Materiały dydaktyczne. Maszyny i urządzenia okrętowe. Semestr III. Wykłady

Transkrypt

1 Materiały dydaktyczne Maszyny i urządzenia okrętowe Semestr III Wykłady 1

2 Temat 1 (3 godzin): Mechanizmy siłowni okrętowych. Zagadnienie 1: Rodzaje pomp i układów pompowych. Pompy są to urządzenia służące do podnoszenia cieczy i zawiesin z poziomu niższego na wyższy lub przetłaczania jej z obszaru o niższym ciśnieniu na obszar o ciśnieniu wyższym, kosztem energii doprowadzonej z zewnątrz. Działanie pomp polega na wytwarzaniu różnicy ciśnień między stroną ssawną (wlotem do pompy) a tłoczną (wylotem z pompy). Kryteria podziału pomp Pompy różnicuje się wg: - zasady działania: wyporowe, wirowe, strumieniowe; - konstrukcji : tłokowe, zębate, śrubowe, wirowe, jedno-i wielo- stopniowe; - rodzaju czynnika : oleju, wody, paliwa, czynników chemicznych, itp.; - funkcji spełnianych na statku :chłodzenia, smarowania, balastowe, przeciw pożarowe, sanitarne, transportowe, podające, zęzowe, ładunkowe, itp.; Rys 1. Ogólna klasyfikacja pomp 2

3 Układ pompowy stanowi pompa wraz z pracującymi z nią przewodami. W układzie pompa jest maszyna czynną, stąd określenie pompa ssąca lub tłocząca, w odróżnieniu od pozostałych elementów układu, które pełnią rolę bierną, określane jako rurociąg ssawny, tłoczny itp. Rozróżniamy trzy podstawowe układy pompowe: a) ssący w których ciśnienie ssania jest mniejsze od ciśnienia tłoczenia p s < p b = p t, geometryczna wysokość ssania H sz > 0, geometryczna wysokość tłoczenia H tz = 0 b) tłoczący w którym p s = p b < p t, H sz = 0, H tz > 0, c) ssąco tłoczący łączy oba wymienione układy, w którym p s < p b < p t, H sz > 0, H tz > 0 Zagadnienie 2: Rodzaje sprężarek. Sprężarka jest to maszyna robocza do sprężania i przetłaczania czynników gazowych (najczęściej powietrza). Jako maszyna robocza sprężarka nie wytwarza energii, lecz ją pobiera od silnika, w który musi być wyposażona. Sprężarki mogą pracować jako samodzielne jednostki lub mogą wchodzić w skład bardziej złożonych urządzeń, takich jak chłodziarki, silniki cieplne, kotły parowe, itp Sprężarki wywołują przyrost ciśnienia czyli różnicę ciśnienia ssania p s i tłoczenia p t, o wartości powyżej 0,2 MPa, wentylatory zaś do 0,015 MPa. Wielkości charakteryzujące sprężarkę to: wytwarzane ciśnienie, wydajność (tj. strumień objętości lub masy), sprawność, natężenie hałasu oraz cechy konstrukcyjne i eksploatacyjne. 3

4 Rys. 2. Klasyfikacja sprężarek wg zasady działania Ze względu na wartość wytwarzanego przyrostu ciśnienia gazu maszyny sprężające można podzielić na: sprężarki przyrost ciśnienia 0,2 200 MPa dmuchawy przyrost ciśnienia kpa wentylatory przyrost ciśnienia od 15 kpa pompy próżniowe - wytwarzające podciśnienie Zagadnienie 3: Metody oczyszczania i urządzenia do oczyszczania paliw i olejów smarowych, rodzaje wirówek i filtrów. Podczas obsługi statku zachodzi konieczność oczyszczania rozmaitych czynników biorących udział w procesach eksploatacji. Oczyszczanie może być dwojakiego rodzaju: - profilaktyczne, mające na celu zabezpieczenie maszyn i silników okrętowych przed ewentualnym uszkodzeniem lub szybszym niż przewidywane zużyciem, - separacyjne, polegające na rozdzieleniu dwóch czynników zmieszanych ze sobą z jakichkolwiek powodów. Oczyszczaniu profilaktycznemu poddawane są wszystkie czynniki biorące udział eksploatacji maszyn i urządzeń, niezależnie od tego, czy zanieczyszczenie ma miejsce, czy też istnieje tylko podejrzenie lub możliwość zanieczyszczenia. Oczyszczaniu separacyjnemu (rozdzielającemu) poddawane są czynniki, co do których istnieje pewność, że uległy zanieczyszczeniu (zmieszały się różne czynniki) Urządzenia do oczyszczania paliw i olejów na statkach dzieli się na filtry i wirówki. Filtry to błona lub warstwa, zaprojektowana do przepuszczania jedynie pewnej grupy substancji, a zatrzymywania innych. Filtrowanie jest najbardziej uniwersalną i najczęściej stosowaną na statkach metodą oczyszczania. 4

5 Podział filtrów stosowanych w okrętownictwie 1. Ze względu na materiały: 2. Ze względu na trwałość: 3. Ze względu na klasę filtracji: 4. Ze względu na rodzaj pracy: Wirówka urządzenie do rozdzielania zawiesin i emulsji, przez wprawienie w szybki ruch obrotowy, którego stałe przyspieszenie znacznie przekracza przyspieszenie ziemskie, wielokrotnie zwiększając szybkość sedymentacji. Celem oczyszczania w wirówkach jest: - oddzielenie dwóch nierozpuszczalnych w sobie cieczy o różnych ciężarach właściwych, przy równoczesnym oddzieleniu cięższych cząstek stałych jako zanieczyszczeń proces ten nazywa się puryfikacją i przebiega w wirówkach zwanych puryfikatorami, - oczyszczanie oleju lub paliwa z zanieczyszczeń w postaci cząstek stałych, przy równoczesnym oddzieleniu małych ilości cięższych składników zanieczyszczonego oleju, przede wszystkim wody proces ten nazywa się klaryfikacją. Wirowanie, czyli oczyszczanie za pomocą wytwarzanej siły odśrodkowej znacznej wartości, obejmuje na statku w zasadzie wyłącznie oleje smarowe i paliwa. Zagadnienie 4: Rodzaje i przeznaczenie wymienników ciepła. Wymiana ciepła zachodzi między co najmniej dwoma czynnikami o różnych temperaturach, przy czym właściwości fizyko-chemiczne obu czynników mogą być takie same lub różne. Urządzenia w których następuje wymiana ciepła między czynnikami nazywa się wymiennikami ciepła. Dzieli się je w zależności od przeznaczenia i zachodzącego nich procesu cieplnego. Na statkach wyróżniamy następujące wymienniki ciepła: - chłodnice i podgrzewacze, - skraplacze, - wyparowniki, 5

6 Najważniejszymi czynnikami uczestniczącymi w procesie wymiany ciepła na statku są: woda zaburtowa, - woda słodka, - para wodna, - spaliny wylotowe. W zależności od zasady działania wszystkie wymienniki ciepła dzielimy na: - bezpośrednie, zwane też mieszankowymi albo bezprzeponowymi, - pośrednie, czyli powierzchniowe lub przeponowe. W zależności od rodzajów tych powierzchni rozróżnia się wymienniki ciepła: - rurowe, - płytowe. Literatura: 1. Z. Górski, A. Perepeczko, Okrętowe Maszyny i Urządzenia Pomocnicze tom I i II, Wydawnictwo Trademer, Gdynia Z.Górski, A.Perepeczko - Okrętowe sprężarki, dmuchawy i wentylatory 3. Z.Górski, A.Perepeczko - Pompy okrętowe 6

7 Temat 2 (3 godzin): Urządzenia pokładowe. Zagadnienie 1: Rodzaje i przeznaczenie urządzeń pokładowych. Urządzenia kotwiczne Urządzeniem kotwicznym nazywamy wszelkie środki techniczne służące do zakotwiczenia, czyli utrzymania statku w miejscu w czasie postoju na redzie lub, jeśli na to pozwala głębokość na otwartym morzu oraz odkotwiczenia, czyli zejścia z kotwicy. W skład urządzenia kotwicznego wchodzą: - kotwice, - kluzy kotwiczne, - łańcuch kotwiczny, - chwyty łańcuchowe, - winda kotwiczna, - przewłoka łańcuchowa, - komora łańcuchowa. Urządzenia cumownicze Urządzenia cumownicze służą do przymocowania statku do nabrzeża, dalb, beczek cumowniczych lub do innego statku za pomocą lin zwanych cumami oraz do odcumowania od nich. W skład urządzeń cumowniczych wchodzą: - liny cumownicze (cumy), - kluzy (przewłoki), - półkluzy, - pachołki (polery), - kabestany cumowe, - bębny, - rzutki, - odbijacze. 7

8 Osprzęt pokładowy i jego przeznaczenie Osprzętem pokładowym określa się wszystkie przedmioty służące do stałego lub tymczasowego zamocowania elementów konstrukcyjnych przy urządzeniach pokładowych, albo określonych części takielunku okrętowego. Najczęściej spotykane są: - haki, - klamry (szekle), - skoble, - pierścienie, - chomątka (kausze), - ściągacze, - knagi, - krętliki, - bloki, - talie. Urządzenia ubezpieczające W skład urządzeń ubezpieczających wchodzą: - relingi, - sztormliny (relingi sztormowe), - stołek bosmański, - ławka bosmańska. Zagadnienie 2: Urządzenia sterowe: klasyczne, stery strumieniowe, dysze Korta. Urządzenia sterowe Urządzenie sterowe jest jednym z najważniejszych urządzeń okrętowych ze względu na bezpieczeństwo żeglugi, każdy statek musi być w nie wyposażony. Wymagania, jakie musi spełniać urządzenie sterowe statku określa Międzynarodowa Konwencja SOLAS oraz przepisy Towarzystw Klasyfikacyjnych. Wymogi te mogą różnić się od siebie w zależności 8

9 od rodzaju i przeznaczenia jednostki pływającej. Ster jest to urządzenie służące do nadawania odpowiedniego kierunku ruchu statku. Działanie steru polega na wytworzeniu dodatkowej siły, uzyskanej zazwyczaj przez wychylenie płetwy sterowej z płaszczyzny symetrii statku w odpowiednią stronę przyłożonej niesymetrycznie, po jednej stronie kadłuba statku w stosunku do wody omywającej kadłub. Powoduje ona zwrot statku w odpowiednią stronę. Urządzenie sterowe jest to zespół maszyn i mechanizmów służący do wychylenia płetwy sterowej w zależności od sygnałów sterujących. Urządzenia sterowe dzielą się na bierne i czynne. Rys. 3. Podział urządzeń sterowych. o Bierne urządzenia sterowe -działanie związane jest z opływem płetwy steru przez strugę wody, a taki ma miejsce w przypadku ruchu statku o Czynne (aktywne) urządzenia sterowe działają niezależnie od ruchu statku względem wody, sterowanie jednostką odbywa się za pomocą: - steru strumieniowego, - otwarcia lub zamknięcia zasuw lub klap sterujących. 9

10 Rys. 4. Dziobowy ster strumieniowy [wikipedia] Dysza Korta Składa się z dyszy i umieszczonej w niej śruby napędowej jednostki pływającej. Powoduje to polepszenie warunków pracy śruby napędowej i zwiększenia jej sprawności. Dysza Korta może zwiększyć uciąg na palu nawet o 50 procent, a zysk na sprawności maleje wraz ze wzrostem prędkości i spada do zera przy prędkości około 10 węzłów (19 km/h). Dysza Korta montowana jest często na jednostkach pływających posiadających klasę lodową w celu osłony śruby i steru przed fragmentami lodu.[ Rys. 5. Schemat działania na szkicu przekroju [ 10

11 Zagadnienie 3: przeznaczenie. Urządzenia kotwiczne i cumownicze: rodzaje, rozmieszczenie, Urządzenia kotwiczne. Urządzenie kotwiczne nie jest przeznaczone do zabezpieczenia statku przed dryfowaniem lub przemieszczaniem się na wzburzonym otwartym morzu. Do rzucania i podnoszenia kotwic głównych oraz do utrzymania statku na rzuconych kotwicach głównych należy ustawić na pokładzie statku, w dziobowej części wciągarki kotwiczne. [Przepisy Polskiego Rejestru Statku część 3 Wyposażenie kadłubowe ] W skład wyposażenia kotwicznego wchodzą: 1.Kotwice główne i zapasowe. 2.Łańcuchy kotwiczne. 3.Kluzy kotwiczne. 4.Stopery służące do mocowania kotwicy w położeniu podróżnym. 5.Komory łańcuchowe. 6.Urządzenia do mocowania i zwalniania końcówek łańcuchów kotwicznych. 7.Mechanizmy służące do rzucania i podnoszenia kotwic głównych oraz do utrzymania statku na rzuconych kotwicach głównych Rys. 6. Urządzenia kotwiczne [OrszulokW. WewiórskiS., Wyposażenie pokładowe statku morskiego, Wyd. Morskie, Gdańsk 1982] 11

12 1.Kotwice prawa. 2.Łańcuchy kotwiczne. 3.Kołnierz burtowy. 4.Kluzy kotwiczne. 5.Kołnierz pokładowy. 6.Stopery zapadkowy łańcucha. 7.Winda kotwiczna (wciągarka łańcuchowa). 8.Kluza łańcuchowa. 9.Komory łańcuchowe. 10.Końcówka łańcucha. 11.Zwalniak łańcucha kotwicznego. 12.Podłoga komory łańcuchowej. 13.Pokład dziobówki. 14.Nadburcie dziobówki. 15.Magazynek dziobowy. 16.Pokład główny. 17.Wzmocnienie wręg skrajnika Urządzenia cumownicze. Każdy statek należy wyposażyć w urządzenie cumownicze zapewniające możliwość dociągania statku do nabrzeży lub przystani pływających i należytego przycumowania podczas normalnych operacji cumowania. Do wybierania lin cumowniczych można stosować zarówno specjalnie do tego celu przeznaczone mechanizmy cumownicze (kabestany, wciągarki), jak i inne mechanizmy pokładowe (wciągarki kotwiczne, ładunkowe itp.) mające bębny cumownicze. Rys. 7. Schemat cumowania statku[orszulokwojciech, WewiórskiStefan, Wyposażenie pokładowe statku morskiego, Wyd. Morskie, Gdańsk 1982] 1 dodatkowa cuma wzdłużna; 2 rufowa cuma podłużna; 3 rufowa cuma przyciągająca; 4 dziobowy szpring; 5 rufowy szpring; 6 dziobowa cuma przyciągająca; 7 dziobowa cuma podłużna;8 dodatkowa cuma wzdłużna 12

13 Urządzenia cumownicze mogą być rozmieszczone na dziobie, rufie i śródokręciu w zależności od długości i przeznaczenia jednostki pływającej. Rys. 8. Usytuowanie wciągarek cumowniczych układ z wciągarkami na śródokręciu [OrszulokWojciech, WewiórskiStefan, Wyposażenie pokładowe statku morskiego, Wyd. Morskie, Gdańsk 1982 Zagadnienie 4: Urządzenia przeładunkowe bomowe, dźwigowe, bramowe, suwnice. Urządzenia przeładunkowe na statkach handlowych. Urządzenia przeładunkowe - urządzenia transportu bliskiego do poziomego lub/i pionowego przemieszczania materiałów i obiektów o zasięgu ograniczonym lub nieograniczonym i ruchu przerywanym. Podział żurawi: - żuraw bomowy, - żuraw bomowy lekki - żuraw bomowy ciężki, - żuraw pokładowy (wysięgnikowy). 13

14 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Rys. 9. Żuraw bomowy. Suwnice to rodzaj urządzeń dźwigowych, które pomagają przemieszczać różnego rodzaju ładunki w ruchu zarówno poziomym jak i pionowym na relatywnie krótkich odcinkach. Suwnice złożone są z pomostu lub bramy, wzdłuż których porusza się wózek z wyciągarką. Suwnicą nazywamy dźwignicę złożoną z przejezdnego ustroju nośnego o kształcie pomostu, mostu, bramy czy półbramy o stosunkowo znacznej rozpiętości (6 i więcej metrów) oraz z mechanizmu jazdy. Przeznaczona do przemieszczania materiałów i ludzi w pionie, i poziomie w przestrzeni ograniczonej długością toru jazdy, wysokością podnoszenia i opuszczania oraz szerokością mostu. Rys. 10. Podstawowe konstrukcje suwnic. 14

15 Temat 3 (5 godzin): Pompy i układy pompowe. Zagadnienie 1: Podział i klasyfikacja pomp. Rys. 11. Podział i klasyfikacja pomp. Zagadnienie 2: Bilans energetyczny pompy i układu pompowego. Pompa może w zasadzie pracować tylko w połączeniu z przewodami i niezbędną armaturą, tworząc razem układ pompowy. 15

16 Rys. 12. Schemat przenoszenia cieczy za pomocą pompy odśrodkowej (układ pompowy) 1 - zbiornik czerpalny, 2 - przewód ssawny, 3 - pompa odśrodkowa, 4 - przewód tłoczny, 5 - zbiornik górny. [ Jeżeli za poziom odniesienia przyjmiemy zwierciadło w kanale zasilającym lub w zbiorniku dolnym, to energia 1 kg cieczy wynosi: na tym poziomie E d = p d /γ c +c d 2 / 2g [kgm/kg] (1) na poziomie zwierciadła cieczy w kanale odpływowym lub w zbiorniku górnym u wlotu pompy E g = p g /γ c + H g + c g 2 / 2g [kgm/kg] (2) u wylotu pompy E s = E d - ΣΔ h rs = p d / γ c + c d 2 / 2g - ΣΔ h rs [kgm/kg] (3) E t = E g + ΣΔ h rt = p g / γ c + H g + c g 2 / 2g + ΣΔ h rt [kgm/kg] (4) gdzie: - p d, p g - ciśnienia nad zwierciadłami cieczy w kanale zasilającym lub zbiorniku czerpalnym i w kanale odpływowym lub zbiorniku górnym, kg/m 2, 16

17 - γ c - ciężar właściwy cieczy, [kg/m 3 ], - c d, c g - prędkość cieczy w kanale zasilającym lub zbiorniku czerpalnym i kanale odpływowym lub zbiorniku górnym, [m/s], - Hg - wysokość geometryczna podnoszenia, [m], - ΣΔ h rs, ΣΔ h rt - wysokości strat hydraulicznych w przewodach ssawnym i tłocznym ΣΔ h r = ΣΔ h rs, + ΣΔ h rt, [m], - g - przyśpieszenie ziemskie, [m/s 2 ]. Różnica Et Es wyrażająca w kgm/kg = m potrzebną energię do przeniesienia 1kG cieczy z poziomu zwierciadła w kanale zasilającym do poziomu zwierciadła w kanale odpływowym nazywa się całkowitą wysokością podnoszenia Hc Hc E t E s pg pd c Hg 2 d c 2g 2 g hr [kgm/kg] (5) Zagadnienie 3: Wydajność, moc i sprawność pompy. Wydajność pompy: Wydajność teoretyczna pompy Q th - jest to natężenie przepływu w pompie idealnie szczelnej, bez odprowadzenia i użytkowania cieczy pompowanej poza króćcem tłocznym i przy teoretycznej wysokości podnoszenia H th. Wydajność rzeczywista pompy Q jest to suma natężenia przepływu w przekroju króćca wylotowego i cieczy odprowadzanej (również przed króćcem tłocznym) na własne potrzeby pompy, np. chłodzenie łożysk, dławic, itp. Q = Q th - Q str (6) 17

18 gdzie Q str łączne straty występujące w pompie Wydajność nominalna pompy Q m jest to wydajność określona przez producenta, przy której należy pompę eksploatować i która powinna być określona na tabliczce znamionowej. Wydajność nominalna pompy Q m występuje przy nominalnej wysokości podnoszenia H n i nominalnej prędkości obrotowej n pompy Wydajność optymalna pompy Q opt jest to wydajność, przy której pompa osiąga maksymalną sprawność całkowitą ŋ max. W dobrze skonstruowanej pompie optymalna wydajność pokrywa się z wydajnością obliczeniową oraz nominalną. Moc pompy Moc na wale (sprzęgle) pompy P w jest to moc pobierana przez pompę i określona przez bezpośredni pomiar momentu napędzającego pompę lub określoną pośrednio przez pomiar mocy pobieranej przez silnik elektryczny P s gdzie : ŋ s sprawność silnika elektrycznego P w = P s ŋ s (7) Moc na wale pompy obliczamy również znając parametry pompy P P w w gqh QH (8) Qp (9) 10 3 gdzie: ŋ całkowita sprawność pompy, γ ciężar właściwy w N/m 3, Δp - przyrost ciśnienia w Pa, Q wydajność pompy w m 3 /s, ς masa właściwa kg/m 3 18

19 Moc użyteczna (efektywna) P e - nazywamy moc zużytą a zwiększenie energii pompowanej cieczy P e = ςgqh e 10-3 = γqh10-3 [kw] (10) Sprawność pompy Sprawność całkowita pompy η określamy stosunkiem mocy użytecznej P e do pobieranej P w przez pompę na wale Pe gqh QH (11) 3 3 Pw Pw10 Pw10 Sprawność objętościowa η v nazywamy stosunek wydajności rzeczywistej Q do wydajności teoretycznej Q th. v Qr (12) Qth Sprawność hydrauliczna η h podnoszenia H e do wysokości teoretycznej h H H e th nazywamy stosunek użytecznej wysokości H H e e hp (13) Sprawność mechaniczna η m jest to stosunek różnicy mocy na wale P w i mocy zużywanej na pokonanie oporów mechanicznych P m do mocy na wale m P w Pm Pw (14) Całkowitą sprawność można określić znając sprawności cząstkowe η = η v η h η m (15) gdzie: η v sprawność objętościowa uwzględniająca straty wydajności, η h sprawność hydrauliczna uwzględniająca straty przepływu w pompie, η m sprawność mechaniczna uwzględniająca opory mechaniczne 19

20 Zagadnienie 4: Pompy: wyporowe tłokowe, zębate, śrubowe, z wirującymi cylindrami, łopatkowe - budowa i zastosowanie. W pompach wyporowych przetłaczanie dawki cieczy odbywa się dzięki ruchowi organu roboczego. Cechą charakterystyczną tych pomp jest stałe szczelne oddzielenie przestrzeni ssawnej i tłocznej, dzięki czemu pompy te mają zdolność samo zasysania, a po unieruchomieniu niemożliwy jest powrotny przepływ cieczy. Organem roboczym w pompach wyporowych mogą być: tłok, przepona, łopatka, zęby kół zębatych, zęby śrubowe. Mogą wykonywać one ruchy: posuwisto-zwrotne, obrotowo-zwrotne, obrotowe. Pompy tłokowe Pompy tłokowe mogą być jednocylindrowe i wielocylindrowe oraz jednostronnego i dwustronnego działania. Organem roboczym może być tłok tarczowy lub nurnik. Pompy tłokowe napędzane są przeważnie silnikami elektrycznymi za pomocą przekładni zębatej lub pasowej oraz układu korbowego. Pompy jednostronnego działania. Praca pompy jednostronnego działania charakteryzuje się dużą nierównomiernością, wytłaczana ciecz płynie strumieniem przerywanym, pulsacyjnym, powodującym uderzenia hydrauliczne we współpracujących elementach. Aby temu zapobiec stosuje się pompy tłokowe dwustronnego działania. Rys. 13. Pompa tłokowa jednostronnego działania. 20

21 Pompy dwustronnego działania Wydajność takiej pompy jest prawie dwukrotnie większa (zmniejszona o obecność trzonu tłoka) od wydajności pompy jednostronnego działania przy tych samych średnicach, skoku tłoka oraz ilości suwów. Pompę tą cechuje zwarta konstrukcja i duża wysokość podnoszenia. Rys. 14. Pompa tłokowa dwustronnego działania. Zastosowania pomp tłokowych Stosuje się je na jednostkach morskich jako pompy zęzowe, zęzowo-balastowe, zasilające kocioł pomocniczy oraz jako pompy hydrauliczne urządzeń sterowych lub napędu urządzeń pokładowych (głownie wielotłoczkowe). Rys. 15. Pompa wielotłoczkowa o osiowym układzie cylindrów z regulacją wydajności typu Thoma. Pompy łopatkowe Są to najprostsze wyporowe pompy rotacyjne. Posiadają zazwyczaj 6 do 12 łopatek wysuwanych z wirnika. Jednak ze względu na trudności uszczelnienia czołowego i bocznego łopatek oraz związane z tym przecieki pompy te charakteryzują się spadkiem wydajności przy 21

22 wzroście ciśnienia. Stosowane niekiedy na statkach jako pompy transportowe oleju smarowego lub paliwa. Rys. 16. Pompa łopatkowa obustronnego działania: 1 blok, 2 łopatki, 3 pierścień prowadzący, 4 kanał wlotowy, 5 kanał wylotowy [2] Pompy zębate Organem roboczym jest tłok obrotowy w postaci koła zębatego. Posiadają one najczęściej zęby proste. Zęby kół ślizgając się po wewnętrznej gładzi kadłuba spełniają role tłoków, zaś ciecz zawarta między nimi (we wrębach międzyzębowych) przetłaczana jest z obszaru ssawnego do tłocznego. Stosuje się je jako pompy smarowe zawieszone na małych silnikach spalinowych, sprężarkach oraz jako pompy transportowe oleju, spełniającego jednocześnie rolę czynnika smarującego pompę.. Rys. 17. Pompa zębata: a) o zazębieniu zewnętrznym, b) o zazębieniu wewnętrznym: 1 koło zębate napędzające, 2 koło zębate napędzane, 3 króciec wlotowy, 4 króciec wylotowy [2] 22

23 Pompy śrubowe Organem roboczym są wirniki posiadające gwint nacięty na zewnętrznej powierzchni. Rodzaj gwintu, skok i liczba zwojów zależy od typu i konstrukcji pompy. Są one budowane w następujących odmianach: - jednowirnikowej - wirnik ukształtowany w postaci jednozwojowej śruby o falistym zarysie gwintu, toczącej się bez poślizgu po wewnętrznej powierzchni elastycznej tulei o dwuzwojowym gwincie wewnętrznym. Rys. 18. Pompa śrubowa jednowirnikowa z gumowym gwintem wewnętrznym [2] - dwuwirnikowe - z dwoma współpracującymi ze sobą wirnikami, mającymi pojedyncze lub podwójne uzwojenie śrubowe o przeciwnym kierunku zwojów. Rys. 19. Pompa śrubowa dwuwirnikowa: 1 śruba bierna, 2 śruba czynna, 3 obszar tłoczny, 4 zawór bezpieczeństwa, 5 obszar ssawny [2] 23

24 - trójwirnikowe - z jednym śrubowym wirnikiem czynnym i współpracującymi z nim dwoma wirnikami śrubowymi biernymi. Rys. 20. Pompa śrubowa trójwirnikowa: 1 śruba bierna, 2 śruba czynna, 3 obszar tłoczny, 4 zawór bezpieczeństwa, 5 obszar ssawny [2] Pompy te służą do przetłaczania cieczy nie wykazujących własności smarowych, zanieczyszczonych. Na statkach używane są jako pompy obiegowe i transportowe oleju oraz pompy transportowe paliwa. Zagadnienie 5: Pompy wirowe kręte, przepływ cieczy przez wirnik, wysokość podnoszenia wirnika. Pompami wirowymi nazywane są pompy, których organem roboczym jest wirnik osadzony na obracającym się wale. Powoduje on zwiększenie krętu (momentu ilości ruchu) lub krążenia cieczy. W zależności od tego pompy wirowe dzieli się na pompy krętne i krążeniowe. Pompy krętne Działanie polega na tym, iż obracający się wirnik, dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu łopatek, powoduje przepływ cieczy od strony ssawnej ku tłocznej. 24

25 Zmniejszenie ciśnienia u wlotu pompy wywołuje zjawisko ssania, a energia przekazywana przez wirnik powoduje zwiększenie krętu cieczy przepływającej przez jego wnętrze. Rys. 21. Zasada działania wirowej pompy krętnej: 1 króciec ssawny, 2 przestrzeń ssawna, 3 łopatka wirnika, 4 tarcza tylna wirnika, 5 dyfuzor, 6 króciec tłoczny, 7,8 luzy między wirnikiem a kadłubem pompy, 9 dławica wału, 10 wał [2] Ze względu na kierunek przepływu cieczy przez pompę oraz ukształtowanie wirnika pompy kręte dzieli się na: - pompy odśrodkowe - wypływ promieniowy z wirnika złożonego z szeregu łopatek o krawędzi wlotowej równoległej lub nachylonej względem osi wirnika. Budowane w układach poziomych (częściej) oraz pionowych (rzadziej), jeśli wymagana jest praca z napływem lub przy ograniczonym miejscu zainstalowania. Rys. 22. Pompa wirowa odśrodkowa: 1 wirnik, 2 kadłub spiralny, 3 króciec ssawny, 4 króciec tłoczny [2] 25

26 - pompy helikolidane - charakteryzują się ukośnym (promieniowo-osiowym) przepływem przez wirnik, wirnik posiada łopatki o krawędziach wlotowych i wylotowych nachylonych względem osi. Wykonywane są w układzie poziomym, a dla bardzo dużych wydajności w układzie pionowym. Rys. 23. Pompa wirowa helikoidalna: 1 wirnik o przepływie ukośnym i przestrzennej krzywiźnie łopatek, 2 - kadłub spiralny, 3 króciec wlotowy, 4- króciec wylotowy [2] - pompy diagonalne o przepływie promieniowo - osiowym, z wirnikiem zaopatrzonym w kilka łopatek o obu krawędziach nachylonych względem osi wirnika, budowane przeważnie w układzie pionowym (jedno- i wielostopniowe). Rys. 24. Pompa wirowa diagonalna: 1 wirnik o przepływie ukośnym i przestrzennej krzywiźnie łopatek, 2 - kadłub z osiowo symetryczną kierownicą łopatkową, 3 lej wlotowy [2] 26

27 - pompy śmigłowe - pompy o przepływie osiowym z wirnikiem posiadającym łopatki w kształcie płatów nośnych. Łopatki wirnika mogą być stałe lub nastawialne. W pompach śmigłowych o regulacji wstępnym krętem stosuje się przed wirnikiem łopatki kierownicze nastawialne. Rys. 25. Pompa wirowa śmigłowa: 1 wirnik ułopatkowany w kształcie śmigła, 2 kadłub z osiowo symetryczną kierownicą łopatkową, 3 lej wlotowy [2] Pompy krętne są powszechnie używane w okrętowych instalacjach wody słodkiej, zaburtowej, w instalacjach zęzowych i balastowych. Pompy o dużych wydajnościach budowane są zazwyczaj jako pionowe z silnikiem elektrycznym umieszczonym na pompie. Dla uzyskania dużych wysokości podnoszenia, koniecznych do instalacji zasilania kotłów, ppoż., hydroforowej i innych, stosuje się pompy wielostopniowe. Podstawy teoretyczne i kinematyka przepływu przez wirnik Rys. 26. Powierzchnia prądu w wirnikach pomp wirowych: a) w pompach odśrodkowych, b) w pompach helikoidalnych, c) w pompach diagonalnych, d) w pompach śmigłowych 27

28 W pompie wirowej występuje zjawisko ruchu okrężnego wymuszonego, zastosowanego do przenoszenia energii z silnika napędzającego do podnoszonej cieczy za pośrednictwem łopatek wirnika. Należy zaznaczyć, iż w pompie wirowej występuje przepływ burzliwy, co nam pozwoli na porównywanie przepływu dla cieczy doskonałej i rzeczywistej. Rys. 27. Powierzchnia prądu i ruch cząsteczki cieczy. Wpływ kształtu powierzchni prądu na rodzaj pompy wirowej Wysokość podnoszenia wirnika Rys. 28. Rozkład prędkości w przestrzeni międzyłopatkowej wirnika: a) przy przepływie jednowymiarowym, b) z uwzględnieniem wpływu zawirowania. Teoretyczną wysokość podnoszenia H th nazywamy wysokość, na którą pompa mogłaby podnosić ciecz, gdyby przy przepływie nie występowały żadne opory hydrauliczne, a ruch pompy obywał by sie bez tarcia. Przy przepływie cieczy doskonałej przez idealną 28

29 pompę moc udzielona cieczy przez wirnik M w powoduje powiększenie mocy zawartej w strumieniu cieczy o ciężarze właściwym γ,o wydajności Q i wysokości podnoszenia H th. Mw = QH th oo (16) Mw H thoo mg gdzie: M - moment obrotowy [Nm], w- prędkość kątowa [s -1 ], m- sekundowa masa cieczy przepływającej przez wirnik [kg/s], g - przyspieszenie ziemskie [m/s 2 ] (17) Rzeczywista (użyteczna) wysokość podnoszenia H maszyny roboczej wirowej jest mniejsza od teoretycznej wysokości podnoszenia H th z powodu strat tarcia cieczy względni gazu, zachodzących przy przemianach energetycznych między króćcem ssawnym a tłocznym. Można ją obliczyć ze wzoru: H=η h H th =η h k H th oo (18) gdzie: η h - współczynnik sprawności hydraulicznej; η h =0,65-0,96 w zależności od typu pompy, jej wielkości, konstrukcji i staranności wykonania Zagadnienie 6: Charakterystyki przepływu, mocy i sprawności pomp wirowych i wyporowych Charakterystyka przepływu H = f(q), obrazująca zmienność wysokości podnoszenia H od wydajności Q. Jest to główna charakterystyka pracy pompy. Charakterystyka poboru mocy pampy Pw = f(q), odniesiona do wału, za pomocą którego moc silnika napędowego jest przejmowana przez pompę (w literaturze obcej często nazywana mocą na sprzęgle pompy). 29

30 Charakterystyka sprawności pompy η = f(q), określająca zmianę stosunku efektywnej mocy, zużytej na zmianę parametrów pracy, do mocy pobieranej przez pompę o zmiennej wydajności. Krzywe charakterystyczne otrzymujemy w wyniku przeprowadzonego badania (próby) pompy. Zmieniając opory przepływu tłoczenia, najczęściej przez dławienie zasuwą, zmieniamy tym samym wysokość podnoszenia H, w wyniku czego ulega zmianie wydajność pompy Q. Otrzymujemy w ten sposób zależność H = f(q). Charakterystyki przepływu pomp wirowych Krzywe przepływu H = f(q) mogą mieć optimum lub nie, jak to przedstawiono na rysunku 28. Krzywa charakterystyczna 213 nazywa się stateczną, krzywa niestateczną, gdyż między punktami 4 i 5 jednej wartości wysokości odpowiadają dwie wartości wydajności pompy. Rys. 29. Charakterystyka stateczna 213 i niestateczna 4513 przepływu H =f(q). Moc Mocą na wale (sprzęgle) pompy Pw nazywamy moc pobieraną przez pompę równą mocy dostarczanej przez silnik napędowy, względnie przez przekładnię pośredniczącą między silnikiem a pompą. Moc na wale pompy Pw otrzymujemy przez bezpośredni pomiar momentu napędzającego pompę, pośrednio przez pomiar względnie obliczenie poboru mocy Ps przez silnik elektryczny, wtedy Pw = Ps η (19) gdzie η - sprawność silnika elektrycznego, 30

31 lub za pomocą wzoru Pw = ( γ Q r γh e ) / η [10-3 kw] (20) Pw = ( Q Δp ) / η [10-3 kw] (21) gdzie: η - całkowita sprawność pompy, γ - ciężar właściwy w N/m 3, Δp przyrost ciśnienia w Pa, Qr wydajność pompy w m 3 /s. Mocą użyteczną (efektywną) Pe nazywamy moc netto zużytą na zwiększenie energii pompowanej cieczy. Moc Pe określa się ze wzoru Pe = γ Q r H e [10-3 kw] (22) Sprawności Sprawnością objętościową pompy ηv nazywamy stosunek wydajności rzeczywistej Qr do wydajności teoretycznej Qth ηv = Q r / Q th (23) Sprawność objętościowa waha się w granicach ηv = 0,9-0,98, przy czym większe wartości odnoszą się do pomp większych. W pompach wirowych sprawność objętościowa zależy również od wyróżnika szybkobieżności, jak to pokazano na rysunku

32 Rys. 30. Zależność sprawności objętościowej ηv od wyróżnika szybkobieżności pompy nsq Sprawność mechaniczna pompy η m jest to stosunek różnicy mocy na wale Pw i mocy zużywanej na pokonanie oporów mechanicznych Pm występujących w pompie (w łożyskach i w dławnicach) do mocy na wale η m = ( Pw - Pm ) / Pw (24) Sprawność mechaniczna waha się w granicach ηm = 0,92-0,98 zależnie od wielkości i jakości wykonania pompy. W pompach bezdławnicowych sprawność η m = 1,00. Sprawność całkowitą pompy η określamy stosunkiem mocy użytecznej Pe do mocy pobieranej przez pompę na wale Pw η = Pe / Pw = η v η h η m (25) Całkowita sprawność pomp nie powinna być mniejsza od 0,6. Pompy nowoczesnej konstrukcji osiągają obecnie wartości η = 0,9. Przeciętne sprawności wynoszą od 0,7 do 0,8. Zagadnienie 7: Wyróżnik szybkobieżności pomp wirowych. Kinematyczny wyróżnik szybkobieżności n sq Wyróżnik szybkobieżności stosuje się jako wskaźnik rodzaju pomp wirowych. Przy ściśle określonych wartościach parametrów Q [m 3 /s], H [m], n [obr/min] pompy roboczej, przyjmując wartości parametrów pracy pompy specjalnej (tj. spełniającej warunki 32

33 podobieństwa) Q s = 1 m 3 /s, i H s = 1 m można obliczyć prędkość obrotową pompy modelowej zwanej kinematycznym wyróżnikiem szybkobieżności n sq nq H 1/ 2 3/ 4 (26) Należy podkreślić, iż ściśle określonym wartością parametrów pracy pompy roboczej odpowiada tylko jedna, ściśle określona wartość wyróżnika szybkobieżności n sq (wartości parametrów Q, H, n określone są warunkami technicznymi danego układu pompowego dla którego dobierana jest pompa). Ponieważ wartość tego wyróżnika określa wzajemny stosunek parametrów pracy pompy roboczej (wzór 29), a ten z kolei zasadniczo wpływa na kształt wirnika, zatem wartości wyróżnika szybkobieżności jest wskaźnikiem kształtu wirnika, a więc i rodzaju pompy. W tym sensie wyróżniki szybkobieżności służą do określania rodzaju pompy przy jej doborze na żądane wartości parametrów pracy. Kształty wirników w zależności od wyróżnika szybkobieżności dobiera się na podstawie tabel. Dynamiczny wyróżnik szybkobieżności n sp Dynamiczny wyróżnik szybkobieżności n sp jest to prędkość obrotowa pompy geometrycznie podobnej, której zapotrzebowanie mocy przy wysokości podnoszenia H s = 1 m, wynosi P s = 1 KM np n sp H 1/ 2 5/ 4 (27) Ponieważ we wzorze występuje ciężar właściwy cieczy γ, zastosowanie dynamicznego wyróżnika szybkobieżności do pomp wirowych jest niewłaściwe, gdyż pompa o określonym kształcie wirnika mogłyby mieć kilka wartości wyróżników n sp zależnie od ciężaru właściwego cieczy. Zatem wyróżnik ten nie może jednoznacznie określać kształtu wirnika. Jest parametrem pomocniczym przy doborze rodzaju pompy do układu pompowego. 33

34 Niektóre materiały źródłowe podają również bezwymiarowy wyróżnik szybkobieżności n sf obliczany według wzoru n sf =3n sq (28) Podobnie jak n sp, bezwymiarowy wyróżnik n sf jest parametrem pomocniczym przy doborze rodzaju pompy do układu pompowego. Zagadnienie 8: Szeregowa i równoległa współpraca pomp z instalacjami. W eksploatacji siłowni okrętowych stosowana jest czasami współpraca układów złożonych z dwu lub więcej pomp, w zależności od warunków pracy układu. Dla każdego takiego układu punkt pracy współpracujących pomp jest określony punktem przecięcia wypadkowej charakterystyki (charakterystyki zastępczej) wszystkich pracujących pomp oraz wypadkowej charakterystyki czynnych rurociągów. Równoległa współpraca pomp Równoległą współpracę pomp stosuje się w celu uzyskania większej wydajności układu pompowego. Rys. 31. Współpraca równoległa pomp wyporowych. W przypadku współpracy pomp wyporowych wydajność wzrasta prawie dwukrotnie (pomniejszona jest jedynie o opory przepływu). Na rysunku 31 przedstawiono współpracę równoległą pomp wyporowych tłokowych o różnych charakterystykach przepływu. Charakterystyka zastępcza Q 1,2 układu pompowego oraz nowy punkt pracy powstały poprzez dodanie odciętych obu charakterystyk (wydajności obu pomp Q 1 i Q 2 ) przy wysokościach podnoszenia odpowiadających charakterystykom dla obydwu pomp. 34

35 Rys. 32. Współpraca równoległa dwóch pomp tłokowych tłoczących ciecz do wspólnego rurociągu [2] Współpraca równoległa pomp wirowych W przypadku równoległej współpracy pomp wirowych w układzie wystąpi zmniejszenie całkowitej wydajności w porównaniu do sumy wydajności, jaką miałaby każda pompa współpracująca indywidualnie z rurociągiem. W praktyce połączenie równoległe powyżej ośmiu pomp wirowych nie powoduje wzrostu wydajności i jest nie opłacalne. Na rysunku 32 przedstawiono współpracę równoległą pomp wirowych o różnych charakterystykach. Charakterystyka zastępcza Q 1,2 układu pompowego oraz nowy punkt pracy powstały poprzez dodanie odciętych obu charakterystyk (wydajności obu pomp Q 1 i Q 2 ) przy wysokościach podnoszenia odpowiadających charakterystykom dla obydwu pomp. Rys. 33.Współpraca dwóch pomp wirowych o różnych charakterystykach połączonych równolegle [2] 35

36 Współpraca równoległa pompy wyporowej i wirowej Na statkach bardzo rzadko stosuje się takie połączenie ze względu na dużą różnicę wydajności pomp wirowych i wyporowych. Na rysunku 33 przedstawiono współpracę równoległą pompy wirowej i pompy wyporowej. Charakterystyka zastępcza Q 1,2 układu pompowego oraz nowy punkt pracy powstały poprzez dodanie odciętych obu charakterystyk (wydajności obu pomp Q 1 i Q 2 ) przy wysokościach podnoszenia odpowiadających charakterystykom dla obydwu pomp. Rys. 34.Współpraca równoległa pompy wirowej i pompy wyporowej tłokowej [2] Szeregowa współpraca pomp Rys. 35. Współpraca szeregowa pomp wirowych Szeregowa współprace pomp stosuje się w celu zwiększenia wysokości podnoszenia układu pompowego Na rysunku 34 przedstawiono współpracę szeregową pomp wirowych o różnych charakterystykach. Charakterystyka zastępcza H 1,2 układu pompowego oraz nowy punkt 36

37 pracy powstały poprzez dodanie rzędnych obu charakterystyk (wysokości podnoszenia obu pomp H 1 i H 2 ) przy wydajnościach odpowiadających charakterystykom dla obydwu pomp. Rys. 36.Współpraca szeregowa dwóch pomp wirowych [2] Zagadnienie 9: Kawitacja pomp i siły poosiowe. Kawitacja Kawitacja jest zjawiskiem występującym wyłącznie w cieczach. Według Polskiej Normy kawitacja jest to zjawisko wywołane zmiennym polem ciśnień cieczy, polegające na tworzeniu się, powiększeniu i zanikaniu pęcherzyków lub innych obszarów zamkniętych (kawern) zawierających parę danej cieczy, gaz lub mieszaninę parowo-gazową. Inaczej, kawitacja jest to zespół zjawisk, podczas których następuje zmiana wody w parę wodną (bąbel pary wodnej), spowodowana miejscowym zmniejszeniem się ciśnienia lub zwiększeniem temperatury, oraz implozja (czyli zapadanie się tegoż bąbla). Kawitacja w pompach przejawia się obniżeniem wysokości podnoszenia i sprawności pompy oraz hałasem i drganiami. W pompach odśrodkowych wystąpią uszkodzenia erozyjne; na łopatkach i bocznych ścianach wirnika oraz końcach łopatek na wylocie i w kierownicy. Wpływ kawitacji na pracę pompy wirowej W pierwszym, tzw. zaczątkowym stadium, gdy zaczynają się tworzyć niewielkie pęcherzyki parowo-gazowe, kawitacja nie wpływa ujemnie na pracę pompy. 37

38 W drugim stadium, tzw. rozwiniętej kawitacji, implozje pęcherzyków wywołują drgania całej pompy, a jednocześnie występują silne nieregularne wahania wskazań mierników ciśnienia na tłoczeniu.. W trzecim stadium tzw. bardzo silnej kawitacji, występuje załamanie się charakterystyk (krzywych) przepływu, poboru mocy oraz sprawności. Eksploatacyjne sposoby zapobiegania kawitacji - ustawianie pomp z zapewnieniem możliwie małej wysokości ssania lub dużego napływu, - eksploatowanie w pobliżu nominalnej wydajności - przy nadmiernym zwiększeniu, jak również i zmniejszeniu wydajności występuje kawitacja, - zabezpieczenie przed wzrostem temperatury cieczy, - zabezpieczenie przed nieprzewidzianym zwiększeniem prędkości obrotowej pompy, - dopuszczanie do obszaru powstawania pęcherzyków pary pewnej ilości powietrza Siły poosiowe W każdej pompie wirowej powstaje napór osiowy na wirnik, wywołany różnicą ciśnień po obu jego stronach. Wypadkowa siła osiowa pochodzącą od naporu działa w kierunku wlotu wirnika (przeciwnym do kierunku dopływu cieczy do wirnika). Siła ta jest proporcjonalna do wysokości podnoszenia i np. w wysokoprężnych pompach zasilających może wynosić kilkaset kn. Napór osiowy w pompie odśrodkowej o pojedynczej krzywiźnie łopatek Rys. 37. Rozkład ciśnień po obu stronach jednostrumieniowego wirnika odśrodkowego. 38

39 U wylotu wirnika panuje ciśnienie statyczne Hp. Z dostatecznym przybliżeniem można przyjąć, że ciśnienie to napiera równomiernie na przednią i tylną tarcze wirnika. Rzeczywisty rozkład ciśnienia w przestrzeniach I, II będzie zatem sumą algebraiczną obu ciśnień. Wobec jednakowego rozkładu ciśnień po obu stronach wirnika siły działające na pola między promieniami r sz i r 2 (z obu stron wirnika) równoważą się. Pozostaje natomiast siła działająca na tylną ścianę wirnika, na pole o promieniach od r w do r sz. Siła F 1 jest zwrócona w kierunku wlotu na wirnik (kierunek przeciwny dopływowi wody do wirnika). Rys. 38. Schemat obliczenia siły osiowej. Na skutek zmiany kierunku przepływu cieczy z osiowego na promieniowy (w pompach odśrodkowych zmiana kierunku wynosi 90 ) wystąpi na wirniku siła reakcji F 2, działająca w kierunku przeciwnym do F 1. W przypadku wirnika osadzonego na końcu wału wystąpi trzecia siła F 3 działająca na przekrój wału. Wypadkowa siła osiowa będąca sumą sił składowych, będzie różnicą sił. F= ΣFi = F1 -F2 -F2 (29) Równoważenie naporu osiowego Równoważenie naporu osiowego stosuje się w pompach odśrodkowych, diagonalnych i helikoidalnych. Istnieje kilka sposobów równoważenia naporu osiowego: Stosowanie otworów odciążających 39

40 Rys. 39. Wirnik z pierścieniami uszczelniającymi i otworami odciążającymi. Przewody upustowe Rys. 40. Pompa z pierścieniami uszczelniającymi i przewodem upustowym 3 do wyrównania ciśnienia w obszarach 1 i 2. Wirniki dwustronne. Ustawienie przeciwstawne wirników a) b) Rys. 41. a) Schemat wirnika dwustrumieniowego, b) zrównoważenie siły osiowej przez symetrycznie usytuowanie stopni w pompie odśrodkowej wielostopniowej 40

41 Zastosowanie żeber promieniowych Rys. 42. Równoważenie naporu osiowego za pomocą żeber promieniowych. Zastosowanie tarczy odciążającej Rys. 43. Równoważenie naporu osiowego za pomocą tarczy odciążającej. Napór promieniowy i jego równoważenie Napór promieniowy powstaje w pompach ze spiralnym kanałem zbiorczym w wyniku różnicy ciśnień na obwodzie. Ponadto dalszą przyczyną nierównomiernego rozkładu ciśnienia wokół wirnika stanowią wiry i prądy powrotne na początku i zbiorczej przy opływie krawędzi początku spirali zwanej języczkiem. Rys. 44. Napór promieniowy w kanale zbiorczym spiralnym: pojedynczym, b) podwójnym 41

42 Dokładne obliczenie wartości naporu promieniowego Fr jest dość trudne. W technicznych obliczeniach można posługiwać się przybliżonym n/w wzorem doświadczalnym. F r =K r p t d 2 b 2 (30) gdzie: K r -współczynnik doświadczalny, który może być określony z wykresu p t -ciśnienie wytworzone przez pompę [Pa] d 2 - średnica zewnętrzna wirnika [cm], b 2 - szerokość wirnika łącznie z tarczami [cm]. Zagadnienie 10: Pompy wirowe krążeniowe: zasada pracy, budowa. Działanie pompy krążeniowej polega na tym, iż krążenie ciecz w obrębie wirnika lub na jego obwodzie jest proporcjonalne do momentu przekazywanego wirnikowi przez wał. Są to pompy samozasysające tzn. posiadające zdolność wysysania powietrza z przewody ssawnego i zassania wody. Pompy z bocznymi kanałami krążeniowymi Pompy z bocznymi kanałami krążeniowymi - w bocznych ścianach kadłuba znajdują się kanały, które w częściach końcowych stopniowo zwiększają lub zmniejszają swoją głębokość. Przy obrocie wirnika przestrzenie łopatkowe, przesuwając się w zakresie znikającego kanału bocznego, doznają zmniejszenia objętości i wytłaczają nadmiar cieczy do otworu tłocznego. Następnie, przesuwając się po zwiększającej się części kanału, doznają zwiększenia objętości i powodują zasysanie cieczy z otworu ssawnego 42

43 Rys. 45.Pompa krążeniowa z bocznymi kanałami pierścieniowymi: 1 otwór ssawny, 2- otwór tłoczny, 3 kanał boczny, 4 wirnik [2] Pompa z pierścieniem cieczy Pompa z pierścieniem cieczy - organem roboczym pompy jest wirnik o prostych łopatkach, obracających się mimośrodowo w kadłubie. Przed uruchomieniem pompy zalewa się ją częściowo cieczą. Podczas pracy pompy woda zostaje odrzucona na zewnątrz, tworząc pierścień o stałej grubości. Wskutek mimośrodowego umieszczenia wirnika między łopatkami wirnika a pierścieniem cieczy tworzy się wolna, zmieniająca okresowo swoją objętość, przestrzeń o kształcie sierpa. Pompy takie używane są do czynników dwufazowych (ciecz + gaz) oraz jako pompy próżniowe (do 97 % próżni). Na statkach używane są jako stopnie samozasysające pomp odśrodkowych, a także oddzielnie jako pompy próżniowe wyparowników podciśnieniowych oraz skraplaczy. Rys. 46. Pompa wirowa z pierścieniem wodnym: a) częściowe zalanie kadłuba, b) tworzenie się pierścienia wodnego, 1 kadłub, 2 wirnik, 3 kanał ssawny, 4 kanał tłoczny [2] 43

44 Zagadnienie 11: Elementy konstrukcyjne pomp i eksploatacja pomp. Elementy konstrukcyjne pomp tłokowych - kadłub, - tłoki, - dławice trzonów tłokowych. Rys. 47. Dławica zewnętrzna trzonu tłokowego: 1 kadłub pompy, 2 trzon tłoka, 3 szczeliwo, 4 -dławik, 5 śruby dociskowe, 6 tuleja prowadząca [2] - zawory, Rys. 48. Zawory pomp tłokowych: a) talerzowy, b) jednopierścieniowy 1 ogranicznik, 2 trzon zaworu, 3 talerz (pierścień na rys. b), 4 gniazdo, 5 kadłub [2] 44

45 Elementy konstrukcyjne pomp wirowych Podstawowymi elementami pompy są: wirnik, wał, kierownica, dławica oraz kadłub z komorą zbiorczą. Wirniki są zwykle odlewane z żeliwa razem z łopatkami, dla większych prędkości obwodowych - ze staliwa, z brązu lub stopów lekkich. W pompach niskiego ciśnienia stosuje się zwykle tylko komorę spiralną, stanowiącą część kadłuba. Po obróbce wirnik wymaga starannego wyrównoważenia dla uniknięcia drgań w czasie pracy. Uszczelnienie kadłuba w miejscu przejścia przezeń wału pompy zapewnia dławnica. Jako szczeliwa używa się bawełny nasyconej łojem - w przypadku pompy do wody zimnej a teflonu lub bawełny nasyconej np. grafitem - dla cieczy o podwyższonych temperaturach. Uszczelnienia wirnika w kadłubie zapobiegają zbytniemu przeciekowi cieczy z powrotem do wlotu wirnika. Wykonywane są one w postaci wymiennych brązowych pierścieni uszczelniających. Eksploatacja pomp Eksploatacja pomp na statku nie nastręcza dużych trudności pod warunkiem przestrzegania warunków określonych w instalacjach obsługi. Bieżąca obsługa sprowadza się do kontroli wskazań manometrów, słuchowej kontroli szumów i innych dźwięków pracy, kontroli czy nie wystąpiły przecieki na dławnicach oaz sprawdzaniu czy pompa się nie grzeje. Po kontroli stanu dławic i sprawdzeniu ilości smaru w łożyskach należy - w przypadku pomp nie mających zdolności samozasysania, nie posiadających urządzeń samozasysających lub też nie pracujących z napływem - zapełnić cieczą przewód ssawny (zalać pompą). Przed uruchomieniem pomp wyporowych należy otworzyć zawór tłoczny i ssawny oraz upustowy, a w przypadku pomp wirowych odśrodkowych należy zamknąć zasuwę ma tłoczeniu i otworzyć zasuwę na ssaniu pompy. Pompy wirowe helikoidalne i diagonalne mogą być uruchamiane zarówno przy otwartych, jak i zamkniętych zaworach na ssaniu i tłoczeniu. Pompy wirowe śmigłowe powinny mieć przed uruchomieniem otwarty zawór na tłoczeniu, aby nie przeciążyć silnika. Po uruchomieniu należy wyregulować wydajność pompy, zwracając uwagę na obciążenie 45

46 silnika. Przed wyłączeniem należy stopniowo doprowadzić zawory, względnie zasuwy, do takiego położenia, jakie było przed uruchomieniem silnika. Zagadnienie 12: Pompy strumieniowe: zasada pracy, budowa i eksploatacja. Pompy strumieniowe (strumienice) służą do przenoszenia gazów, cieczy lub ciał sypkich. Są urządzeniami działającymi na zasadzie zjawiska Venturiego polegającego na tym, że przepływający przez dysze z przewężeniem czynnik roboczy powoduje powstawanie w miejscu przewężenia podciśnienia i wskutek czego z przestrzeni ssawnej zasysany jest czynnik przetłaczany. Strumienice dzielimy na : - eżektory przenoszą czynnik do obszaru o ciśnieniu nie wyższym od ciśnienia atmosferycznego - inżektory - przenoszą czynnik do obszaru o ciśnieniu wyższym od ciśnienia atmosferycznego Na statkach używane są głownie jako eżektory, w których czynnikami roboczymi są woda i para. Strumienice wykorzystywane są najczęściej jako pompy próżniowe w wyparownikach podciśnieniowych, do usuwania solanki z wnętrza wyparownika, usuwania nieczystości, awaryjnego osuszania zęz siłowni, osuszania zęz ładowni, resztkowania zbiorników balastowych. Czasami stosowane są również jako stopnie samozasysające dużych pomp wirowych. Rys. 49.Strumienica (smoczek próżniowy): 1 czynnik roboczy, 2 dysza, 3 czynnik przetłaczany, 4 - wylot [ 46

47 Temat 5 (5 godzin): Sprężarki. Zagadnienie 1: wolumetryczna. Wiadomości teoretyczne na temat procesu sprężania, sprawność Istnieją dwie podstawowe zasady sprężania powietrza (gazu); zasada wyporu i sprężanie dynamiczne. Wśród sprężarek wyporowych możemy wymienić np. sprężarki tłokowe i różne typy sprężarek obrotowych. W sprężarce tłokowej powietrze jest zasysane do komory sprężania, której wlot zostaje zamknięty. Następnie objętość komory się zmniejsza i powietrze jest sprężane. Jeżeli ciśnienie osiągnie taką samą wartość jak ciśnienie panujące w rozgałęźnym kanale wylotowym to zawór zostaje otwarty i powietrze pod stałym ciśnieniem zostaje wypuszczane przy stale zmniejszającej się objętości komory sprężania. W sprężaniu dynamicznym powietrze zasysane jest do szybko obracającego się wirnika i przyspieszane, aż do osiągnięcia dużej prędkości. Następnie gaz jest wypuszczany przez dyfuzer (zwężkę rozpraszającą), gdzie energia kinetyczna jest zamieniana na ciśnienie statyczne. Wyróżniamy sprężarki dynamiczne o przepływie osiowym i promieniowym. Wszystkie są przystosowane do dużych ilości przepływającego powietrza. Rys. 50. Wykres pracy indykowanej tłokowej sprężarki jednostopniowej. 47

48 Na rysunku przyjęto następujące oznaczenia: p s opory ssania, p t opory zaworu tłocznego, p s ciśnienie ssania, p t ciśnienie tłoczenia, p a ciśnienie atmosferyczne (otoczenia), V sk objętość skokowa, V o objętość przestrzeni szkodliwej (zwykle V o = od 3% do 8%), V sk w zależności od konstrukcji sprężarki, umieszczenia zaworów i stosunku skoku do średnicy tłoka), V s objętość ssania (dotyczy gazu zassanego przy ciśnieniu w punkcie 1), V i objętość indykowana odczytana z wykresu Przyjmuje się następujące średnie wykładniki politropy: przy rozprężaniu m 1 = 1,25 do 1,3 i przy sprężaniu m 2 = 1,4 do 1,35. Wartość ich zależy od rodzaju gazu, sposobu chłodzenia i prędkości obrotowej sprężarki Rzeczywistą wydajność sprężarki określa wzór: Q rz = λ Q teor (31) przy czym: Q teor = F s n i c (32) gdzie: F powierzchnia tłoka, s skok, n liczba obrotów, i c ilość cylindrów, F s = V sk - objętość skokowa. 48

49 Rzeczywisty współczynnik zassania λ wylicza się przy pomocy formuły: λ= λ s λ d λ g λ n = λ i α (33) m V p o t gdzie: λ s 1 1 V sk p - współczynnik przestrzeni szkodliwej, a p 1 λ d - współczynnik dławienia, pa T 1 λ g - współczynnik grzania ścian, Ta λ n V1 V a współczynnik nieszczelności (V a -objętość gazu zassanego przy λ i parametrach p a i T a ), V i λ sλ d - indykowany współczynnik objętościowy, Vsk α λ g λ n zależy od stosunku sprężania chłodzenia cylindra i pokryw. p p t ε oraz intensywności a Sprężanie jedno i wielostopniowe Sprężanie gazu odbywa się wg przemiany politropowej, więc przyrost temperatury jest funkcją przyrostu ciśnienia zgodnie z zależnością: T T t a m1 p m t (34) p a Ze względu na smarowanie, szczególnie płytek zaworowych, temperatura końcowa nie może przekraczać 473 K 493 K ( o C). Z tych względów w jednym stopniu,ciśnienie sprężania nie może przekraczać 6 7 bar. Jeżeli ε = p t / p a 7, to wskutek 49

50 zbytniego nagrzewania się gazu podczas sprężania smarowanie jest mocno utrudnione lub nawet zanika. Wzrasta też zużycie mocy potrzebnej do napędu, maleje indykowany współczynnik zassania λ i. Te niekorzystne zjawiska można zmniejszyć stosując sprężanie dwu lub wielostopniowe w zależności od wartości stopnia sprężania całkowitego. Rys. 51. Wykres pracy indykowanej tłokowej sprężarki dwustopniowej Pierwszy stopień , drugi stopień Objętość gazu z pierwszego stopnia (V 3 V 4 ) wskutek schłodzenia zmniejsza się do wielkości (V 5 V 4 ). Punkt 5 leży teoretycznie na izotermie przeprowadzonej przez punkt 2. Pole zakreskowane 3-t odpowiada oszczędności mocy napędowej uzyskanej wskutek zastosowania dwustopniowego sprężania. W sprężarce dwustopniowej gdy temperatura gazu przepływającego przez chłodnicę międzystopniową osiąga początkową T 5 = T 2 i gdy jest ona dobrze zaprojektowana, to T 6 = T 3. Wtedy : T T 3 2 m 1 m 1 p m m c T 6 p t (35) p a T 5 p c 50