Transcript 05_Áramlástani szivattyúk 1

Működési elv és általános jellemzők
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
1
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
2
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
3
A működési elv



Járókerék
Lapátok
Ház
A forgó járókerék speciális kialakítású lapátjainak köszönhetően a
járókerékre érkező folyadék mozgási energiája megnő, amely
mozgási energia növekmény a járókerék és/vagy a járókereket
befoglaló
ház
alkalmas
kialakításának
köszönhetően
nyomásnövekedést eredményez.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
4
A radiális kiömlésű szivattyú jellemző
szerkezeti felépítése
Lapát
Ház
Járókerék
Szállítás
Szívás
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
5
A radiális kiömlésű szivattyú jellemző
szerkezeti felépítése
•
•
•
Író Béla
Jó mechanikai hatásfok
Csekélyebb és változó volumetrikus
hatásfok
Széles tartományban változó hidraulikai
hatásfok
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
6
A folyadék mozgása a radiális átömlésű
járókerékben
c2
w2
u
w
c
β
Író Béla
β2
u2
a járókerék kerületi sebessége (szállító sebesség)
a járókeréken átáramló folyadék sebessége a járókerékkel
együtt mozgó megfigyelő szempontjából (relatív sebesség)
a járókeréken átáramló folyadék sebessége a nyugvó
koordináta rendszerben lévő megfigyelő szempontjából
(abszolút sebesség), ami az előző kettő vektoriális összege
a lapát érintője és a kerületi sebesség által bezárt szög
(lapátszög) Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
7
A szállítómagasság
A járókerék által a folyadéknak átadott energia
mennyisége, a járókeréken átáramló folyadék
súlyegységére vonatkoztatva, ami megegyezik a
járókerék hajtásához szükséges teljesítmény és a
szállított folyadék tömegáramának hányadosával
(J/N=W/(kg/s)=m)
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
8
A szállítómagasság
A járókerékből kilépő és az
oda belépő folyadék
impulzusnyomatékának
különbsége
szögsebesség
A járókerék által a folyadéknak átadott energia
mennyisége, a járókeréken átáramló folyadék
 c 2 u  r2  c1u ami
 r1  megegyezik

súlyegységérem vonatkoztatva,
a
m  és a
H e  hajtásához

járókerék
szükséges teljesítmény
m  g
szállított folyadék tömegáramának hányadosával
Az időegység alatt
átáramló folyadék
súlya
Író Béla
(J/N=W/(kg/s)=m)
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
9
A szállítómagasság
m c2cu 2ucu22uu 2 uc21cu 1uu1u 1 
H eH
  e 
m  m m 
 e H
m g g
A szállítómagasság a folyadék perdület mentes
(c1u=0) belépése esetén a legnagyobb!
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
10
A térfogatáram
3




m
m
Ve  Vue 2 cc22mu  d d2 2 π π b b2 2 tg β 2  

 s   s 
3
w2
c2
c2m
c2u
d2
b2
Író Béla
tg  2 
β2
u2
c2m
u 2  c2u
a járókerék külső átmérője
a járókerék szélessége a kilépésnél
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
11
Az elméleti jelleggörbe
összefüggés a térfogatáram és a szállítómagasság között
3 3




V
m
m
e
Ve c 2uu 2 u c2 2u   d 2  π  b 2  tg β 2    
d 2  π  b 2  tg β 2   s s  
H e 
H e 
Író Béla
u
2
2
g

c2u  u 2
g
m 
Ve
d 2  π  b 2  g  tg β 2
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
u2
m 
12
Az elméleti jelleggörbe
Ve
2
H e 
u2
g

d 2  π  b 2  g  tg β 2
u2
m 
Előre hajló
lapátozás
(β2>90o)
2
u2
g
Radiális
lapátozás
(β2=90o)
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
Hátrahajló
lapátozás
(β2<90o)
u 2  d 2  π  b 2  tg β 2
Ve
13
Alapvető lapátalakok
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
14
Valóságos jelleggörbe




Véges lapátszám
Súrlódási veszteség a lapátcsatornában
Örvénylési veszteség a lapátcsatornában
Ütközési veszteség
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
15
Valóságos jelleggörbe közelítő szerkesztése
H
He∞
He=λ∙He∞
A súrlódás hatása
2
u2
Az iránytörés hatása
Súrlódás
g
Iránytörés
Vn
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
V
16
Az áramlástani szivattyúk veszteségei
 mechanikai veszteségek
 volumetrikus veszteségek
 áramlási veszteségek
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
17
Mechanikai veszteségek
A tengely és a ház között szükséges tömítésnél valamint a
tengely csapágyazásánál keletkezik.
Figyelembevétele a mechanikai hatásfokkal történik, mely
m 
Pö  Pm
Pö
Az összefüggésben Pö a szivattyú tengelyének hajtására
fordított összes teljesítmény, Pm pedig a mechanikai
súrlódás által felemésztett teljesítmény.
A Pö-Pm különbséget belső teljesítménynek (Pb) is hívják a
szakirodalomban.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
18
Volumetrikus veszteségek
A járókerék és a ház között elkerülhetetlen visszaáramlás
történik a nyomóoldalról a szívóoldalra.
Figyelembevétele a volumetrikus hatásfokkal történik, mely
v 
V
V  Vr
Az összefüggésben Va szivattyú térfogatárama, Vr pedig a
réseken visszaáramló térfogatáram, a résveszteség.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
19
Hidraulikus veszteségek 1.
A járókeréken történő átáramlás során keletkező hidraulikai
súrlódási veszteség.
Figyelembevétele a hidraulikai hatásfokkal történik, mely
h 
H
H  h jk

H
He
Az összefüggésben ah jka járókeréken történő átáramlás során
keletkező veszteségmagasság.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
20
Hidraulikus veszteségek 2.
A járókerék és a ház közötti teret folyadék tölti ki a forgás
során itt is keletkezik hidraulikai súrlódási veszteség.
Figyelembevétele a tárcsasúrlódási veszteség tényezőjével
történik, mely
T 
PT
Pb

PT
Pö  Pm
Az összefüggésben PT az ún. tárcsasúrlódás során felemésztett
teljesítmény. Ez rendszerint csekély és így a tárcsasúrlódásra
jellemző tényező is kis érték. Sokszor el is hanyagolják a
tárcsasúrlódási veszteséget, ill. hatását beleértik a hidraulikai
hatásfokba.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
21
Az összhatásfok
 sz   m   v   h  1   T 
 sz 
Pö  Pm
Pö
 sz

V
V  Vr


PT
  1 
H  h jk 
Pö  Pm




Pö  Pm V H Pö  Pm  PT





Pö
Ve H e
Pö  Pm
 sz
Pö  Pm V H
Pe





Pö
V e H e Pö  Pm
 sz 
Író Béla
H
Ph
Pö
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
22
Az áramlástani szivattyú szívó magassága
Szivattyú
Szivóvezeték
Lábszelep
po
Atmoszférikus szívó tartály
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
23
Az áramlástani szivattyú szívó magassága
Szivattyú
A hidrosztatikai
nyomás változása
a szívócsőben (m)
Szivóvezeték
Lábszelep
po
X
Atmoszférikus szívó tartály
po
g
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
X
24
Az áramlástani szivattyú szívó magassága
c sz2
2 g
A dinamikus
nyomás
A hidrosztatikai
a szívócsőben
(m)
nyomás változása
a szívócsőben (m)
po
X
po
g
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
X
25
Az áramlástani szivattyú szívó magassága
c sz2
2 g
A dinamikus nyomás
aA szívócsőben
(m)
lábszelep-ellenállás
(m)
blsz
po
X
po
g
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
X
26
Az áramlástani szivattyú szívó magassága
c sz2
2 g
pg
A folyadék
A lábszelep-ellenállás
(m)
hőmérsékletéhez tartozó
g
blsz
telítési gőznyomás (m)
po
X
po
g
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
X
27
Az áramlástani szivattyú szívó magassága
c sz2
2 g
NPSH
pg
g
blsz
A szivattyú szívócsonkja és a járókerék
belépő éle között minimálisan szükséges,
típustól és üzemállapottól
A folyadékfüggő
nyomáskülönbség,
a nettó pozitív
hőmérsékletéhez
tartozó
szívómagasság,
telítési gőznyomás (m)
Net Positive Suction Head (m)
po
X
po
g
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
X
28
Az áramlástani szivattyú szívó magassága
c sz2
2 g
blsz
A szivattyú szívócsonkja és a járókerék
NPSH 
hsz belépő éle között minimálisan szükséges,
pg
típustól és üzemállapottól
függő
A hidraulikai ellenállás
g
nyomáskülönbség,
a nettó pozitív
a szívócsőben
(m)
szívómagasság,
Net Positive Suction Head (m)
po
X
po
g
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
X
29
Az áramlástani szivattyú szívó magassága
c sz2
2 g
pg
NPSH 
hsz hbizt .
H sz
A hidraulikai ellenállás
a szívócsőben (m)
g
blsz
H sz
A tervezett
szívómagasság (m)
po
Biztonsági tartalék (m)
X
po
g
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
X
30
Az áramlástani szivattyú szívó magassága
c sz2
2 g
pg
NPSH 
hsz hbizt .
H sz
g
H sz, max
blsz
A szívómagasság
lehetséges
maximuma (m)
H sz
po
H sz , max
A tervezett
szívómagasság
(m)
2
 pg

c


 NPSH  b lsz  sz  h sz 
 g  g
2g
Biztonsági tartalék
(m) 
p sz
X
po
g
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
X
31
A jellemző fordulatszám
a különböző járókerekek összehasonlításának eszköze
2
2
ud 22 cn2 u

H ~
g
u2 ~ d2  n
c2u ~ u 2
A kerületi sebesség arányos a járókerék külső átmérőjének és a
fordulatszámnak a szorzatával
A c2u sebesség arányos a kerületi sebességgel
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
32
A jellemző fordulatszám
a különböző járókerekek összehasonlításának eszköze
2
2
d2 n
H ~
g
3


V 
V c~2 md2d2n π  b 2
A kerületi sebesség arányos a járókerék külső átmérőjének és a
b2 ~ d 2
u 2 ~ d 2  n a szorzatával
fordulatszámnak
c2m ~ u 2
A c2u sebesség arányos a kerületi sebességgel
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
33
A jellemző fordulatszám
a különböző járókerekek összehasonlításának eszköze
H ~
d n
2
2
g
d2 ~
2
1
3

V ~ d32  n

4

V
d2 ~ 3
n
2

ng q H n  V  H
n
g H
1 
 jellemző
1
2
1
1
1mellőztük
3
Nem dimenziótlan
hiszen
a1gravitációs
gyorsulást
az
 1 




3
n
3
2 a fordulatszámot
2
4
összefüggésből
figyelembe.
~ H és
 n    V 3 ~ Hpercenkénti
 n 3  Vértékkel
~ n vettük
V 2  H
~ áll .
AVszállítómagasság méterben a térfogatáram m3/s mértékegységben
3
helyettesítendő!
n
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
34
A jellegzetes járókerék kialakítások
n q  38 ~ 80
n q  10 ~ 38
Axiális belépés – Axiális kilépés
Félaxiális belépés – félaxiális
kilépés
n q  80 ~ 164
Félaxiális belépés – radiális
kilépés
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
n  100 ~ 400
Radiális belépés –q radiális kilépés
35
Jelleggörbék összehasonlítása
H
Hn
nq~200
nq~100
nq~70
1
nq~35
nq~20
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
1
V
V
n
36
Jelleggörbék összehasonlítása
P
Pn
nq~200
nq~100
nq~70
1
nq~35
nq~20
1
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
Állítható lapátozású
propeller szivattyú
V
V
n
37
Jelleggörbék összehasonlítása

n
Állítható lapátozású
propeller szivattyú
1
nq~100
nq~20
nq~35
nq~70
1
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
nq~200
V
V
n
38
A jelleggörbe és a fordulatszám
d  n2
H ~
H ~ n
g
2
2
2
3


V V~ ~d 2n n
A különböző fordulatszámokhoz tartozó jelleggörbék egymásnak
megfelelő pontjai ugyanazon a centrális másodfokú parabolán
helyezkednek el. Azaz a szállítómagasság a fordulatszám
négyzetével arányos, a térfogatáram pedig a fordulatszámmal
egyenesen arányos. Ez az affinitás (hasonlóság) törvénye.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
39
A jelleggörbe és a fordulatszám
H
n1
n2=n1/2
V
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
40
Az affinitás korlátai


A fordulatszám csökkenésével megnő a hidraulikai
ellenállás súlya és ezáltal a hatásfok nagyon lecsökken.
A fordulatszám növelése egyfelől szilárdsági
problémákat okozhat másrész kavitáció léphet fel.
A kavitáció (űrképződés) az áramló folyadékban történő gőzbuborék
képződés, aminek oka, hogy helyileg a nyomás annyira
lecsökkenhet, hogy eléri a hőmérséklethez tartozó telítési
gőznyomás értékét. A tovább sodródó gőzbuborékok a nagyobb
nyomású helyre érkezve lökésszerűen kondenzálódnak, ami nagy
mértékű helyi nyomásnövekedést eredményez. Ha ez a kondenzáció
a szilárd test felülete mellett történik, akkor az a sziárd test fizikai
roncsolódásához vezet!
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
41
A kavitáció és a következménye
Kavitáció keletkezése hajócsavar működése közben
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
42
A kavitáció és a következménye
Kavitáció
keletkezése
hajócsavar
működése
közben.
A kavitáció
miatti errozió
egy hajócsavar
felületén.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
43
A valóságos jelleggörbe
H

H sz max
 pg



 h   NPSH 
 g  g

p1
NPSH
NPSH
 f V 
Hn
H  f V 
  f V 
Vn
Író Béla
m 
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
V
44
A kagyló diagram
Különböző fordulatszámhoz tartozó jelleggörbéken az azonos
hatásfokot biztosító pontokat összekötő görbék alkotják a
kagylódiagramot.
A kagylódiagram középpontjában található az adott szivattyú
esetében egyáltalán elérhető elérhető legjobb hatásfokot
biztosító üzemi állapot. Ez a normál pont.
Író Béla
Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)
45