Клавішно-роторний привід поршневого нагнітача

Кпавішно-роторний привід поршневого нагнітача складається з привідної клавіші (ручки), що шарнірно зв'язана з шатуном поршня нагнітача, нерухомої осі кріплення клавіші, який відрізня ється тим, що додатково має допоміжну клавішу, два гребені, встановлені зверху клавіш, плече контрваги, нерухому вісь кріплення допоміжної клавіші, рухому вісь, якою зв'язані між собою основна і допоміжна клавіші опори, на яких кріпляться рейки горизонтальної кругової дороги, витискний ротор, що складається з котків з осями, які можуть обертатися в підшипниках в круговій рамі, пристрій для обертання витискного ротора електродвигуном та електродвигун Кпавішно-роторний привод поршневого нагнітателя - механічний пристрій та спосіб приведення в дію поршневого нагнітателя належить до галузі техніки по переміщенню та стискуванні рідин та газів Для переміщення і стискування рідин та газів поршневими нагнітателями з механічних приводів в роботу цих машин відомо ручний привод, що діє від мускульної сили людини і кривошипношатунний привод, що діж від механічної енергії двигуна - електричного чи теплового Кпавішнороторний привод поршневого нагнітателя - це поєднання принципу і способу роботи деталей ручного приводу (важіль, вісь обертання, шатун) з використанням механічної енергії двигуна, як в кривошипно-шатунного приводу На відміну від кривошипно-шатунного приводу, де приложения сили, під дією якої здійснюється зворотнопоступальний рух поршня в циліндрі, відбувається за рахунок потужності двигуна - в клавішнороторному приводі зворотно-поступальний рух поршня в циліндрі відбувається від дії сили тяжіння маси витискного ротора Витискний ротор перекочується по рейках кругової дороги на своїх котках від дії потужності двигуна приводу обертання останнього Потужність цього двигуна буде набагато меншою, ніж потужність двигуна кривошипношатунного приводу поршневого нагнітателя такої ж продуктивності і натиску Це видно з розрахунку на аркушах №7,8,9 натиску, чого, практично, не можливо досягти (в одиничному агрегаті) при застосуванні інших механічних приводів цієї машини Застосування клавішно-роторного приводу поршневого нагнітателя дозволить досягти питомої витрати електричної потужності на одиницю об'єму продукції, видаваємої цією машиною, набагато меншої, чим цей показник при других механічних приводах поршневого нагнітателя Цей висновок базується на тому, що хід поршня в циліндрі поршневого нагнітателя вверх і вниз виконується за рахунок сили тяжіння маси витискного ротора, що перекочуючись своїми котками по горизонтальній рейковій дорозі, вдавлює ними при цьому і гребні клавіш, що виступають над рівнем рейок, вниз, а потім піднімає їх вверх Рух витискного ротора подібний до руху на підйом по рейках залізничного потяга, який тягне локомотив, наприклад, електровоз Трансмісія передачі крутного моменту витискному ротору від тягового електродвигуна може мати набагато більше передаточне число і більший крутний момент передавати, ніж трансмісія електровоза Електровоз - локомотив залізничного транспорту, втиснутий в ДІЮЧІ стандартні розміри рухомого складу залізниці, які ЗМІНІ не підлягають по причині нераціональності будь-яких змін Розрахунки на основі яких зроблені ці висновки наведені на аркуші №10,11 Кпавішно-роторний привод поршневого нагнітателя дає можливість створення компактного агрегата любої (і дуже великої) продуктивності і Вище наведені показники, яких можливо досягти при застосуванні клавішно-роторного приводу поршневого нагнітателя дають основу для використання цієї машини для досягнення нових кінцевих цілей і високої ефективності Наприклад, якщо о о (О 61009 поршневий нагнітатель з клавішно-роторним приводом застосувати в якості насосу для переміщення під тиском води, то зважаючи на те, що питома витрата електричної енергії на одиницю об'єму переміщеної води одержується менше одиниці (див розрахунок на аркуші №9,10), є реальна можливість організувати подачу води на висоту, а потім подавати (чи скидати її вниз) на гідравлічну турбіну з'єднану з електричним генератором і таким чином виробляти електричну енергію в КІЛЬКОСТІ більшій, чим споживає и поршневий насос з клавішно-роторним приводом для своєї роботи Пристрій для подачі води поршневим нагнітателем з клавішно-роторним приводом названо - клавішно-поршневий водопідйомник - КПВ В КПВ не порушується закон збереження енергії, так як енергія сили тяжіння маси витискного ротору і електрична енергія, що подається на тяговий електродвигун обертання витискного ротору в сумі складають показник енергії більший, чим можливо одержати на гідротурбіні від скинутої вниз води, тому коефіцієнт корисної дії КПВ буде менше 100% Енергію сили тяжіння маси витискного ротору, як основне і дармове (без затратне і невичерпне) джерело енергії для виконання зворотно-поступального руху поршня в циліндрі поршневого нагнітателя, а електричну енергію, що подається для роботи тягового електродвигуна, яким обертається витискний ротор - як додаткове джерело енергії, але покупне, тобто затратне, тому враховується затрата тільки цього джерела енергії Пристрій для виробництва електричної енергії з використанням клавішно-поршневого водопідйомника для подачі води на гідроагрегат гідравлічної електричної станції (ГЕС) названо ПВ ГЕС - гідравлічна електрична станція з підйомником води В склад клавішно-роторного приводу поршневого нагнітателя входять (Фіг 1 і 2) опори 13 на яких лежать рейки горизонтальної кругової дороги 12 перекочування витискного ротору і витискний ротор Витискний ротор (фіг 4) складається з котків 15 з ребордами 16 і осями котків 17, що обертаються на підшипниках в рамі між ЗОВНІШНІМ кільцем 18 та внутрішнім кільцем 19, скріплених між собою кріпленням 20, шківа або зубчатого колеса 21, закріпленого на рамі витискного ротору кріпленням 22 і трансмісії приводу обертання витискного ротору по рейкам дороги 12 Приводом обертання витсикного ротора може бути люба механічна передача На фігурі 4 приведено приклад ремінної або цепної передачі, яка складається з електричного двигуна 23 з насадженим на його вал ведучого шківа (зірки) 24, веденого шківа (зірки) 2 1 , ременя (цепу) 25, яким вони сполучені Клавішний привод поршневого нагнітателя складається (фіг 1,2) з балки 1, гребня 3, плеча контрваги 6, нерухомої осі 5 основної (витискної) клавіші та балки 2, гребня 4, не рухомої осі 11 допоміжної (підйомної) клавіші До балки 1 основної (витискної) клавіші з низу кріпиться вилка 7 до якої шарнірне закріплюється шатун 8 з поршнем 9, що може підніматися вверх і опускатися вниз в циліндрі 10 поршневого нагнітателя Плече контрваги 6 основної клавіші та балка 2 допоміжної клавіші з'єднані рухомою віссю 26 По довжині основна (витискна) клавіша (фіг 2) точкою кріплення вилки 7 ділиться на дві частини робочу h, до якої зверху кріпиться гребінь 3 і плече витискування Ь, що починається від нерухомої осі 5 до точки кріплення вилки 7 Загальна довжина основної (витискної) клавіші Іок-Іі + І2 Допоміжна (підйомна) клавіша точкою кріплення рухомої осі 26 ділиться на дві частини робочу Із, до якої зверху кріпиться гребінь 4 і плече І4 Загальна довжина допоміжної клавіші буде ІДк=Із+І4Іок умовно ділиться на чотири рівні частини Іі=3/4І 0К , І2-1/4Іок Плече контрваги 6 основної клавіші по довжині дорівнює довжині /2 Загальна довжина допоміжної клавіші І д к умовно ділиться на три рівні частини Із=2/3 4=1/3 Ідк Довжина рівна довжині плеча контрваги 6 основної клавіші Робоча частина допоміжної (підйомної) клавіші Із на якій зверху кріпиться гребінь 4 своїм вільним кінцем входить між балки плеча контрваги 6 і плече Ь основної (витискної) клавіші, тобто остання має дві штуки балок 1, які кріпляться на двох не рухомих осях 5 і з'єднані між собою тільки на тій частині h, де кріпиться гребінь 3 Гребінь 3 кінчається над вилкою 7 і має тут максимальний підйом h-i, який дорівнює величині ходу поршня 9 в циліндрі 10 - h Профіль гребня 3 подібний не рівнобокій трапеції, основою якої є балка 1 на h, верхня частина гребня 3 полога на 2/3 h, від вільного кінця клавіші, а на 1/3 верхній профіль паралельний профілю балки 1 до кінця гребня 3, тобто до точки кріплення вилки 7 і піднятий над балкою 1 на висоту h-i, Підйом верхньої частини гребня 3 по відношенню 1 буде hi h Профіль гребня 4 допоміжної клавіші теж нерівнобока трапеція висота її підйому гі2 дорівнює hi гребня h=hi=h2 Основні (ВИТИСКНІ) клавіші розміщуються так, як сторони правильного, мінімум, шестикутника, вершинами сторін якого є нерухомі осі 5(фігЗ) Таким чином довжина І ок дорівнює радіусу кола Ro описаного через ці точки Клавішно-роторний привод поршневого нагнітателя може мати і більшу КІЛЬКІСТЬ клавіш, але вони повинні бути сторонами правильного багатокутника і мати парне число - 6, 12, 18, 24 і так дальше Радіус кола описаного по кутам багатокутника буде Ro радіус шестикутника, радіус 12-ти кутника буде Ri=2Ro, радіус 18-ти кутника R2=3Ro, радіус 24-ри кутника буде R3=4Ro і так дальше (фіг 5) Дорога перекочування витискного ротора горизонтальна і має кільцеву форму, г і п, останньої (фігЗ) повинні бути такими,щоб реборди 16 котків 15 витискного ротору і рейки дороги не перетинали ні основних ні допоміжних клавіш Витискний ротор завжди має ВДВІЧІ менше число котків, чим число клавіш і, ВІДПОВІДНО, циліндрів поршневого нагнітателя Ці поршневі нагнітателі одинарної дії, тому через один циліндр проходить одночасно один і той же хід поршня - вверх або вниз Витискний ротор обертаючись по дорозі перекочування 12 котками 15 наїжджає на гребінь 3 основНОІ(ВИТИСКНОІ) клавіші від вільного кінця останньої і при цьому вдавлює її заставляє повертатися балку 1 вниз на не рухомій осі 5 і звершується вниз хід поршня 9 в циліндрі 10, так як шатун 8 закріплений шарнірне з вилкою 7 на балці 1 основної клавіші, то і переміщується разом з балкою 1 Одночасно від плеча контрваги 6 разом з ним переміщується вверх і зв'язана рухомою віссю 26 балка 2 з греб 61009 нем 4 допоміжної (підйомної) клавіші По досягненні котком 15 кінця гребня 3, а це буде над кріпленням вилки 7 (фиг 1) коток 15 перекочуючись дальше наїжджає на гребінь 4 і вдавлюючи його повертає допоміжну (підйомну) клавішу (балку 2) вниз на нерухомій осі 11 і з'єднане рухомою віссю 26 плече контрваги 6 основної клавіші (фіг 2) Повертаючись вниз, плече контрваги 6 через нерухому вісь 5 повертає балку 1 основної клавіші вверх і разом з балкою 1 піднімається гребінь З, вилка 7 і шатун 8 разом з поршнем 9 в циліндрі 10 Клавіша являє собою важіль 2-го роду і наведена вище пропорція розмірів останньої являється оптимальною, тому що гарантує максимально задовільні умови виконання зворотно-поступального руху поршня в циліндрі Для виконання ходу витискування робочої рідини чи газу з циліндра потрібне стабільно максимальне зусилля на поршень з початку ходу і до його кінця На фіг 1 видно, що коли коток 15 витискного ротору починає наїжджати на гребінь 3 основної клавіші (балка 1), то спочатку згідно з законом важеля на шатун 8 і поршень 9 діє зусилля в 4-ри рази більше (4 1), чим сила тяжіння маси котка 15, потім коли коток перекочується дальше, вдавлюючи при цьому гребінь З вниз, це зусилля зменшується і досягає мінімального значення (1 1) тільки над точкою кріплення вилки 7 Зусилля для підйому балки 1 з гребенем З, вилкою 7 і шатуна 8 поршня 9 в циліндрі 10 вверх буде достатньо, так як коток 15 буде перекочуватися над гребенем 4 балки 2 і до точки кріплення рухомої осі 26 це зусилля буде спочатку З 1 і тільки над віссю 26 буде мінімальне, тобто 1 1 Зусилля для виконання ходу вверх - такта всасування взагалі потрібне менше, чим для такту витискування і хоча перекочуючись дальше уже за нерухомою віссю 5 коток 15 буде одночасно вдавлювати гребінь 4 на балці 2 попереднього циліндра і гребінь 3 на балці 1 наступного циліндра, але тільки на довжині гребня 3, де буде передаватися на поршень цього циліндра зусилля, як мінімум 2,5-3 1 - тобто сили тяжіння котка 15 буде достатньо для цього Швидкість обертання витискного ротору повинна бути такою, що коток 15 останнього проходив відстань довжини балки 1 основної клавіші Іок за одну секунду часу Таким чином час опускання поршня 9 вниз в циліндрі 10 (такт витискування) дорівнюватиме 0,75 секунди, а час підйому поршня вверх в циліндрі 10 (такт всасування) буде 1,25 секунди, тобто буде час для можливості максимального відкриття всасующого клапана поршневого нагнітателя Перелік фігур креслення Фігури креслення наводяться на п'яти аркушах Аркуш, де зображено фіг 1 і 2, Аркуш, де зображено фіг З, Аркуш, де зображено фіг 4, Аркуш, де зображено фіг 5, Аркуш, де зображено фіг 6, На фіг 1 і 2 показано схему (вид збоку) взаєморозміщення частин клавішного приводу поршневого нагнітателя і котка витискного ротора при виконанні поршнем ходу вниз - фіг 1 і ходу поршня вверх - фіг 2 На фіг 3 показано схему (вид зверху) взаєморозміщення частин клавішного приводу поршневого нагнітателя і дороги перекочування витискного ротора На фіг 4 показано схему (вид зверху) будови витисткного ротора і приводу для перекочування останнього по рейкам дороги перекочування з проекцією останнього на клавішний привод поршневого нагнітателя і дорогу перекочування, тобто фіг З На фіг 5 показано схему розположення клавішного приводу поршневих нагнітателів, які мають по шість клавіш і шість циліндрів, по 12 клавіш і циліндрів, по 18 клавіш і циліндрів, по 24 клавіш і циліндрів, ЗО клавіші циліндр На фіг 6 показано план-схему будови ПВ ГЕС з багатокільцевим КПВ і єдиним пдротурбоагрегатним (машинним) корпусом Римськими цифрами на фіг5 позначено I Кільця клавішно-поршневого підйомника КПВ II Ремонтно - оглядовий кільцевий майданчик III Гідротурбогенераторний корпус - машинний зал IV Трубопровід подачі води на гідротурбіну (підземний напірний) V Трубопровід відведення води з гідротурбіни (підземний безнапірний) VI Прийомно-розподільчий басейн для води, яка пройшла через гідротурбіну Приводные поршневые** Тип Т-10/140 Лебедянский маЗавод-изготовитель шиностроительный .. дозировочный Назначение ^ котла Производительность м3/ч 10 Напор м 140 Мощность электродвигателя квт 75 Частота вращения об/мин 260 Масса кг 2450 Поршневий насос з клавішно-роторним приводом або клавішно-поршневий водопідйомник КПВ Діаметр поршня 110мм Хід поршня 125мм КІЛЬКІСТЬ циліндрів бштук Площа одного 3,14x110' циліндра 4=9498,5мм 2 =94,985см : Робочий об'єм одного циліндра 94,985см 2 х12,5см=1187см 3 =1,187 літра Коефіцієнт корисної дії поршневого насосу 85%=0,85 За одну секунду в 3-х циліндрах виконується такт витискування Продуктивність КПВ буде 1,187лхЗх0,8=3,02л/с Продуктивність КПВ за годину 3,02лх3600с=10872л/год=10,872м3/год Щоб одержати натиск води 140м, або, що теж саме 14кг/см Необхідно на 1 поршень приложити силу не менше 61009 94,985см х14=1329,79кг~1330кг Витискний ротор цього КПВ буде мати Зшт котків і загальна маса його буде 1330кгхЗ=3990кг~4000кг Підйом гребня приймемо - 0,1 або кут нахилу 5°43' Довжина робочої частини h основної клавіші буде 125мм 10x100=1250мм=1,25м Довжина основної клавіші Іок буде 1,25м 3+1,25м=1,7м Довжина кола описаного по нерухомих осях 5 клавіш буде 1,7мх2хЗ,14=10,67м Швидкість обертання витискного ротора буде 10,67м 6=1,77м/с Потужність тягового електродвигуна приводу обертання витискного ротора розрахуємо по формулі NflB=(mg/uTi)V(sina+)j.cosa) Де m - маса витискного ротора = 4000кг, g - сила тяжіння = 9,8н/кг, V - швидкість обертання витискного ротору = 1,77м/с u - передаточне число трансмісії =12 ті - коефіцієнт корисної дії трансмісії = 0,8*2 ц - коефіцієнт тертя кочення = 0,05*3 a - кут підйому гребня клавіші = 5°43' NflB=(4000x9,8/12x0,8)x1,77(sin5o43'+0,05xcos5 °43')=1079ватт=1,07квт Зрівняємо потужність електродвигуна приводного поршневого насосу Т-10/140 з потужністю тягового електродвигуна клавішно-поршневого водопідйомника - КПВ 75квт більше 1,079квт Питома витрати потужності приводного насосу Т-10/140 на 1 літр води піднятої на висоту 140м за 1с часу 75квт/10м3/год 3600с=75квт/2,77л/с=27,07квт/ літр Питома витрати потужності КПВ продуктивністю 10,879м3/год з натиском 140м на 1 літр в секунДУ 1,079квт 3,02л=357,28ватт=0,358квт/літр 27,07квт/літр більше 0,358квт/літр Потужність, яку можливо отримати на валу гідротурбіни при скиданні 1 літра води з висоти 140м за 1 секунду часу N=mghxr|/t Де m - маса води = 0,001 м3х1000кг=1кг g - сила тяжіння = 9,8н/кг h - висота падіння води = 140м ті - коефіцієнт корисної дії гідротурбіни = 0,9 t - час падіння води = 1 сек N=1 кгх9,8н/кгх140мх0,9/1с=1234,8ват=1,234квт 0,358квт менше 1,234квт Висновок, що від трансмісії передачі крутного моменту робочому органу від двигуна залежить величина потужності останнього базується на прикладі розрахунку потужності, що розвиває тіло, що рухається на підйом по похилій площині Наприклад, потужність, що розвиває електровоз ВЛ-10, що тягне рівномірно нормальний вантажний залізничний потяг масою m по рейках залізниці зі швидкістю V на підйом кут якого а, коефіцієнт тертя кочення ц буде N=mgV(sma+)j.cosa) 8 m - маса залізничного потягу з 60-ти штук вантажних вагонів, вантажопідйомність кожного 1 60000кг, маса кожного вагона 22600кг* 1 маса електровоза ВЛ-10 - 184000кг* т-60шт (22600кг+60000кг)+184000кг=140000кг g - сила тяжіння 9,8н/кг 4 V - швидкість 47км/год* =13,05м/с a - кут підйому=0° 3 ц - коефіцієнт тертя кочення=0,05* N=5140000x9,8x13,05(sm0°+0 05cos0°)=57354 600,9(0+0 050х1)=32867730ват=32867,73квт Але ж потужність електровоза ВЛ-10 всього 5 5200квт* , тобто загальна потужність 8-ми тягових 4 електродвигунів * , то як же він тягне такий потяг?! Електровоз ВЛ-10, як люба транспортна машина, має пристрій для передачі і, як правило, збільшення крутного моменту колісним парам на яких він переміщається по рейкам дороги - трансмісію, яка завжди має якесь передаточне число Виходить, що загальну потужність тягових електродвигунів електровоза потрібно розраховувати по формулі u - передаточне число трансмісії г| - коефіцієнт корисної дії трансмісії Поршневий нагнітатель складається з циліндричного корпусу, в середині якого переміщується поршень з кільцями, всмоктувального та нагнітательного клапанів Поршень в корпусі виконує зворотно поступальний рух Перетворення обертального руху привода в зворотнопоступальний рух поршня здійснюється за допомогою кривошипношатунного механізму При русі поршня вверх відкривається всмоктувальний клапан, і рідина заповнює простір в середині корпусу При цьому нагнітательний клапан закритий При русі поршня вниз всмоктувальний клапан закритий, відкривається нагнітательний клапан, і рідина виштовхується в нагнітательний трубопровід Поршневі нагнітателі мають наступні достоїнства високий ККД (до 95%), можливість одержання великого тиску, незалежність подачі від протидії мережі, можливість запуску в роботу без попереднього заливання (при використанні в якості насосів) До недоліків належать громіздкість конструкції, неможливість використання для приводу швидкохідних електродвигунів із-за складності приводу через кривошипношатунний механізм, складність регулювання по Фдачі -ft 1 Для виконання елементарних функцій - перекачування рідини і забезпечення різних допоміжних операцій в сучасній техніці часто застосовують поршневі насоси з ручним приводом Насос складається (фіг 1,2) з циліндра 10, поршня 9, шатун 8 якого сполучений з приводною клавішою (ручкою) 1, вилки 7, нерухомої осі 5 клавіші При коливанні клавіші (ручки) поршень виконує зворотньопоступальний рух в циліндрі t£2 Ручний привод нагнітателя простої дії з вертикальним циліндром є прототипом клавішно-роторного приводу таких нагнітателів Для можливості механізувати ручний привод такого нагнітателя з одержанням нових достоїнств (можливість використання для приводу швидкохідних електродвигунів і розширення області застосування поршневих нагнітателів) і розрахований клавішно-роторний привод поршневого нагнітателя 61009 Література ** Справочник монтажника тепловых электростанций под редакцией ВП Банника и Д Я Винницкого в 2-х томах Т2 Технология монтажних работ Москва «Энергия» 1972 год-975 стр страница 84 * Енохович А С Справочник по физике и технике Учебное пособие для учащихся - 3-е изд Перераб и доп Москва «Просвещение», 1989 год -224стр 10 * 1 Там же стр 35 таблица 21, * 2 Там же стр 66 таблица 74, * 3 Там же стр 66 таблица 76, * 4 Там же стр 162 таблица 217 * 5 Там же стр 144 таблица 195 Ф Поляков В В , Скворцов Л С Насосы и вентиляторы Учеб для вузов - Москва, Стройиздат, 1990 -ЗЗбстр Ф 1 Там же стр 34,35, Ф 2 Там же стр 227 £3 ФІГ.1 Фіг.2 Фіг.3 Фіг.4 11 61009 12 Фіг.6 Фіг.5 Комп'ютерна верстка А. Ярославцева Підписне Тираж39 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м. Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Сім'ї Хохлових, 15, м. Київ, 04119