BarkácsOnline BlogKertigépek, barkácsgépek műszaki leírása

Vezetőkerék nélküli, ún. centrifugálszivattyú elvi rajzát látjuk csigaházas kivitelben az 1. ábrán, szaktárgyi ismereteink emlékezetbe idézésére. Feladatunk lesz az adott szivattyú szívócsónakjának, járókerék méreteinek meghatározása, a lapát alakjának megszerkesztése, a tengelyátmérő és hajtóteljesítmény kiszámítása, a lapát alakjának megszerkesztése, a tengelyátmérő és hajtóteljesítmény kiszámítása. A ház alakjának meghatározásához a további mintarajzok adnak néhány példát. Vezetőkerékkel ellátott, többfokozatú szivattyúknál (turbinaszivattyúk) a ház alakja általában hengeres, sok részből álló.

1. ábra. Egylépcsős csigaházas örvényszivattyú

Számításainkkal egyidőben készítsünk szerkesztett vázlatokat, mert így ellenőrizni tudjuk, hogy reális adatokat, méreteket kaptunk-e a számítások során?

A ház fő méreteit részint a járókerék, részint a szívó- és nyomócsonk méretei szabják meg. A szívócsonk átmérője:

q_e = (D_b² π / 4) c_b   m³/s     (1)

összefüggésből:

D_b = √4 q_e / π c_b   m     (2)

Ahol q_e az elméleti vízmennyiség m³/s-ban (q_e = (q + (q_r és (q_r = v_r q a résveszteség és v_r a résveszteség tényező, amelynek értéke 0,02 ~ 0,1 között változhat), c_b a beömlési sebesség m/s-ban. A szívó- és nyomócsonk átmérője általában kb. egyenlő és értékük egyfokozatú átemelő szivattyúknál 50-200 mm, gépházi, víz- stb. szivattyúknál 25-500 mm, iszapszivattyúknál 80-100 mm.

A lapátkerék beömlő átmérője (2. ábra):

2. ábra. Lapátkerék

D₁ = (1,05 ~ 1,1) D_b   mm     (3)

A lapátkerék külső átmérőjének meghatározása a járókeret, ill. lapátkerék beömlő és kiömlő kerületi sebességei alapján a turbinaszivattyú alapegyenletéből határozható meg.

A beömlő kerületi sebesség:

u₁ = D₁ π n / 60   m/s     (4)

a kiömlő kerületi sebesség:

u₂ = √H_e g / η _h λ ξ   m/s     (5)

ahol η_h a hidraulikus hatásfok, értéke 0,72 ~ 0,92 között változhat, λ a perdülettapadási tényező (0,5 ~ 0,8), ξ = c₂u/u₂ áttételi szám [értéke attól függ, van-e vezetőkerék (ξ = 0,8; vezetőkerék nélkül 0,65), előre- vagy hátragörbítettek-e a lapátok], g a nehézségi gyorsulás (9,81) m/s³-ben. A szokásos, hátragörbített lapátok alkalmazása esetén η_h λ ξ = 0,45, levegőt szállító gépeknél pedig radiális lapátozásnál 0,65, előregörbített lapátok esetén 0,70.

Az állandók összevonásával az előbbi összefüggés (kisebb, hátragörbített lapátú, jó hatásfokú vízszivattyúknál) egyszerűbb :

u₂ = 4,65 √H_e   m/s     (6)

Mivel:

u₂ = D₂ π n / 60   m/s     (7)

így a keresett külső átmérő:

D₂ = 60 u₂ / π n   m     (8)

3. ábra. Szivattyú csoportosítása a gyorsjárás, ill. a jellemző fordulatszám szerint

Ezekhez a számításokhoz szükségünk van a fordulatszámra, ill. a szivattyú típusának ismeretére. A szivattyú kiválasztása típusjellemzők alapján (vagy az n fordulatszám meghatározása) a 3. ábra segítségével lehetséges. Az 1. és 2. ábrákon látható szivattyú normál járású, radiális átömlésű szivattyú, jellemző fordulatszáma n_q = 30 ~ 50.

Ha a lapátkerék D₁, D₂ átmérőjét meghatároztuk, akkor ellenőrzésképpen megnézzük, hogy mekkora a D₂/D₁ viszony? Tapasztalat szerint a D₂/D₁ = 1,5 ~ 2,5 arány felel meg legjobban a gyakorlati követelményeknek.

A csatornák szélességi méretei a csatorna ki-, ill. beömlő keresztmetszetén átfolyó vízmennyiségből:

q_e = D₁ π b₁ c_1m φ ₁   m³/s-ban     (9)

És így:

b₁ = q_e / D₁ π c_1m φ ₁   m     (10)

Illetve hasonlóképpen:

b₂ = q_e / D₂ π c_2m φ ₁   m     (11)

Az összefüggésben szereplő φ₁ = φ₂ = φ a már megismert szűkítési tényező, c_1m = c_2m a beömlő sebesség, ill. a kiömlő sebesség merőleges komponense (lásd a sebességi háromszögnél), amely a

c_1m = c_b / φ   m/s     (12)

összefüggésből számítható.

4. ábra. Belépő és kilépő sebességháromszögek (perdületmentes belépés)

A lapátok hajlásszögének meghatározása részint az n_q alapján választott vagy feladatban megadott keréktípus, részint a sebességi háromszögek alapján történik. A sebességi háromszögek egyszerű szerkesztése vagy a szögértékek számítása a 4. ábra alapján követhető. Az u₁ belépő kerületi sebesség a (4) összefüggés, a c_1m=c_2m meridiánsebességek pedig a (11) összefüggés alapján kiszámítható. Miután α₁ általában 90°, így a belépő sebességi háromszög megszerkeszthető, β₁ belépő lapátszög és w₁ relatív belépő sebesség alapján.

A kilépő sebességi háromszög szerkesztéséhez c_2m és u₂ értéke rendelkezésünkre áll, ill. kiszámítható, s a c₂ kilépő sebesség rotációs komponense is kiszámítható az áttételi szám ismeretében (c_2u = ξ u₂), így tehát a kilépő sebességi háromszög megszerkeszthető, α₂ és β₂ szögek lemérhetők vagy kiszámíthatók. A ki- és belépő sebességek a lapátkerék egy lapátján az 5. ábrán láthatók. Hátragörbített lapátok esetén a kilépő lapátszög szokásos értékei β₂ = 25° ~ 50°, leggyakrabban 30° ~ 32°, kis szállítómagasságra és nagy vízmennyiségre használt normál lapátozásnál pedig β₂ = 90°.

5. ábra. A be- és kilépő sebességháromszög

6. ábra. Szivattyú lapátgörbe szerkesztése

Ezen számítások után kerülhet sor a lapátalak megszerkesztésére. Mi a lapátgörbe szerkesztést igen leegyszerűsítve fogjuk elvégezni (6. ábra). (A valóságban ehhez a szerkesztési munkához már kisminta kísérleteket is végeznek, a szerkesztés maga is lényegesen bonyolultabb.)

1.Feltesszük a lapátkerék D₁ és D₂ méreteivel az R₁ és R₂ sugarú koncentrikus köröket.

2. A függőleges tengelytől balra, az A pontban felrakjuk a β₂ szöget, az O pontban pedig a β₁ + β₂ szöget. Ez utóbbi szög szára az R₁ sugarú kört a B pontban metszi.

3. Az A és B pontokon át egyenest húzunk és az R₁ sugarú körön kimetsszük a C pontot.

4. Megfelezzük AC távolságot és a felezési pontban merőlegest állítunk az AC egyenesre. Így kapjuk az M pontot.

5. Az AM távolsággal, mint sugárral körívet rajzolunk A-tól C-ig. Ez lesz a keresett lapátgörbe középvonala.

6. Felmérjük a lapátvastagságot és megrajzoljuk a lapát két kontúrvonalát. A lapátvégeket megfelelően leélezzük.

7. További lapátgörbét úgy szerkesztünk, hogy a lapátkörív középpontját az OM távolsággal, mint sugárral leírt körön az osztás távolságával eltolva, AM távolsággal, mint sugárral körívet rajzolunk.

A lapát vastagságát szerkezeti szempontok szabják meg, öntöttvas és acélöntvény esetén általában 4…6 mm, színesfémeknél és acélnál 3…4 mm a legkisebb felvehető érték. A lapátvastagságot az egész lapátgörbe mentén állandóra választhatjuk, csak a ki- és beömlőélnél kell elvékonyítanunk.

A szivattyúház kialakításának egyszerű módjára (egyfokozatú, vezetőkerék nélküli szivattyú esetén) a 7. ábra ad tanácsot. Az egy darabból öntött ház két oldalát pajzsok zárják le, amelyek részben a csapágyak befogadására, részben a beömlőcsonk kiképzésére szolgálnak. Átmenő tengely (8. ábra) esetén mindkét pajzslemezen csapágyházat kell kialakítanunk, repülőtengelynél (9. ábra) a szivattyú tengelye csak az egyik oldalon van csapágyazva.

7. ábra. Szivattyúház

8. ábra. Átmenőtengely, egyfokozatú centrifugálszivattyú

A tengelyátmérőt és csapágyakat az előző fejezetekben megtanult összefüggések alapján számíthatjuk, ill. a táblázatok segítségével kiválaszthatjuk. A szivattyú hajtásához szükséges motor teljesítményét az (1) összefüggésből számíthatjuk. Az összhatásfok ennél a szivattyú típusnál 70 ~ 85%. A leggyakrabban használt üzemi vízszivattyúknál és tápszivattyúknál a teljesítmény kb. 2…20kW között változhat. Ha a meghajtás villamos motorral történik, úgy többnyire 3 fázisú asszinkron motorokat alkalmaznak, amelyek hozzávetőleges fordulatszáma kb. (a szliptől függően) 720, 960, 1440 és 2880 percenként.

9. ábra. Szivattyú peremmotorral (BTS, BTMS típus)

A szállított vízmennyiség a lapátkerék menetének és a fordulatszámnak növelésével növelhető egy bizonyos határig, amelyet a méretek és a lapátkerék kerületi sebessége szab meg. A szállítómagasság (nyomás) egy lapátkerék esetén 5 ~ 30 m (0,5 ~ 3 at), kivételesen maximálisan 50 m lehet. Ha ennél nagyobb magasságra vagy nyomásra van szükségünk, akkor többfokozatú szivattyút alkalmazunk. A lapátkerekek számának a tengely csapágyazási lehetőségei szabnak határt. 10 fokozatnál többet csak kivételes esetben készítünk.