Υδραυλικές Αντλίες Αντλία οδοντωτών τροχών με εξωτερική οδόντωση (gear pump with external teeth), p=103,5±1,5 bar, 2750±40 rpm, Q=9,46 lt/min Παναγιώτης Ματζινός, Χημικός Μηχανικός, MPhil, PhD Τμήμα Οχημάτων, ΣΤΕΦ
Μη ογκομετρική αντλία
Απλή ογκομετρική αντλία
Τύποι υδραυλικών αντλιών Αντλίες οδοντωτών τροχών (Gear Pumps) Αντλίες με πτερύγια (Vane Pumps) Εμβολοφόρες αντλίες (Piston Pumps)
Αντλίες οδοντωτών τροχών Αντλίες οδοντωτών τροχών με εξωτερική οδόντωση Αντλίες οδοντωτών τροχών με εσωτερική οδόντωση Κοχλιωτές αντλίες
Αντλίες με εξωτερική οδόντωση Χρησιμοποιούν δυο οδοντωτούς τροχούς Το υγρό εξαναγκάζεται να ρέει εξωτερικά των οδοντωτών τροχών Τύπος θετικής εκτόπισης (positive displacement) όγκος εκτοπίσματος 1cm 3 έως 200cm 3 Σχετικά χαμηλή πίεση λειτουργίας 100-150 bar, Έχουν το μικρότερο ογκομετρικό βαθμό απόδοσης (συγκρινόμενες με τις πτερυγιοφόρες και εμβολοφόρες) ~90% Δημιουργία κυμάτων πίεσης και παραγωγή θορύβου Έχουν δυο άξονες, ένας φανερός και ένας εσωτερικός Ο άξονας δεν είναι στο κέντρο της αντλίας
Αντλία με εξωτερική οδόντωση (με εξισορρόπηση διάκενων) Αντλίες με εξισορρόπηση διακένων Αντλίες μικρής περιοχής υψηλής πίεσης. Πιέσεις έως 175 bar Αντλίες μεγάλης περιοχής υψηλής πίεσης. Για ειδικές παροχές έως 3cm 3 η πίεση φθάνει τα 400bar, έως 100 cm 3 η πίεση πέφτει στα 250 bar, και έως 300 cm 3 η πίεση φθάνει στα 100 έως 140 bar
Αντλία με εσωτερική οδόντωση
Αντλία οδοντωτού δίσκου
Αντλία οδοντωτών τροχών (κάθε τροχός έχει δυο δόντια) Περιστροφική αντλία με δυο λοβούς trapped fluid Ίδια αρχή λειτουργίας με τις αντλίες οδοντωτών τροχών (Two-lobe Rotary Pump) Λιγότερα διαμερίσματα Εντατικότερη ανάδευση
Κοχλιωτές αντλίες Οι κοχλιωτές αντλίες χρησιμοποιούνται για υψηλές ροές και σχετικά χαμηλές πιέσεις (max 100 bar) Χρησιμοποιούνται σε πλοία, όπου απαιτείται σταθερή πίεση σε ολόκληρο το πλοίο, ιδιαίτερα για τον έλεγχο των βαλβίδων (ball valves), αλλά επίσης για τα γρανάζια διεύθυνσης και ως βοηθητικές για τα συστήματα οδήγησης. Το πλεονέκτημα τους είναι ο χαμηλός θόρυβος λειτουργίας (σταθερή ειδική παροχή με αποτέλεσμα να μην δημιουργούνται κύματα πίεσης στην εξαγωγή). Χαμηλός βαθμός ογκομετρικής απόδοσης.
Αντλίες με πτερύγια Χρησιμοποιούν έναν στροφέα με αρκετά κινούμενα πτερύγια για να συμπιέζει το υγρό Περιστρέφεται σε έναν κυκλικό κύλινδρο, που αποτελεί το στάτορα της αντλίας Τα πτερύγια εφάπτονται στον εσωτερικό κύλινδρο λόγω της φυγόκεντρης δύναμης Σταθερής ή ρυθμιζόμενης ειδικής παροχής Έχουν υψηλότερο βαθμό ογκομετρικής απόδοσης από τις αντλίες με οδόντωση Χρησιμοποιούνται για μεσαίες πιέσεις έως 180 bar Οι μοντέρνες αντλίες ξεπερνούν τα 300 bar συνεχούς λειτουργίας Ο άξονας βρίσκεται στο κέντρο του κελύφους
Αντλίες με πτερύγια (ζυγοσταθμισμένες) Περιστρέφονται σε έναν ελλειπτικό κύλινδρο Υπάρχουν δυο περιοχές αναρρόφησης και δυο περιοχές συμπίεσης Αντιμετωπίζεται με αυτό τον τρόπο το μειονέκτημα της ανάπτυξης υψηλής πίεσης στη μισή περίπου περιφέρεια του στροφέα, που είχε ως συνέπεια τη μεγάλη καταπόνηση των εδράνων του Η περιστροφή μπορεί να αναστραφεί αναστρέφοντας τον ελλειπτικό κύλινδρο Για να μειωθεί η ισχυρή συμπίεση των πτερυγίων στον στάτορα, τα πτερύγια μπορούν να αποτελούνται από δυο κομμάτια
Ζυγοσταθμισμένη αντλία πτερυγίων
Εμβολοφόροι αντλίες Εμβολοφόροι αντλίες αξονικών εμβόλων (axial piston pumps) Αντλίες με ευθύ άξονα Αντλίες με τεθλασμένο άξονα (bent axis) Εμβολοφόροι αντλίες ακτινικών εμβόλων (radial piston pumps)
Εμβολοφόρος αντλία αξονικών εμβόλων Χρησιμοποιούν ένα κυλινδρικό τύμπανο, στο οποίο υπάρχει ένας αριθμός από κυλινδρικές τρύπες για να συμπιέζεται το υγρό Κάθε κύλινδρος έχει ένα έμβολο Όλα τα έμβολα στηρίζονται σε με μια πλάκα (swashplate). Συνήθως γλιστρούν πάνω σε αυτή μέσω πελμάτων Η πλάκα έχει κάποια κλίση ως προς τον άξονα του τυμπάνου
Εμβολοφόρος αντλία αξονικών εμβόλων Υπάρχουν δυο βασικές παραλλαγές Στις αντλίες που η πλάκα είναι σταθερή και περιστρέφεται το τύμπανο και σε αυτές που το τύμπανο είναι σταθερό και περιστρέφεται η πλάκα Όταν περιστρέφονται το τύμπανο ή η πλάκα, τα έμβολα παλινδρομούν μέσα στους κυλίνδρους, κάνοντας μια διαδρομή Η. Στη μισή περιστροφή αναρροφούν λάδι από τις τρύπες και στην άλλη μεταβολή της κλίσης της πλάκας)
Εμβολοφόρος αντλία αξονικών εμβόλων
Λειτουργία αντλιών αξονικών εμβόλων Οι περισσότεροι εμβολοφόροι αντλίες έχουν πλάκα (swash plate) που μπορεί να κινείται, με αποτέλεσμα τη ρύθμιση της ποσότητας του υγρού που εκτοπίζεται ανά στροφή (ειδική παροχή).
Λειτουργία αντλιών αξονικών εμβόλων Αντλία ρυθμιζόμενης παροχής Η πλάκα μπορεί να κλίνει μπροστά/πίσω ενώ η αντλία περιστρέφεται (τύμπανο) Η γωνία της κλίσης καθορίζει την ποσότητα και τη διεύθυνση της ροής.
Λειτουργία αντλιών αξονικών εμβόλων
Λειτουργία αντλίας αξονικών εμβόλων (συστήματος διεύθυνσης) Ουδέτερη θέση (πλάκα παράλληλη) Στροφή βαρέως οχήματος π.χ. δεξιά (πλάκα υπό κλίση) Στροφή βαρέως οχήματος π.χ. αριστερά (πλάκα υπό κλίση)
Εμβολοφόρος αντλία αξονικών εμβόλων με τεθλασμένο άξονα Έχουν την υψηλότερη απόδοση από όλες τις αντλίες Αν και γενικά ο όγκος εκτοπίσεως είναι περίπου ένα λίτρο ανά περιστροφή, εάν είναι αναγκαίο μπορεί να κατασκευασθεί αντλία εκτοπίσματος δυο λίτρων. Συνήθως χρησιμοποιούνται αντλίες μεταβλητής παροχής, έτσι ώστε να η ροή του λαδιού να ρυθμίζεται προσεκτικά. Γενικά δουλεύουν σε πιέσεις έως 350-420 bars σε συνεχή λειτουργία.
Εμβολοφόρος αντλία αξονικών εμβόλων με τεθλασμένο άξονα Το βασικό χαρακτηριστικό σε αυτές τις αντλίες είναι ότι η σύνδεση της πλάκας με τα εμβολίδια γίνεται με μπιέλα Η κίνηση δίνεται στην άτρακτο της πλάκας και μεταδίδεται στο τύμπανο. Η μετάδοση γίνεται με τους παρακάτω τρόπους Με σύνδεσμο cardan Μέσω των μπιελών και των εμβολιδίων Με ζευγάρι κωνικών οδοντωτών τροχών
Εμβολοφόρος αντλία ακτινικών εμβόλων Σταθερής ή ρυθμιζόμενης ειδικής παροχής Χρησιμοποιούνται ειδικά για υψηλές πιέσεις και σχετικά χαμηλές ροές Πιέσεις έως 650 bar θεωρούνται συνήθεις. Θεωρούνται ως ισχυρές κατασκευές, που αντέχουν σε σκληρές συνθήκες λειτουργίας, με μειωμένες απαιτήσεις συντήρησης Αντλία ρυθμιζόμενης παροχής
Εμβολοφόρος αντλία ακτινικών εμβόλων Αποτελείται: Από έναν κυλινδρικό στροφέα, στον οποίο έχουν ανοιχτεί κυλινδρίσκοι (κυλινδρικές τρύπες) Αντίστοιχος αριθμός εμβολιδίων μπορούν να μπαινοβγαίνουν στους κυλινδρίσκους Στο εξωτερικό άκρο κάθε εμβολιδίου, είναι στερεωμένος ένας αξονίσκος, από τον οποίο περιστρέφεται ελεύθερα ένας τροχίσκος Οι τροχίσκοι κινούνται περιφερειακά σε ένα αυλάκι που βρίσκεται στον στάτορα της αντλίας Ο στροφέας έχει σαν άξονά του μια κυλινδρική τρύπα με την οποία επικοινωνούν οι κυλινδρίσκοι Ένα διάφραγμα χωρίζει την τρύπα σε δυο χώρους (αναρρόφησης και συμπίεσης) Όταν ο στροφέας περιστρέφεται τα εμβολίδια και οι τροχίσκοι περιστρέφονται μαζί με αυτόν Κατά τη διαδρομή τα εμβολίδια βγαίνουν από τους κυλίνδρους, οπότε το κενό γεμίζει με λάδι που αναρροφάται από το χώρο αναρρόφησης Στη συνέχεια της διαδρομής τα εμβολίδια μπαίνουν στους κυλίνδρους και συμπιέζουν το λάδι στο χώρο συμπίεσης
Εμβολοφόρος αντλία ακτινικών εμβόλων Αντλία σταθερής ειδικής παροχής. (Σε κάποιες αντλίες θα μπορούσε να μεταβληθεί η θέση των εμβολιδίων και να υπάρχει κάποια μεταβολή της ειδικής παροχής)
Χαρακτηριστικά υδραυλικών αντλιών
Παροχή αντλίας (Q 0p )
Ισχύς αντλίας M 0p : ροπή στρέψης σε Nm n p : στροφές ανά λεπτό (rpm) Q p : πραγματική παροχή αντλίας (lt/min) Δ p : διαφορά πιέσεων εισόδου εξόδου στην αντλία (bar)
Συνολικός βαθμός απόδοσης αντλίας (n p ) Εισερχόμενη ισχύς: η μηχανική ενέργεια που μεταδίδεται στην αντλία από τον άξονά της, (shaft power) Εξερχόμενη ισχύς: η ενέργεια που μεταφέρει το υγρό υπό τη μορφή πίεσης και ποσότητας, (fluid power)
Μηχανικός βαθμός απόδοσης αντλίας (n mp )
Βασικοί υπολογισμοί Η παροχή μιας αντλίας είναι 10 lt/min με μια αύξηση πίεσης 80 bar. Η ταχύτητα περιστροφής του άξονα είναι 1420 rev/min και η ειδική παροχή 8 cm 3 /rev. Η εισερχόμενη ροπή στρέψης είναι 11,4 Nm. Ποιος είναι ο ογκομετρικός βαθμός απόδοσης; Ποια είναι η εισερχόμενη ισχύς (shaft power); Ποια είναι η εξερχόμενη ισχύς (fluid power) Ποιος είναι ο συνολικός βαθμός απόδοσης; Ποιος είναι ο μηχανικός βαθμός απόδοσης;