Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei

Járművek és motorok hő- és áramlástani rendszerei 12. Előadás Szivattyúk

Jelölés - Nem törzsanyag 2

Áramlás csövekben Súrlódásos közeg valóságos csőben történő áramlásakor a közeg súrlódásos volta miatt energia disszipáció (elnyelődés) lép fel. A veszteséget Δp nyomásveszteség formájában adják hozzá a Bernoulli-egyenlethez. Veszteséges Bernoulli-egyenlet Terhelő magasság: az áramlási veszteségek következtében fellépő nyomómagasság csökkenést jelenti. A csősúrlódási tényező értéke a Reynolds-számtól függ, ami a tehetetlenségi és súrlódási erők arányát fejezi ki. c: csőben áramló közeg átlagsebessége d: a cső belső átmérője ν: a közeg kinematikai viszkozitás tényezője 3

Áramlás csövekben Lamináris áramlás Kis Reynolds-szám esetén (Re < 2320) az egyenlő sebességű koncentrikus rétegek egymáson keveredés nélkül csúsznak el. A csőben a sebesség eloszlása parabolikus, nincs falra merőleges komponens. A súrlódási tényező értéke: A cső belső falának minősége nem befolyásolja a λ értékét. 4

Áramlás csövekben Turbulens áramlás A műszaki gyakorlatban gyakrabban fordul elő (Re > 2320) Hidraulikailag sima falú csőben sebességeloszlás szempontjából 3 réteget különböztetünk meg: Közvetlenül a fal mellett mindig réteges az áramlás. A lamináris határréteg után de még mindig a fal közelében turbulenssé válik az áramlás. Ebben a rétegben a sebesség csak a faltól mért távolság függvénye, így a cső átmérőjétől független. A cső keresztmetszetének középső részén a közeg áramlás továbbra is turbulens, sebessége a faltól mért távolság és a cső átmérőjének viszonyától függ. 5

Áramlás csövekben Turbulens áramlás Van falra merőleges (keresztirányú) sebességkomponens. Súrlódási tényező meghatározása: 6

Áramlás csövekben Csővezetékek jelleggörbéi Csővezeték jelleggörbéje: A szivattyú hidraulikai teljesítményét írja le. Csővezeték-oldalról nézve Nyomásveszteség. Jele: H. Mértékegysége: - szivattyúknál: bar - erőgépeknél: Pa, kpa Szivattyú-oldalról nézve Szállító magasság, vagy nyomás. Jele: H. Mértékegysége: [m] vagy [bar] A folyadékszállító kapacitást, általában [m3/h] vagy [l/min] esetleg [l/s] mértékegységben kifejezve. A térfogatáram jele: Q vagy. V A folyadékszállító kapacitást, általában [m3/h] vagy [l/min] esetleg [l/s] mértékegységben kifejezve. A térfogatáram jele: Q vagy V. 7

Áramlás csövekben Csővezetékek jelleggörbéi Ha a csővezeték átmérője állandó és elágazások ill. egyesítések nincsenek beépítve, a jelleggörbe képe parabola. Szintkülönbség mellett üzemelő berendezések: A q 0 folyadékszállításig a szivattyú beépítése fölösleges, hisz a kezdeti és végpont helyzeti energiakülönbsége fedezi a veszteségeket. Veszteségmagasság: Statikus szállítási magasság: H st 8

Áramlás csövekben Csővezetékek jelleggörbéi Nyomáskülönbség mellett üzemelő berendezések: Nagyobb nyomású helyről kisebb nyomású helyre szállító berendezéseknél a q 0 folyadékszállításig szivattyút nem kell beépíteni (alsó görbe). A gyakorlatban a folyadékszállítási feladatok általában összetetten jelentkeznek. 9

Sorosan kapcsolt vezeték: Áramlás csövekben Csővezetékek jelleggörbéi A folyadékszállítás az egyes részeknél megegyezik, a terhelőmagasság pedig összegződik. Ha külön-külön ismeretes a szívó- és nyomóvezeték jelleggörbéje, az eredő görbét az azonos folyadékszállításoknál lévő terhelőmagasság (ordináta) értékek összegzésével kapjuk. 10

Áramlás csövekben Csővezetékek jelleggörbéi Párhuzamosan kapcsolt vezeték: Elágazások és párhuzamos ágak csomópontjaiban anyagmegmaradás elve alapján a beérkező és távozó közegmennyiségek összege zérus. Minden csomópontban csak egyféle nyomás uralkodhat. Az eredő jelleggörbét az egyes csőszakaszok jelleggörbéinek azonos terhelőmagassághoz tartozó folyadékszállítások és az abszcissza hosszúságok összegzésével képezzük. 11

Vízgépek A vízgépeket két nagy csoportra lehet osztani: Szivattyúk Turbinák A szivattyú üzemének legfontosabb jellemzői: Manometrikus szállítómagasság: H Időegység alatt szállított közeg térfogata (folyadékszállítás): q v Hajtáshoz szükséges teljesítmény: P motor Hatásfok: η Maximális szívóképesség: H smk Fordulatszám: n Perdületapadási tényező: λ 12

Szivattyúk Folyadék szállítására szolgáló gépek. A szivattyúk feladata a folyadék energiatartalmának (munkavégző képességének) növelése, amely mechanikai munka befektetése árán érhető el. A kívülről forgó vagy alternáló mozgás révén bevezetett mechanikai munkát alakítják át a folyadék helyzeti, mozgási energiájává és nyomásban tárolt munkavégző képességgé. A víz szállításához szükséges munkát közvetlenül a folyadéknak közvetítik. 13

Első szivattyúk Archimedesi-csavar: Legrégebben (i.e. 3. század) alkalmazott szivattyú, víz emelésére alkalmas egyszerű gép. Merítőkerék: Vízkerékkel hajtott végtelenített kötélre kötött vödrökkel, merítőkerékkel emeltek ki nagyobb mennyiségű vizet. A szerkezet folyamatos üzemre is alkalmas volt Gőzhajtású szivattyú: Az első ilyen magyarországi szivattyút Selmecbányán használták. 14

Szivattyúk csoportosítása 15

Térfogat-kiszorítású szivattyúk Dugattyús szivattyú Forgó mozgást végző szivattyú

Térfogat-kiszorítású szivattyúk Működési elv: Térfogat kiszorítás. Az energiaátalakítást a tér egy körülzárt részében végzik oly módon, hogy a térrész térfogatát az idő függvényében periodikusan változtatják. A nagy nyomású közeg munkát tud végezni: a tartály térfogatát változtatjuk úgy, hogy egy nyíláson keresztül csővezetékhez kapcsolódik a tartály térfogatának növelésével a csőből folyadékot vagy gázt lehet áramoltatni a tartályba, a térfogat csökkentésével a közeg a tartályból a csővezetékbe áramlik. Ezáltal lehetőség nyílik a közeg beszívására és kiszorítására. 17

Térfogat-kiszorítású szivattyúk Működésük: 1. A közeget be kell juttatni abba a térbe (a munkatérbe). ahol az energiaátalakítást végző alkatrész a munkáját végzi. 2. A munkateret be kell zárni. 3. Az energiaátalakítást végző alkatrész pozitív és negatív értelemben elvégzi a munkáját a közeg nyomása és hőmérséklete változik. 4. A lezárt teret ki kell nyitni. 5. A közeget el kell távolítani a munkatérből Konstrukciós kialakítások: Soros V-elrendezés Radiális Axiális 18

Térfogat-kiszorítású szivattyúk Csoportosítás 1. I. Ha az energiaátalakítást végző alkatrész egyenes vonalú lengőmozgást végez, akkor dugattyús, vagy membrán szivattyúról beszélünk. 1. Dugattyús szivattyú: A térfogatváltozást a hengerben mozgó dugattyú valósítja meg. Az áramlás irányát (általában) önműködő szelepek vezérlik. Legnagyobb nyomások ezzel a típussal érhetők el. Folyadékszállításuk nem egyenletes gondot jelent több hengerrel készülnek. 2. Membrán szivattyú: működési elv szempontjából ide tartoznak. A rugalmas membrán megakadályozza a közeg dugattyú melletti szivárgását. 19

Térfogat-kiszorítású szivattyúk Csoportosítás 1. 1. Dugattyú kapcsolódása szerint: A dugattyú hajtása közvetlenül kapcsolódik egy másik géphez: szabadlöketű szivattyú. A dugattyú hajtása valamilyen mechanizmus közbeiktatásával kapcsolódik egy másik géphez: kényszerlöketű szivattyú. 2. Hengerek száma szerint: Egyhengeres dugattyús szivattyú Több hengeres dugattyús szivattyú 3. Munkavégzés szerint: a dugattyúnak egy vagy mindkét oldala részt vesz-e a munkavégzésben: Egyszeres működésű szivattyú Kétszeres működésű szivattyú 20

Térfogat-kiszorítású szivattyúk Dugattyús és membrán szivattyúk Szabadlöketű szivattyú Kényszerlöketű szivattyúk Membrán szivattyúk 21

Térfogat-kiszorítású szivattyúk Csoportosítás 2/1 II. A térfogat-kiszorítást forgó alkatrész valósítja meg: a közeg mozgása a szivattyúban lehet: 1. Kerületi: az energiaátalakítást végző alkatrész helyzete lehet: Koncentrikus: forgórész száma szerint lehet: Egy forgó részes szivattyú» Záró lamellás (I. ábra, a) leggyakoribb» Forgó lamellás (I. ábra, b és c) Több forgó részes szivattyú: két forgó részes, külső fogazású fogaskerekekkel készített szivattyúk:» Fogaskerék szivattyú» Fogaskerékmotor Kis és nagy fogszámú típusok (I. ábra, d - h) Excentrikus Excentrikus forgólamellás (II. ábra, a, b, d) Forgó tolattyús Excentrikus hajtású központos kettős forgótolattyús (II. ábra, c) Excentrikus hengerhajtású három forgótolattyús (II. ábra, e) Excentrikus forgórészes zárólamellás (II. ábra, f) Excentrikus forgórészes körszelettolattyús (II. ábra, g) Excentrikus hajtású bolygódugattyús (II. ábra, h, i) Excentrikus belső fogazású (II. ábra, j, k) Szárnylapátos Vízgyűrűs 22

Térfogat-kiszorítású szivattyúk I. ábra II. ábra 23

Térfogat-kiszorítású szivattyúk Fogaskerék szivattyúk Kiszorítóelemek: egymáson legördülő fogaskerekek, nincs szükség szelepekre. Ház + fogárok = cella folyadékot a szívótérből a nyomótérbe szállítja. Egyenletesebb folyadékszállítás a dugattyús szivattyúhoz képest. Nagy fordulatszámmal járatható és nagy nyomáskülönbség előállítására is alkalmas. Minél nagyobb a közeg viszkozitása annál kisebb fordulatszám alkalmazható. Kihasználási fok: egy fordulatra eső geometriai térfogat-kiszorítás értéke. Szállítás szempontjából csak a sraffozott terület a hasznos. Geometriai szállítás Kihasználási fok 24

Térfogat-kiszorítású szivattyúk Fogaskerék szivattyúk olajszivattyúk Gerotor 25

Fogaskerék szivattyúk Jelleggörbék Pontatlan megmunkálás okozta nagyobb rések. Ház fedele nem elég merev és a nagyobb belső nyomás miatt kihajlik. Kisebb fordulatszámnál a görbék erősebben hajlanak, mint nagyobb fordulatszámok esetén. Volumetrikus hatásfok változás állandó fordulatszám esetén. A szívó-, és nyomótér közötti nyomáskülönbség növekedésével csökken a szállítómagasság. A megengedhető legnagyobb fordulatszám a szállított folyadék viszkozitásától függ. 26

Fogaskerék szivattyúk Jelleggörbék A fordulatszám növekedésével a résveszteség fajlagosan csökken. A fordulatszám csökkenésével az összhatásfok romlik. Összhatásfok a szállítómagasság függvényében. Kedvező, hogy a görbe a maximum környékén lapos. A görbe a szállított közeg hőmérsékletétől függ. Géphatásfok a fogaskerekek kerületi sebességének függvényében. Kisnyomású szivattyúknál nem nagy kerületi sebességet hanem nagy modulusú fogaskereket érdemes alkalmazni. 27

Térfogat-kiszorítású szivattyúk Csoportosítás 2/2 II. A térfogat-kiszorítást forgó alkatrész valósítja meg: a közeg mozgása a szivattyúban lehet: 2. Axiális: csavarszivattyúk, tengelyirányban szállítanak, a kiszorító elem a csavarorsó. Csavarorsó száma szerint: Egy csavarorsós szivattyú (III. ábra, a) Két csavarorsós szivattyú (III. ábra, b - d) Három csavarorsós szivattyú (III. ábra, e) 1) és e) 2)) A folyadék átömlésének iránya szerint: Egyirányú Kettős átömlésű (ellenáramú) 28

Térfogat-kiszorítású szivattyúk III. ábra e) 1) e) 2) 29

Tömlős szivattyú A (1) görgők a rugalmas anyagú (2) tömlőt periodikusan összeszorítják, majd felengedik, miközben a folyadékot a forgásirányba szorítják. Egyszerű és olcsó. Hermetikusan elzárt folyadéktere miatt a vegyipar, a gyógyászat és az élelmiszeripar használja. 30

Örvényszivattyúk Centrifugál szivattyú Axiál szivattyú Félaxiál szivattyú

Örvénygépek Olyan áramlástechnikai gépek, amelyek az impulzusnyomatéki tétel (Euler elv) alapján működnek. Az energiaátalakítást végző alkatrész olyan lapátokkal ellátott járókerék, amely a munkaközeg perdületét változtatja meg és amelyre az Euler-féle turbinaegyenlet vonatkozik. 32

Örvényszivattyúk A járókerekek száma és elrendezése alapján: Egy járókerekes szivattyú Több járókerekes szivattyú Több fokozatú (turbó) szivattyú: Szállítómagasságot növelik. Egymás után sorba kapcsolt járókerekek, melyek között vezetőkerekek találhatók. Kettős beömlésű szivattyú: Folyadék-mennyiséget növelő szivattyú. Párhuzamosan kapcsolt járókerekek. Hidrodinamikus nyomatékváltóknál és hidrodinamikus sebességváltóknál alkalmazzák. 33

Centrifugál szivattyú Működése a perdületváltozás elvén alapul. A vízszintesen elhelyezkedő, szívócsonkon lép be a folyadék szivattyú járókerék: egyenletes forgó mozgást végez, szerepe a forgó motor energiájának átadása a folyadékra. Az itt elhelyezkedő lapátok kényszerítik a folyadékot a tengely felől a járókerék szélei felé történő örvénylő áramlásra. A járókerék széleinél kilépő folyadék mozgási energiája magasabb mint a szívócsonkon belépőé. A megnövekedett mozgási energiájú folyadékot elvezetik a szivattyú nyomócsonkjához. 34

Centrifugál szivattyú A legegyszerűbb centrifugál szivattyú: egy fokozatú, vezetőkerék nélküli csigaházas. A forgásba hozott folyadék a centrifugális erő hatására a forgó mozgás mellett sugár irányban mozog. A folyadék forgási és sugárirányú sebessége összegződik. A tengely középvonalától mért távolságtól függően különböző helyeken más és más. A folyadék mozgását a forgó lapátkoszorú lapátozása is befolyásolja. 35

Centrifugál szivattyúk Folyadék mozgása Folyadékrészecske belépése a lapátozásba (a D 1 átmérő valamelyik pontja): A forgó mozgása, kerületi sebessége és a rá ható centrifugális erő arányos a középponttól mért R 1 távolsággal és az n fordulatszámmal. A folyadékrészecskére centrifugális erő is hat, ezért sugár irányban is mozog nő a forgási tengelytől való távolság, amivel arányosan nő a rá ható centrifugális erő nagysága. Folyadékrészecske mozgása a D 1 és D 2 átmérő között: Forgó mozgása gyorsul: a lapátozás miatt a folyadéknak fel kell vennie a lapátkoszorú azon pontjának kerületi sebességét, amely mellett éppen van. A tengelyvonaltól való távolodás arányosan növeli a kerületi sebességet. Folyadékrészecske kilépése a lapátozásból (a D 2 átmérő valamelyik pontja): Nagyobb a folyadékrészecske sebessége, mint belépéskor. 36

Örvényszivattyúk Járókerék kialakítások A lapátozás és a járókerék alakja attól függ, hogy a szivattyút milyen folyadékszállításra és szállítómagasságra tervezték. Adott fordulatszám mellett minél nagyobb a D 2 átmérő, annál nagyobb a kilépő kerületi sebesség és ezáltal a szállítómagasság értéke. A járókerék belépő D 1 átmérőjét a folyadékszállítás határozza meg. Szállítómagasság csökken 37

Örvényszivattyúk Járókerék kialakítások a) A folyadékszállításhoz képest nagy szállítómagasság, vagy a szállítómagassághoz képest kis folyadékszállítás. b) A folyadékszállításhoz képest közepes szállítómagasság, vagy a szállítómagassághoz képest közepes folyadékszállítás. c) A folyadékszállításhoz képest kis szállítómagasság, vagy a szállítómagassághoz képest nagy folyadékszállítás. d) A folyadékszállításhoz képest nagyon kicsi szállítómagasság, vagy a szállítómagassághoz képest nagyon nagy folyadékszállítás. 38

Örvényszivattyúk Járókerék kialakítások jellemző fordulatszám n q - Jellemző (gyorsjárati) fordulatszám: Típus jellemző. Mindig egyszeres beömlésű járókerékre, egy fokozatra és névleges pontra értelmezik. Egy típuson belül, annak a gépnek a fordulatszámával azonos, amely q v =1 m 3 s -1 folyadékmennyiséget H=1 m magasra szállít a legjobb hatásfokú pontban. Szivattyú tervezéskor a járókerék kialakításnál fontos. Dimenzió nélküli n q < 100 tiszta radiális átömlés n q > 200-300 axiális átömlés 39

Örvényszivattyúk Járókerék kialakítások Radiális be- és kiömlésű (radiális átömlésű) kerék Félaxiális beömlésű és radiális kiömlésű kerék A lapátcsatornába a folyadék a meridián metszetben lép be és lép onnan ki. Nagynyomású szivattyúkban alkalmazzák. Kicsi és közepes szivattyúknál alkalmazzák. 40

Félaxiális átömlésű kerék Örvényszivattyúk Járókerék kialakítások Kisnyomású szivattyúknál alkalmazzák. Teljes axiális átömlésű kerék 41

Örvényszivattyúk Járókerék kialakítások jelleggörbéi Szállítómagasság n q függvényében Felvett teljesítmény n q függvényében 42

Euler - turbinaegyenlet Szivattyúk esetében: A kívülről forgó vagy alternáló mozgás révén bevezetett mechanikai munkát alakítja át a folyadék helyzeti, mozgási energiájává és nyomásban tárolt munkavégző képességgé. Az Euler - turbinaegyenlet e két paraméter között ad kapcsolatot. Euler - turbinaegyenlet = impulzusnyomatéki tétel alkalmazása a járókerékre. Impulzusnyomatéki tétel: Véges nagyságú áramló folyadéktömegre ható külső erők nyomatéka az impulzuserők nyomatékával egyenlő Euler turbinaegyenlet Y e : járókerék elméleti fajlagos munkája 43

Sebességi háromszögek Belépő sebességi háromszög Kilépő sebességi háromszög c 1 =v 1 és c 2 =v 2 A belépő W 1 és kilépő W 2 relatív sebességek irányát a lapátok β 1 és β 2 belépő és kilépő szöge határozza meg. b 1 és b 2 a belépő és kilépő lapátszélesség. r 1 és r 2 lapátok sugarai. Belépő kerületi sebesség: u 1 = r 1 ω Kilépő kerületi sebesség: u 2 = r 2 ω Meridián sebességek: c 1m : a belépő sebesség merőleges komponense c 2m : a kilépő sebesség merőleges komponense 44

Örvényszivattyúk Lapátkialakítások Axiális átömlésű járókerék: állandó sugarú hengerfelületek mentén áramlik a folyadék. A kerületi sebességkomponens (lapátok görbülete) növelése Szögsebesség növelése Radiális átömlésű járókerék: a folyadékrészek távolodnak a forgástengelytől. Kerületi komponens növelése Sugárirányú elmozdulás (meridián metszettől) növeli a perdületet ad lehetőséget a munkavégzésre Azonos fordulatszám esetén, nagy fajlagos munkavégzésre a radiális átömlésű járókerék alkalmasabb. 45

A járókerék minden lapátjának két oldala van: Nyomott oldal: maga előtt tolja a folyadékot Örvényszivattyúk Lapátkialakítások Szívott oldal A belépő éltől kezdve a szívott oldalon gyorsabban nő a sebesség, mint a nyomott oldalon. Egy lapát két oldalán szükségszerűen különböznie kell a sebességnek, különben nem lehetne a cirkuláció zérustól különböző érték. Két szomszédos lapát közötti lapátcsatornában folyamatosan változik a sebesség. w relatív sebességnek a lapát szívott és nyomott oldalán szakadása van. - Nyomóoldal piros, szívóoldal kék. - Szögsebesség vektor: ω - Kilépő él sebességvektorai: - Piros: abszolút sebesség - Kék: kerületi sebesség - Zöld: relatív (lapát irányú) sebesség 46

Örvényszivattyúk Lapátkialakítások β 2 β 2 β 2 Hátra hajló lapátozású járókerék Egyenes lapátozású járókerék Előre hajló lapátozású járókerék Fojtás hatására egyre jobban nyomja a folyadékot. β 2 < 90 Fojtásra érzéketlen. β 2 = 90 *A lapát hajlási irányát a járókerék forgási irányához viszonyítjuk. ** β 2 W és c 2 u vektorok között mérhető. Fojtás hatására egyre kevésbé nyomja a folyadékot. β 2 > 90 47

Szivattyúk veszteségei Áramlási veszteség: A folyadék áramlásában a szívócsonk és a nyomócsonk közötti veszteségforrások miatt lépnek fel. Súrlódási veszteség: A szívócsonktól a nyomócsonkig történő áramlás során, a vezetőkeréken és a lapátkeréken, valamint a szívó és nyomócsonkon keresztülhaladva lép fel. Nagysága az időegység alatt átáramló q v folyadékmennyiséggel négyzetesen arányos Jele: h Iránytörési veszteség: Névleges folyadékszállítástól eltérő folyadékszállításoknál az irányváltozások miatt lép fel. Jele: h B Volumetrikus (rés) veszteség: Tömítetlenség következménye, a folyadékszállítás (térfogatáram) csökkenésében jelentkezik. A forgó járókerék és az álló ház között rések találhatók, melynek következménye, hogy a felemelt folyadék egy része nem jut el a nyomócsonkhoz, hanem a szívótorokhoz kerül vissza. A volumetrikus hatásfokkal jellemzik: η v Mechanikai veszteség: Csapsúrlódás, tömszelencén átvezetett tengely súrlódási munkájából származik. A mechanikus hatásfokkal jellemzik: η m 48

Áramlási veszteség: Szivattyúk veszteségei Hidraulikus veszteség: A lapátok közötti lapátcsatornában és a szivattyú egyéb, folyadékkal átáramlott részein ébredő csősúrlódási veszteségek okozzák. Turbulens áramlás esetén a térfogatáram négyzetével arányos. Leválás: A tervezésinél kisebb vagy nagyobb térfogatáramok esetén alakul ki a lapát belépő élét követő szakaszon, és más olyan helyeken ahol az áramlási keresztmetszetekben nem a tervezési térfogatáram halad keresztül. Szekunder áramlás: A tervezettől eltérő térfogatáram. A lapátcsatornában a nyomáskülönbség miatt a lapátok között egy másodlagos áramlás jön létre. Iránya a járókerék forgási irányával ellentétes. A valós és a tervezett térfogatáram eltérésének jó közelítéssel második hatványával arányos. Áramlási veszteségek összege: h = h súrl + h lev 49

Örvényszivattyúk Jelleggörbék 1. Fojtási görbe: A szállítómagasság és a folyadékszállítás közti összefüggést szemlélteti állandó fordulatszámon. Akkor lapos, ha kismértékű (1-2%) szállítómagasság változáshoz 10-20%-os folyadékszállítás változás tartozik. 2. Teljesítmény görbe: Adott üzemi állapothoz szükséges teljesítmény olvasható le, aminek alapján kiválasztható a hajtómotor. 3. Hatásfok görbe: A szivattyú üzemeltetésének gazdaságosságát jellemzi. 4. Szivattyú maximális szívóképesség görbe: Megállapítható, hogy a H sm tényleges szívómagasság kisebb vagy nagyobb-e a H smkl értéknél. A szivattyú csak akkor működik, ha H smkl > H sm. 50

Függ: Járókerék kialakításától: a β 2 kilépési lapátszögtől Jellemző fordulatszámtól Örvényszivattyúk Jelleggörbék A szivattyú szállítómagassága a kerületi sebesség négyzetével arányos A fojtásgörbe lapos, a szállítómagasságot tartja különböző folyadék szállításoknál. A teljesítményfelvétel a folyadékszállítással nő. Közepes fordulatszámú szivattyú. Teljesítményfelvétel állandó A terhelőmagasság növelésével leválik az áramlás állandó marad vagy visszaesik a szállítómagasság. 51

Örvényszivattyúk Fajlagos üzemi jelleggörbék A dimenzió nélküli (*-gal jelölt) fajlagos üzemi paraméterek definiálásához a legjobb hatásfokú (η max ) pont üzemi jellemzőivel (Q opt, H opt, P be opt ) osztott jellemzőket használjuk. r radiális, fa félaxiális, a axiális Egy diagramban az azonos üzemi paraméterek szerepelnek: H*(Q * ), P be * (Q * ), η * (Q * ) Radiális gép: Kis Q * értékhez tartozó, emelkedő szakasza a labilis szakasz. Axiális gép: Az inflexiós ponttól balra lévő tartomány lengések kialakulásai miatt veszélyes. Félaxiális gép: Teljesítményfelvétele a térfogatáram növekedésével nő. Teljesítményfelvétele a térfogatáram növekedésével csökken. Teljesítményfelvétele széles tartományban állandó. Hatásfok széles térfogatáram tartományban nagy. Hatásfok csak az optimális üzemi pont szűk környezetében elfogadható. 52

Örvényszivattyúk Jelleggörbék NPSH Net Positive Suction Head, nettó pozitív szívó magasság (belső nyomásesés). NPSH r A szivattyú által igényelt (required) érték. Radiális Félaxiális Axiális NPSH görbe változása a (Q) térfogatáram függvényében, ha Q lényegesen nagyobb az optimálisnál. Q h : az a térfogatáram, ahol a fekete NPSH görbe erősen emelkedni kezd. 53

Fordulatszám hatása a jelleggörbékre Affinitás A szivattyúk jelleggörbéit több állandó fordulatszámon veszik fel és adják meg. H n 2 és Q n miatt egy n 1 fordulatszám mellett mért jelleggörbe, egy másik n 2 fordulatszámra átszámítható. Ha úgy változtatjuk a fordulatszámot, hogy a sebességi háromszögek csak nagyságukat változtassák (alakjukat ne), akkor a különböző fordulatszámhoz tartozó sebességi háromszögek hasonlóak, tehát a fordulatszám (kerületi sebesség) változásával arányosan változik a meridián sebesség. Összetartozó pontjai origón átmenő, másodfokú parabolán fekszenek. Nem tudni, hogy különböző fordulatszámokon a szivattyú hatásfoka a folyadékszállítás függvényében hogyan változik, mérésekkel kell meghatározni. 54

Fordulatszám hatása a jelleggörbékre Affinitás Szilárdsági probléma miatt az n 2 fordulatszám Felső korlátja: n 2 < n max Alsó korlátja: n 2 > n min Ha n csökken Reynolds-szám csökken változik az áramlás jellege. Affinitás átszámítási szabályok alkalmazhatósági tartománya H(Q) diagramban: 55

Fajsúly hatása a jelleggörbékre Nem befolyásolja: Szállítómagasság Folyadék szállítás Hatásfok Befolyásolja: Teljesítmény felvétel 56

Viszkozitás hatása a jelleggörbékre Nő a viszkozitás nő a súrlódási veszteség romlik a hidraulikai hatásfok csökken a szivattyú emelőmagassága. Emellett a nagyobb viszkozitással csökken a résveszteség. 57

Szivattyúk hatásfoka A hatásfok maximum jó gépek esetén n q növelésével nő, majd kismértékben csökken. Radiális, fél axiális átömlésű, egy fokozatú szivattyúk esetén a hatásfok: A gép méretétől is függ a hatásfok: a térfogatáram növelésekor nő a geometriai méret. 58

Cordier-diagram n q : jellemző fordulatszám D q : jellemző átmérő - Kis n q értékű gépek radiális (centrifugális) átömlésűek. - Nagy n q értékű gépek axiális átömlésűek. 59

Kavitáció Az áramló folyadék abszolút nyomásának nagymértékű csökkenése miatt a folyadék belsejében gőzbuborékok keletkeznek. A járókerék belépő élének közelében a lapát hátoldaláról indul ki. A folyadék azon részén lép fel, ahol az abszolút nyomás a folyadék adott hőmérsékletéhez tartozó telített gőz nyomása alá csökken a folyadék folytonossága megszakad az űrt a folyadék gőzei töltik ki. 60

Kavitáció Szilárd anyagoknál Szilárd szerkezeti anyagok felszínén kialakuló kavitáció: 1. fázis: A fellépő gőztér az anyag felszínén látszólag helyben marad. Káros hatást nem fejt ki, sőt a gépek hatásfokát kissé javítja is. 2.fázis: Az anyagok felületén tovasodródó buborékok előrehaladásuk folyamán olyan helyre jutnak, ahol a nyomás újra eléri a telített gőznyomást. A gőzbuborékok kondenzálódnak. Ebben a környezetben következik be a buborék hirtelen összeroppanása. Ezután lépnek fel a káros jelenségek, melyek nagysága és minősége a kavitáció kifejlődésének mértékétől függ. 61

Kavitáció Szilárd anyagoknál Kavitáció következményei: 1. Zörejek fellépése: önmagában még nem káros. 2. Alkatrészek vagy az egész rendszer rezgésbe, lengésbe jöhet: rövidíti a berendezés élettartamát, töréshez vezethet. 3. Szerkezeti anyag roncsolása: először a felületet támadja meg, majd lyukacsossá teszi, végül teljesen átmarja az anyagot. 62

Sugárszivattyúk

Sugárszivattyú Működési elv: Egy nagy energiájú primer (víz, gőz, gáz) sugár és egy kis energiájú szekunder sugár impulzuscseréje a keverőtérben. A primer és a szekunder közeg lehet azonos vagy eltérő, összenyomható vagy összenyomhatatlan. Általában vizet vagy gőzt használnak. Típusai: Szívó sugárszivattyú (ejektor) Nyomó sugárszivattyú (injektor): üzemanyag befecskendező Mindkét típus lehet: - Vízsugárszivattyú - Gőzsugárszivattyú - Gázsugárszivattyú 64

Működés: Sugárszivattyú 1. A primer sugár energiáját kompresszorral hozzák létre. 2. A szűkítőbe lépve sebessége felgyorsul, nyomása lecsökken. 3. Felszívja a szállítandó anyagot szekunder egy tartályból csővezetéken keresztül. 4. A keverőtérben elegyedik a munkaközeggel primer. 5. A keverék a diffúzoron keresztül távozik. A 1 : primer fúvóka keresztmetszete A 2 : szekunder fúvóka keresztmetszete c 1 : primer sugár sebessége c 2 : szekunder sugár sebessége c x : primer és szekunder sugár kiegyenlítődött sebessége 65

Sugárszivattyú Alkalmazási tartomány Vízsugárszivattyú alkalmazási tartománya: 2 H 2 2 1 H H 1 1 2 A γ sebesség-viszony 0 és 1 között változhat: γ =0: Szekunder sugár sebessége zérus nem szállít a szivattyú. γ =1: A szekunder sugár sebessége megegyezik a primer sugár sebességével nincs impulzus csere nem vízsugárszivattyú. A képlet bal oldalán álló kifejezés értéke 0 és 1 között változhat: H 2 =0: A szekunder sugár hasznos hidraulikai teljesítménye és így a hatásfok zérus. H 1 =0: A bevezetett hidraulikai teljesítmény zérus. α: fajlagos keresztmetszet viszony H 1 H 2 H 2 2 2, 2 4, / 3, ha 0 ha 0,5 ha 1 66

Egyéb szivattyúk

Mammut-szivattyú A vizet nagy nyomású levegő vagy gáz segítségével szivattyúzza. Egy nagy átmérőjű függőleges cső merül a kiszivattyúzandó vízbe. A csőre felülről nyúlik rá a nyomóvezeték csöve, melybe alulról bevezetik a kompresszor által szállított levegőt. A levegő kisebb fajsúlya révén buborékok formájában felemelkedik és mozgás közben magával ragadja a vizet. Hatásfoka alacsony. Érzéketlen a víz szennyezettségére és arra, ha a szívott térből leszívja az összes folyadékot. Levegő a kompresszortól Víz nyomócsonkja 68

Torlónyomás-szivattyú Egy derékszögben meghajlított csövet vízbe merítve és gyorsan mozgatva a szabad nyílás irányába, a torlónyomás a folyadékot áthajtja a csövön. Az Amerikai Egyesült Államokban a gőzmozdonyokon használták: A két sín között elhelyezett vízmedencébe nyújtottak le szájával a menetirányba állított csövet, így megállás nélkül tudtak pótvizet felszippantani. Hasonló megoldást alkalmaznak a tűzoltó repülőkön is. 69