Турбинные пневматические двигатели

В пневматических двигателях турбинного типа кинетическая энергия газового потока преобразуется в механическую энергию вращения выходного звена - ротора турбины с выходным валом.

В зависимости от лопаточного аппарата турбины можно разделить на активные турбины, где используется в основном кинетическая энергия газа, и активно-реактивные, где используется и кинетическая и потенциальная энергия газа за счет его расширения в лопаточном аппарате. Турбинные пневматические двигатели подразделяются на реверсивные и нереверсивные.

Принципиальная схема ревер­сивной турбины дана на рис. 4.26.

 

 

 

Рис. 4.26. Принципиальная схема ревер­ сивного турбинного пневматического дви­гателя

1 — рабочее колесо; 2 — вал; 3 — входной штуцер первой полости;

4 — входной штуцер второй полости

 

 

Принцип действия газовой турбины заключается в том, что струя газа, попадающая в лопаточный аппарат, изменяет свое направ­ление. За счет этого образуется усилие, вращающее колесо турбины.

 

 

Газотурбинный двигатель

 

 

Струйно-реактивные пневматические двигатели

 

В струйно-реактивных пневматических двигателях энергия газо­вого потока, поступающего в приемники, преобразуется в усилие, развиваемое реактивными соплами. Выходной величиной струйно-реактивного пневматического дви­гателя является момент, создаваемый парой встречно направленных реактивных сопл относительно какой-либо оси.

В струйно-реактивных пневматических двигателях используется кинетическая энергия газовой струи, создающая реактивную тягу. Для обеспечения реверса обычно применяются газо­струйный двигатель, принципиальная схема которого показана на рис. 4.28.

 

 

 

 

Рис. 4.28. Принципиальная схема газоструйного двигателя

1- крышка; 2 - корпус; 3 - рабочее колесо; 4 - крышка; 5, 7 - оси редуктора; 6 - выходной вал

 

Особенность такого пневматического двигателя состоит в том, что развиваемый им момент, непосредственно приложен к летательному аппарату. В любом другом двигателе момент прикладывается к органу управления, например к рулю, который затем создает управляющий момент.

 

Пневмомускулы

 

Пневмомускулы являются линейными пневматическими приводами, которые могут воспроизводить движения аналогичные естественным мускулам. По сравнению с силовыми цилиндрами они развивают большие начальные усилия на тех же рабочих диаметрах. Различают удлиняющиеся и сокращающиеся пневмомускулы. Характер движения определяет геометрия оплетки пневмомускула. Схема удлиняющегося пневмомускула приведена на рис. 4.30.

Рис. 4.30. Схема пневмомускула

1- эластичная трубка, 2 – оплетка, 3, 4 – крышки, 5 – канал питания

 

Внутренняя эластичная трубка имеет оплетку с трехмерной ячеистой структурой. Ячейки имеют ромбовидную форму. Когда в канал питания подается давление, трубка начинает удлиняться в обе стороны, как это показано на рисунке, если обе крышки не закреплены. Если одна из крышек закреплена, то выходным звеном этого привода будет являться другая крышка. Конструкция не имеет движущихся механических частей и обладает повышенной надежностью. Рабочий ход выходного звена составляет до 25% от длины пневмомускула.

Развиваемое приводом усилие имеет максимальную величину в начале рабочего хода и далее практически линейно уменьшается. Это позволяет реализовывать значительные ускорения выходного звена в сочетании с плавным и точным подходом к желаемой конечной позиции.

 

Пневмомускулы

 

Компрессоры

Основные положения

Компрессорами называют машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов, в которых подведенная механическая энергия преобразуется в энергию потока газа.

Компрессоры обеспечивают необходимый уровень давления сжатого воздуха. Как правило, пневматические устройства промышленного назначения проектируются на максимальное рабочее давление до 10 бар. Экономически целесообразнее использовать давление около 6 бар. Сопротивление течению газа в отдельных элементах трубопроводов рассчитывается таким образом, чтобы суммарные потери давления в них составляли не более 0,5 бар. Поэтому для того, чтобы нормальное рабочее давление в пневмосистеме было не ниже 6 бар, давление компрессорной устав должно быть в пределах от 6,5 до 7 бар.

По принципу действия компрессоры делятся на динамические и объемные.

Выбор типа компрессора зависит от рабочего давления и необходимого расхода воздуха. Различают следующие типы компрессоров:

- возвратно-поступательного действия,

- радиально-поршневые,

- лопастные.

     Компрессоры возвратно-поступательного действия находят широкое применение, так как они обеспечивают получение сжатого воздуха в широком диапазоне давления и расхода. Для получения большого давления используют многоступенчатые компрессоры, в которых воздух охлаждается между отдельными ступенями компрессора. Оптимальный диапазон давлений для таких компрессоров: 4 бар - одноступенчатое сжатие, 15 бар - двухступенчатое сжатие, выше 15 бар - многоступенчатое сжатие. Возможно, но не всегда экономично достижение давлений более 30 бар.     

 

Динамические компрессоры

 

В динамических компрессорах энергия сообщается потоку газа за счет того, что рабочие органы компрессора оказывают силовое воздействие на газ, находящийся в его проточной части.

В промышленности используют динамические компрессоры лопастного типа, в которых рабочим органом является колесо с лопастями. Эта лопасти при вращении колеса оказывают силовое воздействие на газ.

 

 

 

Динамические компрессоры

 

По направлению движения потока газа относительно оси вращения рабочего колеса лопастные компрессоры делятся на центробежные и осевые компрессоры.

Схема центробежного компрессора приведена на рис. 5.1.

 

Рис. 5.1. Схема центробежного компрессора

1 – корпус, 2 – лопасти, 3 - вал

 

Быстрое вращение вала приводит к забору воздуха лопастями на входе. Далее воздух сжимается на периферии под действием центробежных сил и поступает на выход.

Если одно рабочее колесо, представляющее одну ступень сжатия, в лопастных компрессорах не может создать требуемое давление сжатия газа, то используют многоступенчатые компрессоры, в которых последовательно используется несколько ступеней сжатия. Ониприменяются в пневмосистемах с рабочим давлением газа до 1 МПа и выше.

На рис. 5.2 представлена схема работы одной ступени многоступенчатого центробежного компрессора.

 

 

 

Рис. 5.2. Конструктивная схема ступени центробежного компрессора

1 – вал, 2 - рабочее колесо, 3 – корпус, 4 – диффузор, 5 - обратный направляющий аппарат, 6 - диафрагма

 

Газ поступает на лопатки рабочего колеса, которое вместе с валом вращается в корпусе. Получая энергию на рабочем колесе, газ поступает сначала в диффузор, где кинетическая энергия превращается в потенциальную, а затем в обратный направляющий аппарат, где потенциальная энергия снова переходит в кинетическую. Рабочее колесо и обратный направляющий аппарат разделены диафрагмой.

В многоступенчатом центробежном компрессоре ступени соединяются последовательно. Число ступеней определяется требуемой величиной давления газа на выходе компрессора, учитывая, что в обычных конструкциях в одной ступени давление повышается в до 1,5 раз.

 

 

 

Центробежный компрессор

 

Примером простейшего одноступенчатого осевого компрессора может служить обычный бытовой вентилятор, у которого на роторе расположены лопасти, сообщающие воздуху осевое движение. Осевые компрессоры представляют собой многоступенчатую лопастную машину, состоящую из ротора с закрепленными на нем рядами профилированных лопаток, каждый ряд которых представляет собой рабочее колесо одной ступени, и статора с закрепленными на нем рядами таких же лопаток, образующих направляющие аппараты ступеней.

Схема многоступенчатого осевого компрессора представлена на рис. 5.3.

 

Рис 5.3. Общий вид и профиль лопаток осевого компрессора

1 – вал, 2 - рабочее колесо, 3 - входной направляющий аппарат,

4 – лопатки рабочего колеса, 5 – лопатки направляющего аппарата,

 6 - спрямляющий аппарат

Осевой компрессор представляет собой вращающийся вал, на котором закреплены несколько рядов лопаток  и неподвижный корпус с лопатками входного направляющего аппарата, нескольких рядов направляющих лопаток, а также выходного спрямляющего аппарата.

Газ поступает в компрессор через входной конфузор, проходя через лопатки входного направляющего аппарата. Аппарат создает предварительную закрутку потока газа, улучшая тем самым рабочие характеристики компрессора. За входным направляющим аппаратом располагаются ступени компрессора. Каждая ступень - это совокупность рабочего колеса с лопатками и следующего за ним направляющего аппарата с лопатками. Цель направляющего аппарата - придать потоку газа, выходящего из рабочего колеса, направление движения, необходимое для поступления в следующую ступень. Проходя все ступени компрессора, поток газа выходит закрученным и с большой скоростью. Для выпрямления потока и снижения его скорости перед выходным диффузором устанавливают спрямляющий аппарат.

 

 

Осевой компрессор

 

Число ступеней в современных промышленных компрессорах этого типа может достигать 20. В упрощенных вариантах осевых компрессоров входной направляющий аппарат или выходной спрямляющий аппарат могут отсутствовать.

Отдельным конструктивным типом динамических компрессоров являются винтовые компрессоры. Пример такого компрессора приведен на рис. 5.4.

 

Рис. 5.4. Схема винтового компрессора

1 – корпус, 2, 3 – винты, 4, 5 - валы

Он состоит из корпуса и двух винтов, установленных соосно с зазором около 0,05 мм. Винты вращаются с помощью валов. В результате вращения винтов на входе создается разряжение, и воздух затягивается в зазор между винтами. Далее сжимаясь между поверхностями винтов, он поступает к выходу. Винты в этом компрессоре могут быть синхронизированы внешним редуктором. Если оба винта являются ведущими, то смазка не применяется. Если один винт ведет другой, контактируя с ним, то используется распыление смазки во входном канале, чтобы уменьшить трение между винтами. Эти компрессоры применяются обычно для создания давлений до 10 бар и обеспечивают относительно большой эффективный объем газа на выходе.

 

 

Винтовой компрессор

 

Динамические компрессоры относительно просты, обеспечивают устойчивую поставку воздуха без пульсаций давления, но в нижних его диапазонах.

 

Объемные компрессоры

Объемные компрессоры построены на прин­ципе сжатия газа в рабочих камерах с помощью вытеснителей. Если вытеснители совершают только поступательное движение, то такие компрессоры называют возвратно-поступательными или поршневыми.

В промышленных компрессорных установках распространение получили пластинчатые роторные компрессоры, схема которых представлена на рис. 5.7.

 

Рис. 5.7. Схема пластинчатого роторного компрессора

1 – ротор, 2 – статор, 3 - пластина

 

Внешний двигатель вращает ротор, ось которого смещена относительно оси полости в статоре корпуса. Рабочие камеры компрессора образуются поверхностью ротора, стенками корпуса и пластинами (на схеме условно показана одна пластина), которые свободно перемещаются в пазах ротора и центробежной силой прижимаются к корпусу компрессора. За счет эксцентриситета при вращении ротора происходит изменение объема рабочих камер. Между стенками корпуса циркулирует охлаждающая жидкость, обеспечивающая отвод тепла, выделяемого в процессе работы компрессора.

 

Роторный  компрессор

 

 

Вакуумные устройства

Общие сведения

 

Вакуумом называется состояние газа при давлении меньше атмосферного. Слово «вакуум» происходитот латинского слова vacuum, что означает «пустота». Это понятие в технике применяется к газу в замкнутом или отка­чиваемом объеме. Вакуум широко используется во многих технологических процессах, начиная от функций захвата объектов для их переноса до улучшения качества литья изделий.

Степень вакуума опреде­ляют, измеряя величину давления остаточных газов. Физической характеристикой вакуума является соотношение между длиной свободного пробега  молекул газа и размером d, характер­ным для каждого  конкретного про­цесса или прибора, например, расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода или рас­стояние между электродами электро­вакуумного прибора. Величина  равна отношению средней скорости молекулы к числу столкновений, испытываемых ею за единицу времени. Её  можно выразить через радиус моле­кулы r п число молекул п в единице объёма как

 

 = 0,056/ r ² п.

 

В зависимости от величины отно­шения / d различают:

· низкий вакуум - / d << 1,

· средний вакуум - / d ~ 1,  

· высо­кий вакуум - / d  >> 1.

 

Вакуумные насосы

 

Вакуумным насосом называется устройство для удаления газов и паров из замк­нутого объёма с целью получения ва­куума. Вакуумные насосы делятся на проточные, которые удаляют газ из откачиваемого объёма наружу, и сорбционные, свя­зывающие газ внутри насоса.

Основными параметрами вакуумных насосов являются:

1) предель­ное остаточное дав­ление,

2) бы­строта откачки, т.е. объём газа, откачи­ваемый в единицу вре­мени при определенном впускном давлении,

3) производительность - количество газа, удаляемое в единицу време­ни при определённом впускном давлении

4) наибольшее давление запуска, при котором вакуумный насос может начать рабо­тать;

5) наибольшее выпускное дав­ление, при котором вакуумный насос ещё может осуществлять откачку.

Вакуумные насосы бывают форвакуумные - для создания в системе низкого и среднего вакуума давлении запуска 760 мм рт. ст. и высоковакуумные, создающие высокий вакуум.

По принципу действия проточные вакуумные насосы подразделяются на механиче­ские, струйные (эжекторные и паро­струйные), молекулярные (турбомолекулярные) и ионные.

Механиче­ские вакуумные насосы — форвакуумные, они ос­нованы на откачивании газа при периодическом увеличении объёма рабочей камеры и выталкивании газа на выход при уменьшении этого объё­ма и сжатии газа до давлений, доста­точных для открывания выпускных клапанов. Они обеспечивают остаточные давления до 1 мм рт. ст. и скорость откачки до 1000 л/с. Механиче­ские вакуумные насосы бывают поршневые (рис. 2) и вращательные.

Схема поршневого вакуумного насоса приведена на рис. 6.1.

 

Рис. 6.1. Схема поршневого вакуумного насоса

1 – цилиндр насоса, 2 – поршень, 3 – приводной шток, 4 – вакуумируемая линия, 5 – выпускная линия, 6 – впускной клапан, 7 - выпускной клапан

 

При движении поршня вверх выпускной клапан закрыт, а впускной клапан открывается за счет расширения объема нижней камеры цилиндра и падения в ней давления. При этом происходит эвакуация газа из вакуумируемой линии. При движении поршня вниз впускной клапан закрывается, а выпускной клапан открывается, что дает возможность поршню занять исходное нижнее положение. Далее цикл работы насоса повторяется.

 

 

Поршневой вакуумный насос

 

Во вращательных водокольцевых вакуумных насосах вода центробежной си­лой от вращения лопастей ротора прижимается к стенкам корпуса, образуя водяное кольцои рабочую камеру, свободную от воды. Газ откачивается в результате изменения объёма рабочей камеры между лопат­ками ротора. Эти насосы могут отка­чивать смесь газа с парами воды, запылённые газы, кислород и другие взрывоопасные газы.

Многопластин­чатые вакуумные насосы также содержат эксцентрично расположенный ротор, в прорези которого вставлены пластины, прижимаемые центробежной силой к внутренней поверхности корпуса. При этом образуются рабочие ячейки с изменяющимся объёмом. Схема использования распространенных вращательных вакуумных насосов, которые также называются насосами Геде, может быть многоступенчатой.

На рис. 6.2  приведена схема двухступенчатого соединения вращательных вакуумных насосов.

 

 

 

Рис. 6.2. Двухступенчатое соединение вращательных вакуумных насосов

1 – вакуумная линия, 2 – линия выхлопа, 3 – статор, 4 – ротор, 5 – разделительная пластина, 6 - пружина

 

Эксцентрично расположенный статор приводится в движение электрическим двигателем. Разделительная пластина ротора имеет постоянный контакт со статором благодаря пружине. В результате вращения ротора объем насоса, соединенный с вакуумной линией увеличивается и понижает в ней давление. Газ эвакуируется из откачиваемого объема и поступает на вторую ступень насоса, где степень вакуумирования увеличивается, благодаря пониженному давлению на входе второй ступени.

     Иногда экономически целесообразно комбинировать вакуумные насосы различных типов на разных ступенях откачки газа.

Действие двухроторных вакуумных насосов (насосов Рутса) основано на встречном враще­нии двух роторов.  

В струйных вакуумных насосах откачивае­мый газ всасывается струей жидкости или пара. Различают эжекторные и пароструйные вакуумные насосы.

В эжекторных вакуумных насосах или эжекторах вакуум может образовываться с помощью сжатого воздуха (рис. 6.3).

 

 

Рис. 6.3. Схема эжектора

1 – корпус, 2 – входной дроссель, 3 - выходной дроссель

 

Сжатый воздух подается на входной дроссель, где он ускоряется и далее попадает в выходной дроссель большего диаметра. В результате в объеме между дросселями возникает область пониженного давления, к которой и подключается вакуумная линия нагрузки.

 Конструкция эжектора наиболее компактна по сравнению с другими вакуумными генераторами и не имеет подвижных механических частей, то есть обладает практически неограниченным ресурсом работы и не нагревается.

Конструкция эжектора

 

Типичная рабочая характеристика эжектора в функции входного давления показана на рис. 6.5.

 

 

Рис. 6.5. Рабочая характеристика эжектора в функции входного давления

 

Из этой характеристики следует, что оптимальная рабочая зона лежит в диапазоне входного давления от 5 до 6 бар. При выходе из этой зоны глубина генерируемого вакуума снижается.