоса, – линейный размер модели. Кинематическое подобие предполагает постоянство пропорциональностей скоростей жидкости: . Для переносных окружных скоростей это условие выражается отношением: . Динамические подобия предполагают постоянство пропорциональностей сил, действующих на жидкость в любых соответствующих точках потока. Принимая во внимание условия подобия и используя выражения для подачи, получаем: ; , при ; . Решая их, получаем основные уравнения подобия колёс центробежных насосов. , где – частота вращения модельного насоса. Если насос при напоре создаёт подачу , то . Все центробежные насосы с одинаковой величиной являются подобными. Лекция 10 Вихревые насосы В вихревых насосах сообщение энергии жидкости производится с помощью лопастного рабочего колеса, и жидкость движется в межлопастных каналах данного колеса. Существует два вида вихревых насосов – с открытым и закрытым боковым каналом корпуса насоса. В первом случае насосы называются открыто-вихревые, во втором – закрыто-вихревые. Открыто-вихревые – одноступенчатые, закрытовихревые – одно- и много- ступенчатые; обладают самовсасывающей способностью. Используются для перекачки незагрязненных, маловязких жидкостей и в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокий напор при небольшой подаче. Принцип устройства, действия. Рассмотрим поставленный вопрос на примере открыто-вихревого насоса. Жидкость из всасывающего патрубка поступает в боковой канал корпуса насоса и отводится в нагнетательный патрубок: 1 – боковой канал корпуса; 2 – межлопастной канал; 3 – корпус насоса; 4 – рабочее колесо; 5 – лопасть рабочего колеса; 6 – нагнетательный патрубок; 7 – всасывающий патрубок; Во время действия насоса колесо движется с постоянной скоростью. Из всасывающего патрубка жидкость поступает в боковой канал и оттуда подсасывается в межлопастные каналы рабочего колеса, которое работает как колесо центробежного насоса. В межлопастных каналах на жидкость действуют 2 силы: сила давления лопастей и центробежная. Сила давления лопастей вовлекает жидкость в окружное движение и сообщает ей окружную составляющую скорости. Возникшие при этом центробежные силы вовлекают жидкость в поступательное движение в направлении периферии колеса и сообщают ей радиальную скорость . С такой скоростью жидкость движется через цилиндрическое сечение . Одновременно в межлопастные каналы подсасываются равные количества жидкости. Со скоростью через сечение поток выходит в боковой канал, одновременно из бокового канала через кольцевое сечение подсасывается равное количество жидкости, в боковом канале образуется кольцевой поток жидкости, который движется в направлении вращения колеса, последовательно перемещаясь из межлопастных каналов в боковой канал. В межлопастных каналах увеличивается скорость жидкости, в боковом канале увеличивается давление, поскольку сечения бокового канала больше сечения межлопастных каналов. Напор и подача. Выражение напора вихревых насосов показывают с помощью закона о количестве движения жидкости, развернув в виде прямой линии ось бокового канала. Согласно закону, изменение количества движения секундной массы жидкости между двумя сечениями на участке равно сумме сил действую­щих на жидкость между этими сечениями: 1. – количество движения при входе. 2. – количество движения при выходе. 3. – сила давления на жидкость при входе на участок . 4. – сила давления на жидкость при выходе с участка . – расход жидкости через межлопастные каналы к единице длинны бокового канала. – скорость жидкости. – средняя окружная скорость при выходе из колеса. – площадь сечения бокового канала. – давление жидкости при входе на участок . – приращение давления жидкости на участке . ; ; ; – теоретический напор насоса; . Подача насоса: ; . Движение жидкости в проточной части сопровождается интенсивным вихреобразованием и большими гидравлическими потерями: до В закрыто-вихревых насосах жидкость из всасывающего патрубка поступает в боковой канал и отводится в нагнетательный патрубок через окна в боковых крышках корпуса насоса. Лекция 11 Струйные насосы. Вентиляторы Струйные насосы не имеют движущихся частей. Сообщение энергии жидкости производится за счёт рабочей струи. Для её создания в судовых условиях используется забортная вода или водяной пар, а могут использоваться любые другие жидкости или газы. В соответствии с этим струйные насосы называются водоструйными или пароструйными. В соответствии с назначением они делятся на эжекторы и инжекторы. Эжекторы используются для откачки жидкости из судовых емкостей и помещений. Инжекторы – для подачи жидкости в судовые емкости. Устройства обладают высокой самовсасывающей способностью. Эффективно отсасывают воздух и используются для создания глубоких разряжений, например, в конденсаторах паровых двигателей и в конденсаторах водоопреснительных установок. Принцип устройства, действия Рассмотрим вопрос на примере водоструйного водоотливного эжектора. Данные эжекторы используются в качестве резервных средств в составе судовой осушительной системы. Рабочая вода из системы водяного пожаротушения подводится к патрубку эжектора и выходит из сопла в камеру смешения со скоростью . Вследствие турбулентности движения жидкости в рабочей струе, её частицы выходят за границы рабочей струи, соударяясь с частицами перекачиваемой воды, и увлекают их в камеру смешения. Здесь происходит обмен масс и энергии, и образуются смешанный поток. По завершении этого процесса на верхнем участке камеры смешения происходит выравнивания поля скорости, а на диффузорном участке скорость преобразуется в давление. 1. – камера всасывания 2. – патрубок подвода рабочей воды 3. – сопло 4. – камера смешения 5. – диффузор 6. – участок стабилизации скорости смешанного потока 7. – участок образования смешанного потока. Подача насоса Подачей струйного насоса называют расход жидкости через всасывающий патрубок: , где: – коэффициент эжекции, – расход рабочей воды. Смешанная подача насоса: . Подача струйного насоса зависит от коэффициента эжекции . Выражение для получают с помощью закона о количестве движения жидкости. Согласно закону, изменение количества движения секундной массы жидкости между двумя сечениями потока равно сумме сил действующих на жидкость между этими сечениями, т. е. силе осевого давления. В соответствии с определением получаем: 1. Количество движения при входе в сечение 1. 2. Количкство движения при выходе из сечения 2. 3. Силы действующие на жидкость между сечениями 1 и 2 . – сила осевого давления. Поделив обе части этого уравнения на , получим: , т.к. и невелика, следовательно . После перегруппировки получаем: . После решения относительно , получаем: . – величина малого порядка (скорость перекачиваемой жидкости). Для эжекторов . Характерной особенностью струйных насосов является низкий КПД: . Водоструйные насосы могут использоваться для перекачивания любых жидкостей, кроме высоковязких. Низкий КПД объясняется большими гидравлическими потерями на трение и вихреобразование. ЛЕКЦИЯ 13 Поршневые насосы Классификация насосов Поршневые насосы – насосы, в которых сообщение энергии жидкости производится с помощью поршня, который совершает возвратно-поступа-тельное движение. Для классификации используются два признака: кратность действия – отношение теоретической подачи насоса за один двойной ход поршня к объему, описанному поршнем за один ход: . В соответствии с величиной, поршневые насосы делятся на насосы простого и многократного действия. Двух-, трех-, четырехкратного действия. Насос простого действия – одна рабочая полость: . Насос двукратного действия – один цилиндр, две рабочие полости: (без учета объема штока). Тройного действия – три цилиндра простого действия и коленчатый вал: . Четырехкратного действия – два цилиндра двукратного действия: . В качестве привода поршневого насоса используется электродвигатель и прямодействующие поршневые паровые машины. Достоинства поршневых насосов – высокая самовсасывающая способность, возможность использования для перекачивания смазывающих и не смазывающих жидкостей. Недостатки – сложное устройство, большая масса и габариты. У поршневых насосов прямого и двукратного действия – большая степень напора и подачи. Рассмотрим на примере приводного насоса простого действия: 1. – клапанная коробка (3 полости) a. всасывающая (нижняя) b. промежуточная (сообщена с рабочей полостью) c. верхняя (нагнетательная) 2. – нагнетательный клапан 3. – шток клапанов 4. – КШМ 5. – цилиндр 6. – поршень 7. – рабочая полость цилиндра. 8. – всасывающий клапан Во время действия насоса, поршень совершает возвратно-поступатель-ное движения. При движении вверх давление в цилиндре понижается, открывается всасывающий клапан. Жидкость из всасывающего трубопровода поступает в цилиндр за счет разности давлений в расходной цистерне. При нагнетании, поршень движется вниз, давление увеличивается, клапан закрывается, нагнетатель открывается. Жидкость поступает в нагнетательный трубопровод через промежуточную полость. Поршневые насосы обладают высокой самовсасывающей способностью. Для пояснения рассмотрим случай, когда насос заполнен воздухом. При движении поршня вверх, объем в цилиндре увеличивается, содержащийся воздух расширяется, а давление понижается, что можно показать уравнениями состояния воздуха: – начало всасывания, , где – площадь поршня, – ход поршня. Температура изменяется мало, допускаем, что . Получаем: , , . За счет разности давлений жидкость поднимается во всасывающий трубопровод с каждым ходом поршня выше, заполняет цилиндр, и насос начинает нормальную подачу. Подача поршневого насоса Подача поршневого насоса зависит от площади поршня и от величины его перемещения во время нагнетания. , где – радиус кривошипа; – угол поворота кривошипа; – текущее значение хода поршня. Если поршень переместиться на величину , то: , , где – скорость поршня. , , , . Подача насоса за один оборот (поршня) коленчатого вала равна объёму цилиндра: Подача при непрерывном вращении: . С учётом кратности действия: . Для насосов двух- и четырёхкратного действия учитывается объём, занятый штоком. Действительная подача: , – рабочий объём цилиндра насоса простого действия, – насоса многократного действия. Выше показано, что подача поршневого насоса является величиной переменной, т.к. поршень движется с переменной скоростью, а жидкость при нормальных условиях действия неотрывно следует за поршнем. Это можно показать, построив график подачи. Площадка под кривой (0-6’) равна элементарной подаче насосов, следовательно, вся площадь под кривой (0-6’) равна подаче насоса за один ход поршня. Вывод: подача насоса простого действия – величина переменная, равна Ø в начале и конце хода нагнетания и имеет максимум в средней части хода нагнетания, когда . Подача насоса простого действия отличается неравномерностью. Неравномерность оценивается величиной отношения: , где: – максимальная секундная подача насоса, – средняя подача. Степень неравномерности подачи зависит от кратности действия. Лекция 14 Напор поршневых насосов Напором насоса называют приращение энергии, сообщённое насосом единице массы жидкости. Для поршневого насоса это приращение равно разности энергии жидкости и её напора под поршнем во время нагнетания и всасывания: . 1 – напор жидкости во время нагнетания, 2 – напор жидкости во время всасывания. При выводе выражения для этих параметров, учитывают переменную скорость движения жидкости, используя уравнение неустановившегося движения жидкости, которое описывает изменение энергии единицы массы жидкости при её движении на участке бесконечно малой длины: 1 – изменение удельной энергии жидкости, т.е. энергии единицы массы невязкой идеальной жидкости, движущейся с постоянной скоростью. 2 – энергия, затрачиваемая на преодоления гидравлических сопротивлений. 3 – энергия инерционных сил, действующих на жидкость. Напор под поршнем во время всасывания равен сумме бесконечно малых изменений энергии жидкости по всей длине всасывающего тракта, от приёмного отверстия трубопровода до поршня в данной точке его хода, т.е. получается в результате интегрирования уравнения неустановившегося движения: Интегрирование происходит почленно, а пределы определяются с помощью схемы. – давления на свободную поверхность жидкости в расходной цистерне; – скорость жидкости в направлении приёмного отверстия всасывающего трубопровода; – высота всасывания; – текущее значения хода поршня; – полный ход поршня; – скорость поршня; – напор под поршнем во время всасывания. После интегрирования и суммирования результатов, пренебрегая величинами малого порядка, получаем: , где: 1 – напор под поршнем при всасывании; 2 – следствие атмосферного давления, 3 – следствие гидравлического давления во всасывающем тракте, 4 – следствие скорости жидкости и гидравлических сопротивлений всасывающего тракта, 5 – сопротивления всасывающего клапана, 6 – следствие действия инерционных сил на жидкость, 3, 4, 5, 6 – факторы определяющие величину напора при всасывании, – приведённый коэффициент гидравлических сопротивлений вса­сывающего тракта, – приведённая длина всасывающего тракта. Решая это уравнения относительно , принимаем во внимание, что: . Данные для построения получают в результате суммирования величины составляющих (1-5) с учётом знака. – величина переменная, имеющая минимум в начале и максимум в конце хода всасывания. Ордината между 1 и – потери жидкости во всасывающем тракте на преодоление его сопротивления. Напор под поршнем во время нагнетания Выражения для получают в результате суммирования бесконечно малых изменений энергии жидкости по всей длине нагнетательного тракта: от поршня в данной точке до выпускного отверстия нагнетательного трубопровода, т.е. в результате интегрирования уравнения неустановившегося движения: . После интегрирования и суммирования результатов, пренебрегая величинами малого порядка, получают: , где: 1 – следствие давления жидкости. 2 – следствие высоты подъёма жидкости. 3 – следствие скорости жидкости и гидравлических сопротивлений нагнетательного тракта. 4 – следствие сопротивления нагнетательного клапана. 5 – следствие инерционных сил, действующих на жидкость. 6 – сопротивление нагнетательного тракта. – приведённый коэффициент гидравлических сопротивлений нагнетательного клапана. – площадь поршня. – площадь сечения нагнетательного трубопровода. – приведённая длина нагнетательного трубопровода. – величина переменная, имеет максимум в начале и минимум в конце хода нагнетания. Методы стабилизации напора и подачи. Неравномерность напора объясняется переменной скоростью жидкости. Для уменьшения степени неравномерности необходимо выравнивать скорость жидкости. Существуют два пути – увеличение кратности насоса и использование гидрогазовых аккумуляторов. Влияние кратности: при увеличении кратности начиная с начинается выравнивание скорости жидкости и уменьшается степень неравномерности подачи и напора. , где: – радиус кривошипа; – площадь поршня; – сечение трубопровода. , , . При и степень неравномерности подачи и напора уменьшается за счет наложения подач цилиндров. Это происходит во всасывающей и нагнетательной полостях и в трубопроводах. Радиально-поршневые насосы Нерегулируемый радиально-поршневой насос: 1. – направляющее кольцо. 2. – блок цилиндров. 3. – цапфа. 4. – роликовый узел. 5. – перегородка цапфы. 6. – окно нагнетания. 7. – окно всасывания. Ротор посажен на цапфу со скользящей посадкой. Роликовые узлы поршней располагаются в Т-образном пазу направляющего кольца. Цапфа и блок цилиндров установлены с эксцентриситетом по отношению к оси направляющего кольца. Во время действия ротор вращается с постоянной угловой скоростью в своей паре подшипников. Роликовые узлы обкатываются по поверхности направляющего кольца, в результате поршни совершают возратно-поступательное движение в цилиндрах. В левой верхней части круга вращения происходит всасывание, а в нижней – нагнетание. ; ; ; ; . Существуют насосы, у которых направляющее кольцо может перемещаться относительно горизонтальной оси, в результате чего изменяется величина и знак эксцентриситета. При изменении величины изменяется ход поршней и подача, а при изменении знака – направление потока. Возможности использования ряда поршневых насосов ограничиваются величиной давления, которое не должно превышать 14Мпа, в противном случае резко увеличиваются контактные нагрузки на поверхности колец и потери на трении. Аксиально-поршневые насосы Существуют два вида такого рода насосов: с наклонным блоком цилиндров и с наклонным диском. Принцип действия насоса с наклонным блоком цилиндров: Вал насоса вращается с постоянной угловой скоростью . Вместе с валом вращается фланец, сферические головки поршневых шатунов. Блок цилиндров вращается относительно оси блока, момент вращения передаётся блоку через поршень. При вращении по часовой стрелке в левой части происходит всасывание, а в правой части круга – нагнетание. Напор, подача Напор образуется давлением поршней на жидкость. , где – рабочий объём, – рабочий объём цилиндра, , r – радиус круга вращения сферических головок поршневых шатунов, γ – угол наклона оси блока цилиндров. Особенностью этих насосов является подвижный блок поршней. Это позволяет изменять величину и знак γ. При изменении величины изменяется подача насоса, а при изменении знака γ изменяется направление подачи. Достоинства – высокий напор (до 20МПа). Насос с наклонным диском 1 – Блок цилиндров. 2 – Цилиндр. 3 – Поршень. 4 – Сферическая головка поршня. 5 – Стакан скользящей опоры. 6 – Скользящая опора поршня. 7 – Диск. Вместе с валом вращается блок цилиндров, поршни и скользящие опоры поршня. В результате наклона диска, поршни совершают возвратно-поступательное движение . Лекция 19 Объемные гидроприводы Объёмный гидропривод – это комплекс оборудования для выполнения 2-х функций: передача энергии и преобразования движения с помощью жидкости. В состав гидропривода входят как минимум две гидродинамические машины: объёмный насос и объёмный гидродвигатель, гидроаппаратура, гидролинии, вспомогательные устройства. В основу действия гидропривода положены два свойства жидкости: низкая сжимаемость и способность передавать производимое внешнее давления во всех направлениях без изменения величины. Рабочей жидкостью в судовых гидроприводах является масло. Под действием силы поршень цилиндра 1 движется вниз, вытесняя жидкость в цилиндр 2. Жидкость не сжимается, в результате поршень цилиндра 2 движется вверх, преодолевая силу , которая является внешней нагрузкой. За исключением потерь на сжатие и преодоление гидравлических сопротивлений и объёмных потерь, вся энергия, затраченная на передвижение поршня цилиндра 1, передаётся цилиндру 2. , где – скорость жидкости. – площадь поршня. – давления в цилиндре. – подача цилиндра 1. – мощность потока масла. При необходимости происходит преобразование движения. Классификация гидроприводов Для классификации гидроприводов используется 4 признака: 1. Характер движения выходного звена. Выходное звено гидропривода – шток или вал гидродвигателя. 2. Направление действия выходного звена. 3. Способ управления действием. 4. Давление масла. По первому признаку гидроприводы делятся на поступательные, поворотные, вращательные. По второму признаку: нереверсивные, реверсивные (одностороннего, двухстороннего действия). По третьему признаку: нерегулируемые, регулируемые. Регулируемый параметр – скорость движения выходного звена. По четвёртому признаку: низкого давления (), среднего давления (), высокого давления (). Перспективным является привод высокого давления. Гидроприводы могут быть индивидуальными или групповыми. Индивидуальные – гидроприводы, имеющие один гидродвигатель и один гидронасос для привода в действии одного механизма. Групповой гидропривод – насосная станция из 2-х, 3-х насосов и несколько гидродвигателей. Достоинства: • возможность плавного бесступенчатого (в широком диапазоне) регулирования скорости и создания больших передаточных отношений: • возможность быстрого изменения режима действия, т.к. гидравлические двигатели обладают низкой инерционностью, • возможность простой и надёжной защиты от перегрузок с помощью предохранительных клапанов, • простота преобразования движения, • высокая надёжность действия в морских условиях. Недостатки: • высокая чувствительность к загрязнениям масла (механические примеси, вода), • КПД ниже КПД электропривода, • сложность использования в условиях низких температур. Гидравлические схемы Существует два типа принципиальных схем гидроприводов: схемы с разомкнутой и с замкнутой циркуляцией масла в главном контуре. I. Схема с разомкнутой циркуляцией масла в главном контуре на примере индивидуального нерегулируемого поступательного реверсивного двигателя. 1. – масляная цистерна. 2. – предохранительный клапан. 3. – гидропереключатель. 4. – гидродвигатель. 5. – трубопроводы главного контура. 6. – насос. Насос находится в действии постоянно, когда нет расхода масла на гидродвигатель, вся подача масла через предохранительный клапан отводится в масляную цистерну. Достоинства – простота и низкая стоимость оборудования. Недостаток – низкий КПД, когда нет расхода масла на гидродвигатель, подача насоса отводится в масляную цистерну. Область применения – гидроприводы низкой мощности с кратковременным периодическим использованием (Пример: гидропривод крышек трюмов). II. Гидроприводы с замкнутой циркуляцией масла в главном контуре на примере индивидуального, регулируемого, реверсивного, вращательного гидропривода. 1 – насос подпитки. 2 – трубопровод подпитки. 3 – главный насос. 4 – клапан подпитки. 5, 6 – главный масляный трубопровод. 7 – вращательный двигатель. 8 – трубопровод отвода протечек масла. Главный насос находится в действии постоянно. Когда нет расхода масла на гидродвигатель, подача насоса равна Ø. Достоинство: высокий КПД, т.к. нет режима с избытком подачи. Область применения: гидроприводы большой мощности с длительным периодом (пример: приводы грузовой лебёдки крана или рулевой машины). Лекция 20 Оборудование объемных гидроприводов I. Гидролинии. Гидролинии – общее название масляных трубопроводов гидропривода. Выполняются из стальных бесшовных труб. Соединения штуцерные при высоких давлениях и небольших диаметрах, фланцевые применяются при больших давлениях и небольших диаметрах. В гидравлических схемах обозначаются: главный масляный трубопровод сливной и напорный, дреннажный трубопровод, вспомогательный трубопровод. Тонкой контурной линией могут быть изображены все трубопроводы. II. Гидроаппаратура. Гидроаппаратура – общее название устройств для управления потоком масла. Сюда относятся гидропереключатели, дроссели и клапаны. Гидропереключатели – устройства для изменения направления потока масла. Бывают трёх типов: золотниковый, клапанный, крановый. В составе судового гидропривода используются золотниковые переключатели. В гидравлических схемах переключатели изображаются в виде прямоугольников, которые делятся на квадраты. На поле каждого квадрата изображаются стрелки, указывающие направления потока масла. -3/5 – трёхпозиционный-пятиканальный; -2/2; -3/5; Дроссель – устройство для ограничения расхода масла. -нерегулируемый дроссель большого сечения; -регулируемый дроссель большого сечения; -(диаметр 0,8) дроссель с малым проходом сечения; -запорный клапан; -невозвратный клапан; -невозвратный нормально закрытый; -предохраняющий клапан (перед собой); -редукционный клапан (держит давления после себя); -челночный клапан; -предохранительный клапан; -блок гидроаппаратуры. III. Вспомогательные устройства. -фильтр; -маслоохладитель; -цистерна; К насосу гидропривода предъявляют ряд требований: 1. высокий напор. 2. высокая подача. 3. низкая степень неравномерности подачи. 4. жёсткая напорная характеристика, при которой напор насоса мало зависит от подачи. Указанным требованиям удовлетворяют: шестерёнчатые, винтовые, пластинчатые, радиально-поршневые и аксиально-поршневые насосы. -нерегулируемый насос; -регулируемый насос с постоянным направлением потока масла; -насос с изменяемым направлением потока масла; IV. Гидравлические двигатели. -силовой поршневой гидроцилиндр двухстороннего действия; -силовой поршневой гидроцилиндр одностороннего действия; -силовой плунжерный гидроцилиндр; -силовой лопастной гидроцилиндр; -гидромотор нереверсивный нерегулируемый; -регулируемый реверсивный гидромотор. Аксиально-поршневые гидромоторы Высокооборотные низкомоментные реверсивные нерегулируемые и регулируемые моторы высокого давления. Принцип действия рассмотрим на примере нерегулируемого нереверсивного мотора. Вал мотора вращается с постоянной угловой скоростью под действием момента, который образуется в результате того, что между валом и осью блока цилиндров имеется угол γ. Масло, поступающее в цилиндр, действует на поршень с силой : , где – давление масла в цилиндре. Эта сила приложена в центре сферической головки поршневого шатуна, соединённого с фланцем вала мотора, и имеет два состояния: – перпендикулярно плоскости фланца, – в плоскости фланца вала. образует момент относительно оси вала, который передаётся подшипниковому узлу, а сила образует момент относительно оси вала (текущий момент цилиндра ). . Сумма текущих моментов от действия всех цилиндров приводит вал насоса во вращательное движение с частотой . ; , , , , – мощность потока масла, , , , . У регулируемого мотора блок цилиндров находится в мольке. Лекция 22 Рулевые машины. Классификация рулевых машин 3 ТИПА: механические, электромеханические и гидравлические. Современные суда используют гидравлические рулевые машины. В состав гидравлической рулевой машины, так же, как в состав гидропривода другого назначения, входят: гидравлический двигатель (рулевой привод), один или два главных насоса и вспомогательные насосы, масляные трубопроводы, гидроаппаратура и вспомогательные устройства. Основной классификационный признак – тип рулевого привода. В качестве гидравлических двигателей используются силовые поршневые или плунжерные гидроцилиндры или лопастные гидроцилиндры неполноповоротного действия. В соответствии с этим гидравлические рулевые машины бывают: плунжерные, поршневые и лопастные. В составе гидравлической рулевой машины независимо от типа используются регулируемые и нерегулируемые главные насосы. В первом случае получают более высокий КПД, во втором – выше быстродействие и точность отработки заданного угла. Требования РМРС к рулевым машинам. Согласно правилам РМРС морское судно должно иметь главный и вспомогательный рулевой приводы. Главный рулевой привод должен обеспечивать поворот полностью погруженного руля на полном ходу судна (переднем) из диаметральной плоскости на угол 35° правого и левого борта. При тех же условиях гидравлический рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с борта 35° на борт 30° за время 28 сек. Вспомогательный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля с борта 15° на борт 15° за время 60 сек. при скорости судна 0,5 полного переднего хода, но не менее 7 узлов. На химовозах, газовозах, танкерах, за исключением атомных перевозящих сыпучие химические грузы свыше 10000т, на остальных судах вместимостью более 70000т рулевой привод должен быть сдвоенным, а вспомогательный рулевой привод не требуется. Сдвоенной будет и рулевая машина. На указанных выше судах, а также на судах со сдвоенными рулевыми машинами, включая пассажирские и атомные, требования по части угла и времени перекладки руля должны выполняться на судах более 10000т и свыше 70000т. Эти требования должны выполняться при использовании одной части рулевого привода и одного главного насоса, на остальных судах – 2-х частей рулевого привода и одного главного насоса. Во втором случае мощность главных насосов будет меньше. Если румпельное отделение частично или полностью располагается ниже ватерлинии, судно должно оборудоваться аварийным рулевым двигателем с ручным или электрическим приводом или электронасосным агрегатом. Аварийный двигатель должен обеспечивать перекладку руля с борта на борт при скорости судна не менее 4-х узлов. Судно должно иметь два поста управления действием рулевой машины – местный пост и пост дистанционного управления. Расхождения указателей истинного положения пера руля (на корпусе машины) и дистанционного указателя должны удовлетворять требованииям РМРС. Взаимодействие руля с потоком воды. Нагрузка рулевого привода Современные суда снабжаются небалансирными или балансирными обтекаемыми рулями симметричного профиля. У небалансирных рулей ось совпадает с передней кромкой, у балансирных рулей ось находится за передней кромкой. Когда такой руль находится в потоке воды, как изолированная пластина, обе его плоскости обтекаются потоком воды с одинаковой скоростью. Возникающие гидродинамические силы, действующие на плоскость руля, взаимно уравновешиваются. Когда руль повёрнут и находится под углом атаки к потоку, условия обтекания плоскости руля изменяются. Объясняется это тем, что обтекание профиля сопровождается интенсивным вихреобразованием в пограничном слое. При этом образуется циркуляционное движение воды вблизи профиля, направленного при положительном угле атаки против часовой стрелки, а при отрицательном – по часовой стрелке. Циркуляционное движение накладывается на основной поток, что приводит к изменению скоростей обтекания плоскостей руля, давления на плоскости и возникновению гидродинамической силы давления на руль , приложенной в центре гидродинамического давления. Сила раскладывается в двух координатных системах: в системе потока и в системе руля. В системе потока одна из осей совпадает с вектором , а сила раскладывается на подъёмную силу , направленную перпендикулярно и силу сопротивления, совпадающую по направлению с . В системе руля сила раскладывается на нормальную гидродинамическую силу давления на руль, перпендикулярно хорде профиля, и тангенциальную силу по хорде профиля. Сила создаёт крен судна и дрейф судна на циркуляции. Силы и увеличивают боковое сопротивление судну. Сила создаёт два гидродинамических момента: – момент относительно оси руля, – относительно оси судна . Лекция 24 Функции масел. Требования к маслам гидроприводов Масло гидропривода выполняет следующие основные функции: • с помощью масла осуществляется передача энергии, следовательно, оно должно иметь высокую упругость; • с помощью масла снижаются потери на трение и уменьшается износ трущихся пар, следовательно, оно должно обладать необходимым антифрикционным свойством (и антикоррозийными свойствами); • с помощью масла отводится тепло, следовательно, оно должно иметь высокую теплоёмкость и высокую теплопроводность; • с помощью масла отводятся продукты естественного износа трущихся пар и продукты окисления масла (моющие свойства). В соответствии с указанными функциями назначаются качественные показатели и марка масла. Качественные основные показатели масла гидропривода Вязкость – 1,5÷3,5 ˚ВУ (6÷23 сСт) при температуре 50˚С. Содержание механических примесей (зольность) – 0,005÷0,014% в сухом остатке. Температура застывания – на 10-20˚С ниже температуры окружающего воздуха. Температура вспышки – 150÷160˚С. Важнейший качественный показатель – упругость масла, зависит от количества воздуха в масле. Содержание избыточного воздуха снижает точность и быстродействие гидропривода, кроме того, присутствие воздуха ускоряет коррозионные процессы и окисление масла, следовательно, масло гидропривода необходимо деаэрировать: выпустить избыточный воздух из масляных трубопроводов, выпуск воздуха при сливе масла обязательно под уровень. Основные марки масел гидропривода: • при низких температурах: АУ, МВП, АМПО, АМГ10; • для помещений (рулевая) И20А. Сроки службы масел: без присадок – 1 год, с присадками – до 3-х лет. Лекция 25 Якорные и швартовые механизмы. Якорные механизмы Комплекс оборудования, механизмов для отдачи и подъёма якорей и удержания судна на якорной стоянке, является частью якорного устройства судна, в состав которого входят: Якоря, якорные цепи, якорные клюзы, стопоры крепления якорных цепей, цепные ящики, устройства для крепления первого звена якорной цепи. Количество якорей и их масса, длина и калибр якорных цепей определяются величиной характеристики снабжения судна , которая является параметром, учитывающим все силы действующие на судно во время якорной стоянки. , где Δ – водоизмещения судна, В – ширина судна, h – расстояние от настила самой верхней рубки до летней ватерлинии, А – парусность судна в пределах его длины. Для выбора якорей, цепей в соответствии с величиной используются таблицы, где приводятся необходимые данные. (самое маленькое морское судно). Становые якоря – 2. Масса – 180кг. Длина двух якорных цепей – 220м. Калибр цепи – 14мм. =16000. Становые якоря – 3. Масса каждого – 46000кг Длина двух якорных цепей – 770м Калибр – 162мм. В соответствии с правилами РМРС морское судно должно иметь два рабочих становых якоря и, соответственно, два якорных механизма. Существует 3 типа якорных механизмов – брашпили, шпили (якорные), якорные приставки к швартовной лебёдке. Брашпили – сдвоенные якорные мехонизмы с горизонтальным расположением грузового вала. Шпили – якорные механизмы одноякорные с вертикальным расположением грузового вала. Якорные приставки – одноякорные механизмы с горизонтальным расположением грузового вала. Брашпили используются на судах небольшой ширины, не имеющих бульбообразной носовой оконечности. Якорные шпили используются на судах большой ширины с бульбообразной оконечностью в тех случаях, когда необходимо уменьшить площадь бака, занятую якорным механизмом. Якорные приставки – используются на судах большой ширины с бульбом, а также в тех случаях, когда привод якорного механизма необходимо убрать в помещения под полубаком. Якорные механизмы снабжаются швартовными барабанными турачками и могут использоваться, кроме основного своего назначения, для швартовных операций. В качестве привода якорных механизмов используются электродвигатели и гидроприводы. Якорно-швартовные механизмы – механизмы ответственного назначения, их проектирование, производство, эксплуатация осуществляются под надзором РМРС. Требования: Якорный механизм должен обеспечивать выбирание одной якорной цепи и якоря со скоростью не менее 9 метров в мин. при расчётном тяговом усилии: , где: k – категория прочности цепи, (3 категории: обычная, повышенная, особо прочная) d – калибр цепи; и непрерывном действии в течение не менее 30-ти минут. При отрыве якоря от грунта в течение 2-х мин. Якорный механизм должен действовать с перегрузкой 1-1,5 Р; должен иметь 3-х скоростной привод. Выбирание якоря: 9м/мин (метров в минуту) Подход к клюзу: 10м/мин Втягивания в клюз: 7м/мин Швартовные механизмы Швартовный механизм – механизм для подтягивания судна к причалу, удержания судна у причала, перемещения судна вдоль причала на небольшие расстояния. Он является частью швартовного устройства судна. В швартовный механизм входят: канаты, клюзы, роллсы, киповые планки, тормоза швартовных канатов, кнехты, банкеты, вьюшки, кранцы. Существует 2 типа швартовных механизмов – швартовные шпили и швартовные лебёдки. Шпиль с вертикальным грузовым валом снабжается швартовым барабаном, привод которого находится под палубой. Швартовная лебёдка, у которой грузовой вал горизонтальный, снабжается барабаном (швартовным) на который укладывается швартовный трос. Швартовный барабан насажен на грузовой барабан скользящей посадкой. В соответствии с РМРС к швартовным механизмам предъявляется ряд требований: 1. Швартовный механизм должен обеспечивать выбирание швартовного троса со скоростью не более 12м/мин при тяговом усилии не более 1/3 разрывного усилия швартовного каната при непрерывном действии не менее 30мин. 2. В течение 2 мин швартовный механизм должен обеспечивать выбирание швартовного каната при тяговом усилии 1,5 расчётной величины. Швартовный механизм должен иметь автоматически замыкающийся тормоз для удержания каната при тяговом усилии 1,5 расчётной величины. Количество швартовых канатов, их длина и разрывное усилие определяется величиной (характеристика снабжения судна). Для этого используются таблицы: =50 3 каната, длина 80м каждый, усилие разрыва 34кН, =16000 21 канат, длина 200м, усилие 765кН. Автоматическое швартование Автоматизация швартования начинается послетого, как все концы поданы на берег, и судно находится на месте стоянки. После этого рукоятка управления переводится в положение вира и фиксируется в этом положении. Затем при использовании гидропривода в действии остаётся только один насос насосной станции (или специальный насос автоматического швартования), который поддерживает постоянное давление в напорном трубопроводе. , где: – постоянный момент гидромотора. А момент внешней нагрузки изменяется. Когда он становится выше момента мотора – лебёдка травит канат, (гидромотор действует в насосном режиме), а при появлении слабины – наоборот. При использовании электропривода лебёдка снабжается устройством для изменения натяжения швартовного каната – механическим (весы) или электронным измерителем упругой деформации. Лебёдки снабжаются звуковой, световой сигнализацией информирующей о минимальном остатке каната на барабане (не менее 10 витков). Скорость выбирания установлена для первого слоя навивки каната. Лекция 26 Конденсационные установки Комплекс оборудования для сбора и конденсации отработанного пара от паровых двигателей, называется конденсационной установкой. В соответствии с назначением, конденсационные установки делятся на главные (главных паровых двигателей) и вспомогательные (вспомогательных двигателей). В состав конденсационной установки входят: конденсатор отработанного пара и системы обслуживания конденсатора. Для конденсации пара необходимо наличие центров конденсации и отвода тепла (от парообразования). Центры конденсации – ряды трубок, а отвод тепла осуществляется с помощью охлаждающей среды. Отвод тепла от пара может осуществляться в результате непосредственного соприкосновения пара и охлаждающей среды, или в результате теплообмена через стенку. В зависимости от этого различают 2 вида конденсаторов: смесительные и поверхностные. В судовых конденсационных установках используются поверхностные конденсаторы, что позволяет применять для отвода тепла забортную воду. Для классификации конденсаторов судовых конденсационных установок используют три признака: главные и вспомогательные, давление в паровом пространстве (атмосферное и вакуумное), способ циркуляции охлаждающей воды (с естественным – самопроточный и принудительный). Принцип устройства, действие Главная конденсационная установка – установка, снабжённая вакуумными двухходовыми конденсаторами с принудительной циркуляцией. I. – конденсатор, II. – система охлаждения, III. – циркуляционный насос, IV. – конденсатный насос, V. – конденсатная система, VI. – система отсоса воздуха, VII. – пароструйный эжектор, VIII. – охладитель эжектора, 1. – бочка, 2. – горловина конденсатора, 3. – трубки конденсатора, 4. – крышка конденсатора (со стороны подводы – передняя), 5. – перегородка передней крышки (делит трубный пучок конденсатора на две последовательно соединённые группы трубок – двухходовой конденсатор), 6. – трубная доска передняя, 7. – промежуточная доска, 8. – сборник конденсата, 9. – продольные трубные доски (увеличение жёсткости досок), 10. – трубная доска задняя, 11. – крышка конденсатора задняя, 12. – межтрубная перегородка (отделяет от трубного пучка группу трубок, которые образуют воздухоохладитель, здесь полностью заканчивается процесс конденсации), 13. – трубный пучок (у главных конденсаторов таких пучков 2, между ними образован свободный канал, через который к пучкам подводится 10 – 12 % отработанного пара для регенеративного подогрева конденсата, стекающего с трубок). Такой конденсатор – регенеративный. Чтобы конденсатор выполнял свои функции, необходимо обеспечить: • непрерывный отвод тепла с помощью системы охлаждения, • непрерывный отвод конденсата, • непрерывный отвод воздуха, поступающего в конденсатор с отработанным паром и через неплотности соединений конденсатора. Системы конденсатора снабжаются насосами: Система охлаждения осуществляется циркуляционными, центробежными одноступенчатыми быстроходными насосами. В системе работают два регулируемых двухскоростных насоса. Конденсационная система включает в себя два двухступенчатых нерегулируемых центробежных насоса, один из которых – рабочий, второй – резервный. Система отсоса воздуха – двух-, трёхступенчатая с пароструйным эжектором. Главный конденсатор может быть двухпоточный. В этом случае с помощью крышек конденсатора трубный пучок делится на 2 параллельных двухходовых пучка, через которые независимо движутся потоки охлаждающей воды. Достоинство такого конденсатора – возможность выполнять профилактику без остановки судна. Особенности конденсации пара В конденсаторах поверхностного типа пар конденсируется не в паровом пространстве, а на поверхности охлаждения, и в зависимости от условий процесса конденсации различают: капельную и плёночную. Капельная конденсация возможна на несмачиваемых поверхностях и при низких паровых нагрузках. В судовом конденсаторе таких условий нет, т.к. их рассчитывают для действия с высокими паровыми нагрузками. Например, для конденсаторов ГТЗА – 30÷40 кг пара в час на квадратный метр площади охлаждения. При этом трубки конденсатора покрываются плёнкой конденсата. На плёнку конденсата действуют сила тяжести и сила трения паровоздушной смеси. Под действием указанных сил, плёнки смываются на тыльную часть трубок, обрываются и стекают в сборник конденсата. Характерной особенностью конденсации пара в конденсаторах паровых двигателей является присутствие воздуха, который поступает в конденсатор с паром и через неплотности соединений, если конденсатор вакуумный. Воздух в смеси понижает парциальное давления пара. Отсюда следует понижение температуры конденсации и, как следствие, переохлаждение конденсата. Давление в паровом пространстве конденсатора, допуская погрешность на движение паровоздушной смеси, в соответствии с законом Дальтона можно представить в виде суммы: , где: – давление в любой точке парового пространства, – порциальные давления пара и воздуха. Используя уравнения состояния пара и воздуха, получаем: – массовые расходы пара и воздуха, – объёмные расходы пара и воздуха. Величины и в составе паровоздушной смеси взаимообусловлены, а выражение, характеризующее зависимость между величиной этих параметров получают в результате совместного решения выражений для этих параметров. В результате деления левых и правых частей в выражении для и , получаем: , и – т.к. пар и воздух в конденсаторе имеют одинаковый объём. Учитывая, что , и принимая, что – относительное содержание воздуха, получаем: . Подставляя в выражения для , получаем: . Отсюда парциальное давления имеет вид: . Следовательно, величина в любой точке пространства конденсатора зависит от давления смеси в этой точке и относительного содержания воздуха в этой точке. Величина при движении пара (смеси) от горловины к сборнику конденсата понижается, т.к. часть энергии расходуется на преодолении сопротивления трения. В результате при выходе из трубного пучка: , где: – паровое сопротивления конденсатора. При движении паровоздушной смеси и выходе из трубного пучка, пар конденсируется и его масса уменьшается, а масса воздуха остаётся неизменной или увеличивается за счёт подсосов. В результате, при выходе из трубного пучка . В соответствии с указанными изменениями изменяется (уменьшается) и температура конденсации. Разность – переохлаждение конденсата, – температура конденсата. Причины переохлаждения конденсата: 1. паровое сопротивления конденсатора , 2. присутствие воздуха. При переохлаждении увеличивается расход тепла на подогрев воды, и повышается интенсивность кислородной коррозии конденсационных магистралей и паровых котлов. При совместном отводе конденсата и воздуха (вспомогательные конденсаторы). . При раздельном отводе конденсата и воздуха . В регенеративных конденсаторах с раздельным отводом конденсата и воздуха . Лекция 28 Водоопреснительные установки Существует необходимость использования дистиллированной воды, а именно: 1. Для первоначального заполнения паровых котлов и конденсатно-питательных магистралей системы охлаждения ДВС. 2. Для технических целей. 3. Для хозяйственно-бытовых нужд. 4. В экстремальных условиях – для приготовления пищи и питья после обеззараживания, насыщения солями и аэрации. Для дистиллята используется забортная вода. Существует 3 метода получения дистиллята: 1. Гиперфильтрация (пропускание воды через молекулярные фильтры). 2. Пропускания воды через ионно-обменные фильтры. 3. Термическое обессоливание – испарение. Первые два метода имеют недостатки: • большая масса и габариты на единицу производительности, • большой расход энергии, • высокая стоимость. С указанной точки зрения для судов целесообразным является третий метод, который положен в основу действия судовых водоопреснительных установок. В результате кипения воды, на нагревательной батарее образуется накипь. Бесповерхностная водоопреснительная установка Кипение происходит в потоке питательной воды, поступающей в камеру испарения. Такие установки многоступенчатые с высокой производительностью и используется на судах, где требуется большой расход дистиллята. Для подогрева питательной воды в таких установках используется отработавший пар или пар из отбора турбины. Трехступенчатые установки серии М 1. Подогрев питательной воды. 2. Охладители эжектора. 3. Пароструйный эжектор. 4. Отбойный козырёк. 5. Подводящий патрубок Питательная вода нагревается подогревателем до температуры на 10-15° выше температуры кипения в камере испарения ступени, т.е. она поступает в камеру первой ступени в перегретом состоянии. Вода подводится в камеру через подводящий патрубок. Здесь температура и давление понижаются до температуры и давления в камере. Освобождается часть тепла и образуется некоторое количество вторичного пара. Вторичный пар поднимается в конденсатор, а рассол перетекает в следующую ступень где давление ниже, чем в предыдущий камере и т.д. На единицу затрачиваемого тепла получают больше дистиллята. Накипь в подогревателе питательной воды не образуется т.к. она не нагревается до температуры кипения при давлении в подогревателе. В камере испарения накипь не образуется. Лекция 29 Понятия термического обессоливания воды Понятие термического обессоливания воды связанно с представлением о её молекулярной структуре. С указанной точки зрения морская вода – смесь, состоящая из молекул воды и ионов растворённых солей. Молекул воды больше, чем ионов. Ионы окружены молекулами воды и удерживают их силами электростатического притяжения. Ионы связывают около 10% молекул воды, а остальные молекулы воды свободны. Комплексы из ионов солей и молекул воды называют сольваты. Сольваты тяжелее молекул воды примерно на порядок. При термическом обессоливании воду нагревают. В результате усиливается интенсивность теплового движения молекул воды и сольватов. Молекулы воды, масса которых ниже, разгоняются до высоких скоростей, легко преодолевают межмолекулярное притяжение, натяжение поверхностного слоя воды и вылетают из водяного объёма, образуя вторичный пар. Сольваты с большей массой при данном подводе тепла разогнаться не могут и не могут преодолеть натяжения поверхностного слоя воды и остаются в водяном объёме. Т.е. при термическом обессоливании воды поверхностный слой выполняет функцию фильтра, через который проходят молекулы воды и не проходят сольваты. Такую картину можно наблюдать при очень низких подводах тепла. Судовые водоопреснительные установки испаряют воду при высоких подводах тепла с целью уменьшения массы и габаритов установки. Вода кипит и в паровое пространство выходят паровые каверны, в которых содержаться капли испаряемой воды. Каверны выходят через зеркало испарения с высокой скоростью, разрушая поверхностный слой. При этом образуются брызги, которые захватываются потоком пара, выносятся в сепаратор, где происходит их отделение, однако мелкие капли остаются в потоке пара. По этой причине пар влажный насыщенный, а дистиллят солёный. Продувание и питание водоопреснительной установки Соли – источник образования накипи. Они содержатся в остатке испаряемой воды (рассол). Интенсивность накипеобразования зависит от состава солей, их концентрации и температуры кипения. Состав солей в морской воде в любой точке океана одинаков. Концентрация солей различная. При данной концентрации солей основным фактором интенсивности накипеобразования является температура кипения. Основные пути предупреждения роста солёности рассола и понижение интенсивности накипеобразования: • понижение температуры кипения (вакуумное испарение), • продувание установки. Количество солей, которое необходимо непрерывно отводить из водоопреснительной установки с продуванием, определяется в результате анализа солевого баланса установки. Солевой баланс водоопреснительной установки – равенство подводимого и отводимого количества солей. – количество отводимого дистиллята и рассола, – соленость дистиллята забортной воды, рассола (миллиграммы на литр), , , – коэффициент продувания водоопреснительной установки, , . Из выражения для ε, пренебрегая , можно получить выражение для солёности: . Можно проанализировать выражения для ε и : при снижении солёности рассола повышается расход энергии на продувание и стоимость дистиллята. Учитывая это, для судовых водоопреснительных установок принимают ε. ε 0,5 3 1 2 2 1,5 3 1,33 4 1,25 5 1,2 Солёность дистиллята зависит от влажности вторичного пара. Влажность вторичного пара зависит от скорости подъёма пара в паровом пространстве и от солёности рассола. Недостаток проволочной набивки приводит к коррозии.