Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о водяном насосе с водяным приводом. Для насоса с приводом от двигателя см. Плунжерный насос . Информацию об инструменте для извлечения автомобиля см. В разделе « Гидравлические спасательные инструменты» . Для поршневого привода см. Гидравлический цилиндр .
Рисунок 1: Гидравлический цилиндр, приводящий в движение фонтан в Центре альтернативных технологий.

Гидроцилиндр или hydram , является циклической водяной насос питается от гидроэлектростанций . Он забирает воду с одним « гидравлическим напором » (давлением) и скоростью потока и выводит воду с более высоким гидравлическим напором и меньшим расходом. Устройство использует эффект гидроудара для создания давления, которое позволяет поднять часть входящей воды, которая приводит в действие насос, до точки выше, чем исходная точка подачи воды. Гидроцилиндр иногда используются в отдаленных районах, где есть как источник низконапорных гидроэлектростанцийи потребность в перекачке воды в пункт назначения, расположенный выше источника. В этой ситуации часто бывает полезен гидроцилиндр, поскольку он не требует внешнего источника энергии, кроме кинетической энергии текущей воды.

История [ править ]

Гидравлический насос в Фогне , Северная Ютландия , Дания

В 1772 году Джон Уайтхерст из Чешира , Соединенное Королевство , изобрел управляемый вручную предшественник гидроцилиндра, названный «пульсационным двигателем», и установил первый в Олтоне, Чешир, для подъема воды на высоту 4,9 метра (16 футов). [1] [2] В 1783 году он установил еще один в Ирландии . Он не запатентовал его, подробности неясны, но известно, что у него был воздушный сосуд.

Первый самодействующий поршневой насос был изобретен французом Жозефом Мишелем Монгольфье (наиболее известным как один из изобретателей воздушного шара ) в 1796 году для подъема воды на его бумажной фабрике в Вуароне . [3] Его друг Мэтью Бултон получил британский патент от своего имени в 1797 году. [4] Сыновья Монгольфье получили британский патент на улучшенную версию в 1816 году [5], и он был приобретен вместе с разработкой Уайтхерста в 1820 год - Джозайя Истон , инженер из Сомерсета , только что переехавший в Лондон.

Фирма Истона, унаследованная его сыном Джеймсом (1796–1871), выросла в девятнадцатом веке и стала одним из наиболее важных производителей машиностроения в Соединенном Королевстве с крупными заводами в Эрите , Кент . Они специализируются на системах водоснабжения и канализации по всему миру, а также на проектах по осушению земель . Компания Eastons имела хороший бизнес, поставляя тараны для водоснабжения в большие загородные дома , фермы и деревенские общины. Некоторые из их установок все еще сохранились по состоянию на 2004 год, например, в деревне Толлер Велме в Дорсете . Примерно до 1958 года, когда поступила вода из водопровода, деревня Ист-Дандрик югу от Бристоля было три рабочих барана - их шумный «удар» каждую минуту или около того резонировал в долине днем ​​и ночью: эти бараны обслуживали фермы, которым требовалось много воды для своих молочных стад.

Фирма закрылась в 1909 году, но производство баранов продолжил Джеймс Р. Истон . В 1929 году он был приобретен компанией Green & Carter [6] [7] из Винчестера , Хэмпшир , которая занималась производством и установкой рам Vulcan и Vacher Rams.

Гидравлический цилиндр System Lambach теперь в музее под открытым небом Рошайдер Хоф

Первый патент США был выдан Джозефу Серно (или Курно) и Стивену (Этьен) С. Халлету (1755-1825) в 1809 г. [8] [9] Интерес США к гидроцилиндрам возрос примерно в 1840 г., когда были выданы новые патенты. и отечественные компании начали предлагать тараны на продажу. К концу 19 века интерес угас, поскольку электричество и электрические насосы стали широко доступны.

Гидравлический таран Пристли , построенный в 1890 году в Айдахо, был «изумительным» изобретением, очевидно независимым, который поднимал воду на 110 футов (34 м) для орошения. Баран выжил и внесен в Национальный реестр исторических мест США . [10] ПРИМЕЧАНИЕ. В этом насосе утверждается, что он не имеет движущихся клапанов и использует воздух под высоким давлением, поэтому на самом деле это может быть насос Pulser .

К концу двадцатого века интерес к гидроцилиндрам возродился в связи с потребностями устойчивых технологий в развивающихся странах и энергосбережения в развитых. Хорошим примером является Aid Foundation International на Филиппинах, который получил премию Ashden Award за свою работу по разработке гидроцилиндров, которые можно было бы легко обслуживать для использования в отдаленных деревнях. [11] Принцип гидроцилиндра использовался в некоторых предложениях по использованию энергии волн , одно из которых обсуждалось еще в 1931 году Хансом Гюнтером в его книге « In hundert Jahren» . [12]

Некоторые более поздние конструкции гидроцилиндров в Великобритании, названные составными гидроцилиндрами, были разработаны для перекачивания очищенной воды с использованием неочищенного источника приводной воды, что позволяет преодолеть некоторые проблемы, связанные с получением питьевой воды из открытого ручья. [13]

В 1996 году английский инженер Фредерик Филип Селвин запатентовал гидроцилиндр, в котором сливной клапан использовал эффект Вентури и был расположен концентрически вокруг входной трубы. [14] Дизайн компактный. В настоящее время он продается как «Papa Ram Pump». [15]

Расположение клапанов гидроцилиндра Papa

Устройство и принцип действия [ править ]

Традиционный гидроцилиндр имеет только две движущиеся части, подпружиненный или нагруженный «сбросной» клапан, иногда известный как «щелкающий» клапан, и обратный клапан «подачи» , что делает его дешевым в сборке, простым в обслуживании и очень надежным.

Гидравлический цилиндр Пристли, подробно описанный в Британской энциклопедии 1947 года , не имеет движущихся частей. [10] ПРИМЕЧАНИЕ. В этом насосе заявлено, что у него нет движущихся клапанов, и он использует воздух высокого давления, поэтому на самом деле это может быть насос Pulser .

Последовательность работы [ править ]

Рисунок 2: Основные компоненты гидравлического тарана:
1. Впускной - привод трубы
2. Свободный поток на отходы клапан
3. Аутлет - напорный трубопровод
4. Waste клапан
5. Доставка Обратный клапан
сосуд 6. Давление

Упрощенный гидроцилиндр показан на рисунке 2. Первоначально сливной клапан [4] открыт (т.е. опущен) из-за собственного веса, а нагнетательный клапан [5] закрывается под давлением, создаваемым водяным столбом из выпускного отверстия. [3]. Вода во входной трубе [1] начинает течь под действием силы тяжести и набирает скорость и кинетическую энергию, пока возрастающая сила сопротивления не поднимет вес сливного клапана и не закроет его. Импульс потока воды в впускной трубе против теперь закрытый клапан отходов приводит к гидравлическому ударучто повышает давление в насосе сверх давления, вызванного давлением водяного столба из выпускного отверстия. Этот перепад давления теперь открывает нагнетательный клапан [5] и заставляет некоторое количество воды течь в нагнетательную трубу [3]. Поскольку эта вода вытесняются в горе через трубу подачи дальше , чем он падает вниз по склону от источника, замедляет поток; при изменении направления потока обратный клапан подачи [5] закрывается. Между тем гидроудар от закрытия сливного клапана также создает импульс давления, который распространяется обратно по входной трубе [16] к источнику, где он преобразуется в импульс всасывания, который распространяется обратно по входной трубе. [17] Этот импульс всасывания с грузом или пружиной на клапане снова открывает сливной клапан и позволяет процессу снова начать.

Резервуар высокого давления [6], содержащий воздушную подушку, смягчает удар гидравлического давления при закрытии сливного клапана, а также повышает эффективность перекачивания, обеспечивая более постоянный поток через нагнетательную трубу. Хотя теоретически насос мог бы работать и без него, эффективность резко упала бы, и насос будет подвергаться чрезвычайным нагрузкам, которые могут значительно сократить его срок службы. Одна из проблем заключается в том, что сжатый воздух будет постепенно растворяться в воде, пока не останется ничего. Одним из решений этой проблемы является отделение воздуха от воды с помощью эластичной диафрагмы (подобной расширительному бачку ); однако это решение может быть проблематичным в развивающихся странах, где сложно приобрести замену. Другое решение - нюхательный клапан.устанавливается рядом с приводной стороной нагнетательного клапана. Он автоматически вдыхает небольшое количество воздуха каждый раз, когда закрывается нагнетательный клапан и возникает частичный вакуум. [18] Другое решение - вставить камеру автомобильной или велосипедной шины в сосуд высокого давления с небольшим количеством воздуха и закрытым клапаном. Эта трубка фактически такая же, как и диафрагма, но изготовлена ​​из более широко доступных материалов. Воздух в трубке смягчает удары воды так же, как и воздух в других конфигурациях.

Эффективность [ править ]

Типичная энергоэффективность составляет 60%, но возможно и до 80%. Его не следует путать с объемной эффективностью, которая связывает объем поданной воды с общим объемом воды, взятой из источника. Часть воды, имеющейся на подающем трубопроводе будет снижена на отношении подающей головки к головке питания. Таким образом, если источник находится на 2 метра выше гидроцилиндра, а вода поднимается на 10 метров выше гидроцилиндра, может быть доступно только 20% подаваемой воды, а остальные 80% проливаются через сливной клапан. Эти соотношения предполагают 100% энергоэффективность. Фактическая поставка воды будет дополнительно снижена на коэффициент энергоэффективности. В приведенном выше примере, если энергоэффективность составляет 70%, подача воды будет составлять 70% от 20%, то есть 14%. При соотношении напора к напору подачи 2: 1 и КПД 70%,доставляемая вода будет составлять 70% от 50%, т.е. 35%. Очень высокое отношение подачи к напору обычно приводит к снижению энергоэффективности. Поставщики гидроцилиндров часто предоставляют таблицы с ожидаемыми объемами, основанными на реальных испытаниях.

Конструкция привода и нагнетательного трубопровода [ править ]

Поскольку как эффективность, так и надежная цикличность зависят от гидроудара, важна конструкция приводной трубы. Оно должно быть в 3–7 раз длиннее вертикального расстояния между источником и поршнем. Коммерческие гидроцилиндры могут иметь входной фитинг, рассчитанный на такой оптимальный уклон . [19] Диаметр подающей трубы обычно соответствует диаметру входного фитинга на гидроцилиндре, что, в свою очередь, зависит от его насосной способности. Приводная труба должна быть постоянного диаметра и из материала и быть как можно более прямой. Там, где необходимы изгибы, они должны быть плавными изгибами большого диаметра. Допускается даже большая спираль, но локтиследует избегать. ПВХ подойдет для некоторых установок, но предпочтительнее стальные трубы, хотя они намного дороже. Если используются клапаны, они должны быть свободнопоточного типа, например, шаровой или задвижка .

Напорная труба гораздо менее критична, поскольку сосуд высокого давления предотвращает распространение гидроудара по ней. Его общая конструкция будет определяться допустимым падением давления на основе ожидаемого потока. Обычно размер трубы будет примерно вдвое меньше размера трубы подачи, но для очень длинных участков может использоваться больший размер. Труба ПВХ и вся необходимая арматура - не проблема.

Начало работы [ править ]

Плунжер, недавно введенный в эксплуатацию или остановивший цикл, должен запуститься автоматически, если вес перепускного клапана или давление пружины отрегулированы правильно, но его можно перезапустить следующим образом: [20]Если сливной клапан находится в поднятом (закрытом) положении, его необходимо вручную опустить в открытое положение и отпустить. Если поток достаточен, он будет повторяться хотя бы один раз. Если он не продолжает цикл, его нужно нажимать несколько раз, пока он не начнет непрерывно работать самостоятельно, обычно после трех или четырех ручных циклов. Если гидроцилиндр останавливается, когда сливной клапан находится в нижнем (открытом) положении, его необходимо поднять вручную и удерживать столько времени, сколько необходимо, чтобы подающая труба наполнилась водой и чтобы любые пузырьки воздуха поднялись по трубе к источнику. Это может занять некоторое время, в зависимости от длины и диаметра подводящей трубы. Затем его можно запустить вручную, нажав несколько раз вниз, как описано выше. Наличие клапана на нагнетательном трубопроводе у гидроцилиндра облегчает запуск. Закрытие клапана до тех пор, пока гидроцилиндр не начнет цикл,затем постепенно открывая его, чтобы заполнить напорный трубопровод. Если открыть слишком быстро, цикл остановится. Как только напорная труба заполнится, клапан можно оставить открытым.

Общие эксплуатационные проблемы [ править ]

Отсутствие подачи достаточного количества воды может быть связано с неправильной регулировкой сливного клапана, слишком малым количеством воздуха в резервуаре высокого давления или простой попыткой поднять воду выше уровня, на который способен гидроцилиндр.

Плунжер может быть поврежден из-за замерзания зимой или из-за потери воздуха в сосуде высокого давления, что приведет к чрезмерной нагрузке на его части. Эти отказы потребуют сварки или других методов ремонта и, возможно, замены деталей.

Работающий плунжер нередко требует периодических перезапусков. Цикл может остановиться из-за плохой регулировки сливного клапана или недостаточного расхода воды в источнике. Воздух может попасть внутрь, если уровень подаваемой воды не выше входного конца подающей трубы хотя бы на несколько дюймов. Другими проблемами являются засорение клапанов мусором или неправильная установка, например, использование подающей трубы неоднородного диаметра или материала, с резкими изгибами или шероховатой внутренней частью, или трубка, которая слишком длинная или короткая для падения, или сделана из недостаточно жесткого материала. Подающая труба из ПВХ будет работать в некоторых установках, но не так оптимальна, как стальная.

Водяной насос [ править ]

Альтернативой гидроцилиндру является водяной насос. Его можно использовать, если требуется высокий расход при высоком коэффициенте напора. Водяной насосный агрегат представляет собой гидравлическую турбину, соединенную с водяным насосом. Движущая сила, необходимая для насоса, генерируется гидравлической турбиной из имеющейся энергии воды низкого напора. [21]

См. Также [ править ]

  • Повышающий преобразователь - электронно-гидравлический аналог гидроцилиндра. [22] [23]
  • Импульсный насос , аналогичное устройство, сделанное из трубы, соединенной с эрлифтным насосом.
  • Фонтан цапли
  • Водная ракета

Ссылки [ править ]

  1. ^ Уайтхерст, Джон (1775). «Отчет о машине для подъема воды, выполненной в Олтоне, в Чешире, в 1772 году» . Философские труды Королевского общества . 65 : 277–279. DOI : 10,1098 / rstl.1775.0026 .
  2. ↑ Описание насосов Уайтхерста и Монгольфье можно найти в: Джеймс Фергюсон и Дэвид Брюстер, Лекции по избранным предметам , 3-е изд. (Эдинбург, Шотландия: Stirling & Slade и др., 1823 г.), т. 2, страницы 287–292 ; тарелки, п. 421.
  3. ^ де Монгольфье, JM (1803). «Обратите внимание на гидравлический цилиндр и на метод расчета его воздействия» (PDF) . Journal des Mines, 13 (73) (на французском языке). С. 42–51.
  4. ^ (Редакция) (1798). «Описание патента, выданного Мэтью Бултону из Сохо, графство Стаффорд, эсквайр; за изобретение усовершенствованного устройства и методов подъема воды и других жидкостей.… От 13 декабря 1797 года» . Репертуар искусств и мануфактур . 9 (51): 145–162.
  5. ^ См., Например: «Новые патенты: Пьер Франсуа Монгольфье», « Анналы философии» , 7 (41): 405 (май 1816 г.).
  6. ^ "Hydraulic_ram" . www.chemeurope.com . Проверено 17 июня 2019 .
  7. ^ Грин и Картер - изобретатели и патентообладатели гидравлического поршневого насоса.
  8. ^ См .:
    • Исполнительные документы Палаты представителей на второй сессии двадцать первого Конгресса , т. 2 (Вашингтон, округ Колумбия: Дафф Грин, 1831 г.), страницы 328 и 332 .
    • Письмо Стивена С. Халлета президенту США Джеймсу Мэдисону от 9 сентября 1808 г. Доступно в Интернете по адресу: Национальный архив США .
  9. ↑ См. Также гидроцилиндр Роберта Фултона: письмо Томасу Джефферсону от 28 марта 1810 г. Доступно в Интернете по адресу: Национальный архив США .
  10. ^ a b Томас Б. Ренк (22 февраля 1974 г.). "Национальный реестр исторических мест инвентаризации / Номинация: Гидравлический таран священника" . Служба национальных парков . Проверено 15 ноября 2019 года .С сопровождающими двумя фотографиями 1973 года.
  11. ^ "Премия Эшдена 2007 Фонда AID" . Архивировано из оригинала на 2008-05-28 . Проверено 9 июля 2008 .
  12. ^ Hanns Гюнтер (Вальтер де Гааза) (1931). In hundert Jahren . Космос.
  13. ^ Интерпретация доска на Затерянные сады Хелиган , Корнуолл
  14. ^ Фредерик Филип Селвин, pdfpiw.uspto.gov , «Усилитель давления жидкости», патент США № 6 206 041 (подано 2 апреля 1997 г .; выдано 27 марта 2001 г.).
  15. ^ "Папа Насос" . Папа Памп .
  16. ^ https://lgpress.clemson.edu/publication/homemade-hydraulic-ram-pump-for-livestock-water/
  17. ^ https://warwick.ac.uk/fac/sci/eng/research/grouplist/structural/dtu/pubs/tr/lift/rptr15/tr15.pdf
  18. ^ "Практические ответы: Гидравлические поршневые насосы" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 06.08.2009 . Проверено 3 июня 2007 .
  19. ^ Гидравлические поршневые насосы, Джон Перкин
  20. ^ https://lgpress.clemson.edu/publication/homemade-hydraulic-ram-pump-for-livestock-water/
  21. ^ Nagarjuna Sagar Water Powered Pump (WPP) Агрегаты
  22. ^ Кипурос, Хавьер А .; Лонгория, Рауль Г. (2004-01-29). «Синтез моделей для проектирования коммутируемых систем с использованием формулировки системы с переменной структурой». Журнал динамических систем, измерения и управления . 125 (4): 618–629. DOI : 10.1115 / 1.1636774 . ISSN 0022-0434 . Насос гидроцилиндра ... по конструкции аналогичен конструкции повышающего преобразователя, что делает его гидравлическим аналогом. 
  23. ^ Лонгория, RG; Kypuros, JA; Рейнтер, HM (1997). «График Бонда и модели рассеяния волн коммутируемого преобразования мощности». 1997 Международная конференция IEEE по системам, человеку и кибернетике. Вычислительная кибернетика и моделирование . 2 . С. 1522–1526. DOI : 10.1109 / ICSMC.1997.638209 . ISBN 978-0-7803-4053-4. S2CID  58941781 . Действительно, этот самодействующий насос может многое предложить в параллельном исследовании со своим электрическим кузеном.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Кроули, Калифорния (август 1937 г.). «Гидравлические домкраты для водоснабжения загородных домов» . Популярная механика : 306–311.
  • Кроули, Калифорния (сентябрь 1937 г.). «Гидравлические домкраты для водоснабжения загородных домов» . Популярная механика : 437–477.
  • Toothe v. Bryce , 25 Atlantic Reporter, стр. 182–190.
  • Иверсен, HW (июнь 1975 г.). «Разбор гидроцилиндра». Журнал инженерии жидкостей . 97 (2): 191–196. DOI : 10.1115 / 1.3447251 .
  • Гидравлический таран: фиксация и работа . Квитанции спонсорских мастерских. Том II. Лондон: Spon. 1921. С. 457–465.
  • Гидравлические цилиндры - сравнительное исследование (JHPM Tacke) . Сообщения по гидравлической и геотехнической инженерии. Отчет 88-1. Делфтский технологический университет, факультет гражданского строительства. 1988. ISSN  0169-6548 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Полные чертежи поршневого насоса