Partea I

1. Maşini hidraulice, definiţii, clasificări

Maşina de forţă reprezintă un ansamblu de organe de maşini ce realizează un transfer de energie. Maşinile hidraulice sunt acele maşini de forţă la care în transferul de energie este implicata energia hidraulică (EH). Generatoare hidraulice (pompe, ventilatoare, suflante, compresoare, etc.) E -> EHMotoare hidraulice (turbine, cilindri de acţionare, mori de vânt, etc.) EH -> ETransformatoare hidraulice:

In circuit inchis (cuplajul hidraulic, ambreajul hidraulic, torbotransmisia) E -> EH -> E’

In circuit deschis (Bărglăzan, sisteme de desecare Olanda) EH -> E -> EH’ După modul de realizare a transferului de energie, generatoarele hidraulice pot fi clasificate în:

Generatoare hidrodinamice (turbopompe, ventilatoare)Generatoare volumicePompe cu fluid motorPompe electromagneticeElevatoare hidraulice

Generatoare hidrodinamiceGeneratoarele hidrodinamice (turbogeneratoare, turbomaşini) - transfera energie prin interacţiunea dintre rotor si fluidul vehiculat, datorita modificării momentului cinetic. Sunt caracterizate de viteze mai mari ale fluidului in comparaţie cu organele active ale maşinii, de faptul ca aspiraţia si refularea comunica intre ele, iar energia cedata fluidului este funcţie de debit.

Generatoare volumice Generatoarele volumice - transfera energie prin transportul periodic al unor volume elementare de fluid sub presiune, intre aspiratie si refulare. Sint caracterizate prin viteze de acelasi ordin de marime ale organelor active si ale fluidului, prin faptul ca aspiratia este separata etans de refulare, iar energia cedata fluidului este teoretic independenta de debit.

Pompe cu fluid motorGeneratoarele cu fluid motor - transfera energie prin amestecul a doua fluide cu energii diferite. (ejectoare, pompe mamouth, pompe cu gaz comprimat)

Pompe electromagnetice Pompele electromagnetice - transfera energie prin inducerea unui câmp de viteze, intr-un fluid electroconductor, de catre cimpul electromagnetic al energiei primare.

Elevatoare hidraulice Elevatoarele hidraulice - transfera energie sub forma de energie potentiala, prin ridicarea periodica a unor volume de lichid la o cota geodezica superioara.

2. Parametri fundamentali ai generatoarelor hidraulice. Suprafeţe caracteristice. Curbe caracteristice

Transferul de energie realizat de un generator hidraulic poate fi analizat cu ajutorul unor parametri. Pentru definirea acestora s-a adoptat schema unui sistem care cuprinde: un generator hidraulic, un motor, un sistem de cuplare precum si legaturile cu circuitul hidraulic, aspiratia a si refularea r.

Debitul volumic Q - volumul de fluid care traversează secţiunea de refulare în unitatea de timp. [m3/s]Energia specifica cedata curentului de fluid - diferenta dintre:

energia specifica medie a curentului de fluid in sectiunea de refulare r si energia specifica medie a curentului de fluid in sectiunea de aspiratie a.

La generatoarele pentru gaze această energie, numită presiune totală şi notată cu D pt , are expresia: se exprimă dimensional în presiuni,[Dpt] = L-1 MT-2 . Puterea absorbită P - puterea necesară generatorului hidraulic pentru transferul puterii utile către masa

fluidă (putere măsurată la intrarea în generatorul hidraulic). Randamentul generatorului (h) - gradul de transformare a energiei in interiorul masinii, exprimat de

relatia:

Viteza unghiulara (w) - numarul de radiani parcursi intr-o secunda. Turatia (n) - numarul de rotatii pe minut ale arborelui generatorului hidraulic.

Momentul la arbore M - cuplul masurat la arborele generatorului, avind expresia:

Randamentul cuplajului hc - eficienta energetica a sistemului de cuplare dintre generator si masina motoare.

Randamentul motorului hm - gradul de transformare a energiei in interiorul motorului de antrenare. Puterea agregatului (grupului) Pag - puterea absorbită de motorul de antrenare. Între puterea utilă şi cea a

grupului există relaţia:

NPSH [m]

Energia minimă absolută raportată la planul de referinţă cavitaţional. (vezi cap. Cavitaţie) Nivelul de zgomot:

L = 20 ln (PS/PSmin) [-]

PSmin = 0,00002 N/m2

In timpul functionarii unui generator hidraulic poate fi pusa in evidenta o dependenta functionala intre parametrii generatorului, ai motorului de antrenare, ai sistemului hidraulic in care se incadreaza generatorul si caracteristicile fizice ale fluidului de lucru. Aceasta dependenta, stabilita experimental, nu poate fi exprimata sub forma unor relatii generale matematice, ceea ce determina utilizarea ei, in general sub forma grafica.

dependenţele primare H = f(n,Q) şi M= f(n,Q) corespunzătoare energiei cedate H şi momentului M.

dependente specifice: a coeficientului de cavitaţie la pompe sau a nivelului de zgomot la ventilatoare, ambele in funcţie de turaţie şi debit.

Dependenţele derivate se pot calcula: P = f(n,Q) si h = f(n,Q). Intr-un sistem de axe cartezian triortogonal, funcţiile de mai sus reprezintă suprafeţe caracteristice: H = f(n,Q) - suprafaţa caracteristică energetică M= f(n,Q) - suprafaţa caracteristică a momentului

Suprafete si curbe caracteristice pentru o pompa centrifuga

Interdependenta principalilor parametri. Suprafeţe caracteristice. Curbe caracteristice.

caracteristica universala

3. Functionarea generatoarelor hidraulice in conditii diferite de cele normale

4. Încadrarea generatoarelor in sisteme hidraulice . Punctul de funcţionare.

Unde:

Hh = z + p/rg + a v2/2g = Hp +Mc Q2

Hp = z + p/rg

In consecinta:

Hpj + H = Hpk + M*Q2jk

ecuatia de continuitate in noduri, de tipul SQj+SQjk=0, in care debitele Qj sunt debitele concentrate in nodul j,iar debitele Qjk , cele de pe arterele convergente in nodul j;

ecuatia energiilor pentru tronsoanele care nu contin generatoare hidraulice de tip Hpj - Hpk = MQjk|Qjk|, in care sensul debitului Qjk este necunoscut, insa considerat pozitiv de la j la k;

ecuatia energiilor pentru tronsoanele care contin generatoare hidraulice, de tip H+Hpj= MQ2jk+ Hpk, in care

sensul debitului Qjk este cunoscut de la j la k.

5. Factori care influenţează punctul de funcţionare.

Specifici maşinii ( tip, n, D)Specifici sistemului (Hs, M)Specifici fluidului ( densitate, vâscozitate, conţinut polifazic al fluidului, temperatura)

Specifici maşinii ( tip, n, D)

Specifici sistemului (Hs, M)

Hs = 0Instalatii de ventilare Instalatii de incalzire Alte instalatii in circuit inchis

In cazul gazelor (la instalatii de ventilare), caracteristica sistemului este:

ceea ce pentru cazul aspiratiei si refularii in atmosfera devine pe=pi=pat:

Specifici fluidului ( densitate, vâscozitate, conţinut polifazic al fluidului, temperatura)

Doua masini identice care vehiculeaza fluide de densitati diferite

H1 =H2 (H= constant),

(pr)1≠(pr)2 ; (pa)1≠(pa)2

Influenta temperaturii:Dimensiuni geometrice (dilatatie)Vascozitatea Presiunea de vaporizare (NPSH)

6. Cuplarea in SERIE a generatoarelor hidraulice.

Se determina caracteristica unui ANSAMBLU (Generator echivalent):Staţie de pompareCentrala de ventilare

Se aplica schema clasica de determinare a punctului de funcţionare.Se determina parametri individuali ai generatoarelor reale.

7. Cuplarea in PARALEL a generatoarelor hidraulice.

HI + Hpa = Hpr + MIQI2

HII + Hpa = Hpr + MII QII2

Caracteristica redusa:

Hpr – Hpa = Hredus = H – M Q2

Cazul 1MI QI

2 ≈ MII QII2 ≈ 0

Relatiile devin:Hansamblu = HI = HII

Qansamblu = QI + QII

Cazul 2MI QI

2 ≠ MII QII2 ≠ 0

Relatiile devin:Hansamblu = HredusI = HredusII = (Hst)

Qansamblu = QI + QII = (Qst)

8. Cavitaţia. Determinarea lui NPSH.Cavitatia este un fenomen caracteristic numai lichidelor si se manifesta prin aparitia, dezvoltarea si disparitia prin implozie a unor bule de gaz in interiorul masei de lichid in miscare.

Aparitia cavitatiei are loc in momentul in care in interiorul masinii presiunea scade sub valoarea presiunii de vaporizare, ceea ce determina formarea de bule de vapori si gaz, bule cavitationale antrenate de curentul de fluid in regiuni cu presiuni ridicate unde isi micsoreaza dimensiunile pina cind isi pierd stabilitatea si se distrug prin implozie.

Efectele cavitatiei asupra comportarii masinilor hidraulice sint:

* scaderea brusca a performantelor energetice ale masinii prin modificarea cimpului hidrodinamic din rotor;

* aparitia unor vibratii si zgomote puternice datorate imploziei bulelor de gaz in zonele cu presiuni ridicate;

* distrugerea materialului in zona de implozie a bulelor cavitationale.

Mecanismul distrugerii cavitationale:

- Solicitari mecanice.

- Solicitarile termice.

- Solicitarile de natura chimica.

- Solicitarile de natura electrica.

Cavitaţia apare numai la LICHIDE. Toate presiunile ce apar in capitolul de cavitaţie sunt in SCARA ABSOLUTA. PLANUL DE REFERINTA CAVITATIONAL este situat deasupra axului pompei cu presiunea critica (de

vaporizare). NPSH (net positive suction head) NPSH cerut, valoare specifica pompei.

Pentru evitarea aparitiei in interiorul generatorului hidraulic a cavitatiei, deci pentru mentinerea in orice punct a unei presiuni mai mari decit cea de vaporizare este necesar ca la aspiratia generatorului sa se asigure in functie de debit o anumita energie specifica MINIMA. Aceasta energie raportata la planul de referinta cavitational este NPSH cerut.

Se determina experimental de catre furnizor si sint puse la dispozitia beneficiarului sub forma unei curbe caracteristice de cavitatie NPSH = f(Q), impreuna cu celelalte caracteristici ale generatorului hidraulic.

NPSH disponibil, valoare specifica sistemului si definita pe baza schemei următoare ca fiind: Energia specifica absoluta, raportata la planul de referinţa cavitaţional, pe care o are lichidul la intrarea in

pompa.

Hga = za - zi (inaltimea geodezica de aspiratie)hri-a = MaQ2

La proiectare, (calcule) se aplica:

La aspiraţia dintr-un bazin deschis relaţia se simplifica:

La exploatare (măsurători) se aplica de regulă:

9. Factori care influenteaza debitul limita cavitational.

Factori care influenteaza debitul limita cavitational Qlim.: Factori specifici intrării in sistem Factori specifici traseului de aspiratie Factori specifici fluidului

Factori specifici intrării in sistem Presiunea de intrare (de obicei impusa) Viteza de intrare (de obicei 0)

Factori specifici traseului de aspiraţie: Hga (înălţimea geodezica de aspiraţie) M (modulul de rezistenta a traseului de aspiraţie)

(Hga) max. este înălţimea maximă până la care se poate ridica pompa, faţă de nivelul apei, fără ca aceasta să caviteze.

Se atinge atunci cand NPSHd = NPSHc , adica pentru Q N = Q lim

Desigur ca punctul de functionare energetic nu depinde de pozitia pompei. Pozitia pompei in sistem este limitata de cavitatie (Hga mx)

Influenta pierderilor de sarcina de pe traseul de aspiraţie (M cu cat mai mic cu atât mai bine ). Diametru mai mare ca la refulare; Traseu cat mai scurt; Cat mai puţine schimbări de direcţie (pierderi locale de sarcina); Vana de pe aspiratie deschisa complet

Factori specifici fluidului Temperatura: determina cresterea presiunii de vaporizare

La sistemele la care aspiratia se face dintr-un rezervor in care are loc condensarea/vaporizarea, presiunea de intrare este egala cu cea de vaporizare deci pi – pv = 0. In acest context

10. Mişcarea IDEALA a fluidului prin rotor. Leonhard Euler a enunţat trei ipoteze:

Paletele sunt in număr infinit z = ∞ (numai o particula trece o data printre doua palete si deci traiectoria ei este cunoscuta).Paletele nu au grosime d = 0 (elimina o incompatibilitate introdusa de prima ipoteza).Fluidul este perfect n = 0 (lipsit de vâscozitate).

Vitezele fluidului: Viteza de transport ” u” (tangenta la cercul rotoric). Ea este egala cu u = r · ω Viteza relativa “w” (tangenta la paleta). Viteza absoluta “v” (rezulta din compunerea celor doua).

In regim permanent, ecuatia de conservare a momentului cantitatii de miscare (momentul cinetic) pentru suprafata de control A este:

Pentru ca relatia devine:

Dar

Si

Dar Pt¥ = rgQt¥ Ht¥ = Mω Si deci:

De unde

Intrare dreapta a1 = 900

11. Mişcarea REALA a fluidului prin rotor, randamentul hidraulic. Paletele sunt in numar finit (ip. 1)

Particula nu mai urmareste strict traseul paletei Ht = Ht∞/(1+c)

c coeficient ( 0.1 … 0.3) variabil cu debitul Paletele au grosime finita (ip.2)

d ≠ 0; Initial Qt∞ =p D1 b1 vm1 = z1 t1 b1 vm1

Considerand vm1 constant la palete cu grosime rezulta: Qt = z1 (t1-d1) b1 vm1 < Qt∞

Fluidul este real (ip.3) Exista VASCOZITATE si deci Pierderi de sarcina. Trei categorii de pierderi de sarcina:

Liniare (distribuite); Locale; Prin şoc;

H = Ht – M Qt2 – Ms (Qopt – Qt)2

In maşina hidraulica sunt trei randamente parţiale: Randamentul hidraulic, Randamentul volumic, Randamentul mecanic.

hH= H/Ht∞ hH = 1/(1+c) – (M Q2 + Ms (Qopt – Q)2)/ Ht∞ Curba caracteristica

12. Randamentul volumic hv = Q/Qt∞

Qt∞ =p D1 b1 vm1 Qt = z1 (t1-d1) b1 vm1 Q = Qt – qr – qp

qr= debit recirculat qp = debit pierdut

Zona A (etanşare fără contact):d2 = distanta dintre rotor şi carcasă MA ~ 1/d2

4

(p2 – pA)= MA qr2

Zona B (etanşare fără contact): d1 = distanta dintre rotor si carcasa MB ~ 1/d1

5 si deci, (pB – p1)= MB qr2

DAR pA = pB si deci (p2 – p1) = (MA + MB) qr2

MB >> MA deoarece d1 << d2

Zona B este cea mai importanta.Inelul metalic de uzura este piesa de intretinere.

Zona C etansare cu contact.Separa interiorul masinii de mediul exterior. Se reglează şi se întreţine

13. Randamentul mecanic si bilantul energetic al turbomasinii. hm = Pt∞ / P

hm = Pt∞ / P Pt∞ = P – DPL – DPE - DPD

hh = r g Qt∞ H/ r g Qt∞ Ht∞ = H/ Ht∞ hV = r g Q H/ r g Qt∞ H =Q/Qt∞ hM = r g Qt∞ Ht∞ / Ph = hh hv hm

Partea II14. Criterii INTERNE de similitudine.

Ipoteza Conservarii Randamentelor (ICR)

Se incearca introducerea lui K sub denumirea de numar caracteristic adimensional

Pompe centrifuge (lente) nq= 10…30

Pompe centrifuge (normale) nq= 30…50

15. Criterii EXTERNE de similitudine.Consideratii generale (Masinile N si M)Similitudinea geometrica

Similitudinea cinematica

Similitudinea dinamica

Fie D diametrul exterior al rotorului.

Utilizand expresiile randamentelor partiale rezulta:

16. Influenta TURATIEI asupra curbelor caracteristice.Din criteriile externe de similitudine, pentru:

Aceeasi pompa (D=const.);Acelasi fluid (r=const);In I.C.R

Punctele omoloage au conform I.C.R. acelasi randament. Curbele de randament se pot si ele retrasa schimband scara debitului.

Intr-un sistem dat pot aparea doua cazuri.Cazul 1:

Date: curbele pentru n0

valoarea noii turatii n1

Se cer: performantele la noua turatie (H*, Q* , P*)

Intr-un sistem dat pot aparea doua cazuri.Cazul 2:

Date: curbele pentru n0

performantele la noua turatie ( Q* sau H* ) Se cer: valoarea noii turatii n1 si puterea P

17. Influenta DIAMETRULUI ROTORULUI asupra curbelor caracteristice.Din criteriile externe de similitudine, pentru:

Aceeasi turatie (n=const.); Acelasi lichid (r=const);

In I.C.R

Punctele omoloage au conform I.C.R. acelasi randament. Curbele de randament se pot si ele retrasa schimband scara debitului.

Problema practica ce apare aici este de a determina diametrul necesar pentru a se atinge intr-un sistem dat parametri impusi.

Se dau: H(Q) pentru masina la Dmax si Dmin H(Q) pentru sistem Qnecesar

18. Pompa centrifuga, diagonala si axiala centrifuga

diagonala

axiala

19. Pompa cu dublu flux, multietajata, cu rotor retras si cu canal periferal.dublu flux

multietajata

cu rotor retras

cu canal periferal

20. Ventilatoare centrifugale

21. Ventilatoare axiale si in curent transversal

in curent transversal

22. Actionarea Turbomasinilor.

23. Parametri reglarii Posibilitatile de reglare sunt trei:

Randamentul Global al Instalatiei hG = (Pu) tmin / P ; hG = r g Q H tmin / (r g Q H / h ); hG = h H tmin / H

Concluzii: Masinile cu randament mare propriu sunt cele mai bune Caracteristicile plate atat la masina cat si la sistem in cazul masinilor nereglabile.

Energia specifica a instalatiei: Raportul dintre puterea consumata si debitul vehiculat. e = Pag / Q e = r g Q H / hag / Q e = r g H / hag [ kWh / m3 ]

Retete pentru ca energia specifica sa fie minima: Masinile nereglabile impun reglarea sistemului la dreapta randamentului maxim Masinile reglabile impun reglarea la stanga randamentului maxim

24. Sisteme cu turbomasini nereglabile (turatie constanta)Sisteme cu turbomasini nereglabile (turatie constanta)

Reglajul cu vana (cu rezistenta hidraulica variabila);Reglajul cu cu by-pass (cu conducta de intoarcere); Reglajul cu hidrofor (cu rezervor de acumulare);

Reglajul cu hidrofor (cu rezervor de acumulare): Hpmin = zmin +pmin/rg Hpmax = zmax +pmax/rg Variaza Hs

25. Sisteme cu turbomasini reglabile si sisteme mixteSisteme cu turbomasini reglabile:

Reglajul cu turatie variabila;Reglajul prin modificarea pozitiei paletelor rotorice; Reglajul prin modificarea pozitiei paletelor statorice;

Reglajul cu turatie variabila;

Reglajul prin modificarea pozitiei paletelor rotorice);

Reglajul prin modificarea pozitiei paletelor statorice);

26. Generatoare volumice Generatoare volumice - transfera energie prin transportul periodic al unor volume elementare de fluid sub presiune, intre aspiratie si refulare. Sint caracterizate prin viteze de acelasi ordin de marime ale organelor active si ale fluidului, prin faptul ca aspiratia este separata etans de refulare, iar energia cedata fluidului este teoretic independenta de debit.

pompa cu piston cu dublu efect

pistoane axiale

roti dintate

cu lobi