2.0. Zapreminske hidrauline maine - zapreminske pumpe i hidromotori 2.1. Zupaste pumpe i hidromotori Zupastepumpespadajuugrupuzapreminskihpumpi,kodkojihsuradnielementiza potiskivanje tenosti zupci zupanika. Prema konstruktivnom reenju razlikujemo zupaste pumpe i hidromotore sa: spoljanjim i unutranjim sprezanjem. Zupastepumpesaspoljanjimsprezanjemspadajuunajprostijeinajjeftinijezapreminske pumpe.Naslici2.1jeematskiprikazanazupastapumpasaspoljanjimsprezanjemzupanika. Obrtanjempogonskogzupanika(napogonskomvratilu2)dovodiseupogonigonjenizupanik (na osovini 3). Najei je sluaj da su pogonski i gonjeni zupanik iste veliine. Zupanici u svojim meuzubljimaprenoseradnutenostizusisnogdopotisnogradnogprostorapumpe.Pritomese, zbog smanjenja koliine radne tenosti u usisnim delu radnog prostora pumpe pojavljuje potpritisak, aunjegovompotisnomdeluzbogpoveanjakoliineradnogfluidastvaranadpritisak.Stvaranje potpritiskauusisnomdeluizazivausisavanjeradnetenostiuradniprostorpumpeidalje transportovanje ka potisnoj strani meuzubljem, uz postepeno poveanje pritiska tenosti. Slika 2.1 ematski prikaz zupaste pumpe sa spoljanjim sprezanjem 1 zupanik, 2 pogonsko vratilo, 3 osovina, 4 kuite, 5 usisno grlo, 6 potisno grlo Teorijskikapacitetovihpumpisemoeodreditikoristeivierazliitihmetoda.Kod uprotenogmetoda,zaproraunkapacitetapumpisajednakimzupanicima,polaziseod pretpostavkedasuzapreminezubaimeuzubljajednake,tedajevisinazubajednaka2m.Kod takvog uprotavanja, specifini protok po obrtaju je jednak: b D m q = 2 . (3) gde su: m [m] modul zupanika, D [m] prenik podeonog kruga zupanika, b [m] irina zupanika. Teorijskiprotokzupastepumpesedobijamnoenjemspecifinogprotokasabrojem obrtaja i koeficijentom popravke Kp koji se uvodi u jednainu umesto vrednosti : n b D m K n q Qp t = = 2.(4) VrednostkoeficijentaKpjeodreenaempirijski.Kodpumpisanekorigovanimzupcimaibrojem zuba z=6-12, Kp = 3,5, a kod pumpi sa korigovanim zupanicima Kp = 4,7. Gubicisnageuzupastojpumpiilihidromotorurezultatsugubitakausledhidraulikihi mehanikih gubitaka - definisanih mehanikim stepenom korisnosti (m=0,75-0,85) i zapreminskih (volumetrijskih)gubitakausledisticanja(curenja)tenostiizkomorevisokogukomoruniskog pritiska - definisanih zapreminskim stepenom korisnosti (v=0,80-0,92). 2 Slika 2.3. Rastereenje zupanika od sila pritiska izradom radijalnih otvora u meuzublju Doisticanjatenostiizprostoravieguprostorniegpritiskadolazizbogprisutnihzazora naeonim(izmeupovrinezubaikuita)ibonimstranama(izmeubokovazubaistrana kuita).Kodoteenihzubakojisuusledhabanjaizgubiliprvobitniprofil,kaoikodpumpikod kojih je izvrena pogrena montaa zupanika ili leaja, do proticanja tenosti moe doi i na mestu zahvata zupanika po liniji dodira zuba. Proticanjekrozeonizazoriznosi75do80%odukupnogproticanja,patajzazortreba dovestinaminimalnuvrednost.Upraksisepostiuvrednostiod0,02do0,03mm.Vrednost minimalnogradijalnogzazoraseodreujenaosnovumogueveliinezazorauleitima, odstupanja njihovih osa od centralne ose, kao i od veliine ekscentriciteta poloaja zupanika. Ovaj zazorsekreeobinougranicama0,03do0,05mmsasvakestranezupanika,anaosnovu preporuka se moe usvojiti izraz za proraun veliine radijalnog zazora: s < 0,001 De (De - prenik temenog kruga zupanika). Slika 2.2. a) Raspored dejstva sila pritiska na zupaniku b) Rastereenje zupanika od sila pritiska izradom otvora u kuitu v) Rastereenje zupanika pomou radijalnih otvora na zupaniku Kodmalihisrednjihobimnihbrzinatemenazubaca(do3i5m/s),zapreminskigubicisu iskljuivo gubici do kojih dolazi usled isticanja. Ukoliko se obimna brzina povea na preko 6 m/s, pritisaktenostiumeuzubljumoeznatnodasesmanji, tomoedaizazoveizdvajanjevazduhaiparatenosti zbog ega se punjenje u meuzublju pogorava ili potpuno prekida.Gubicinastalinaovajnainsenazivaju volumetrijsko-kavitacioni.Dabisepovealaefikasnost punjenjameuzubljaismanjiouticajvolumetrijsko-kavitacionihgubitaka,ograniavajuseobimnebrzine temenazubaca.Semtoga,uusisnojkomorisepoveava pritisakpunjenjaugradnjompumpezapretpunjenjeili podizanjemnivoaradnetenosti.Optimalniuslovi usisavanjasepostiukodpritiskanapajanjaod0,3-0,4 bar,aefikasnostpunjenjasemoepoveatiiproirenjem usisne komore zupaste pumpe. Najoptereenijideozupastepumpesuleajevi (kotrljajniiliklizni).Optereenisudelovanjemradijalne silepritiskafluidanazupanikeidelovanjemmehanike sile,kojajeprouzrokovanareakcijomnaobrtnimoment.Naslici2ajeprikazanrasporeddejstva 3 silapritiskanazupanikepumpe,anaslici2bi2vnainirastereenjazupanikaodsilapritiska tenosti.Ukolikopumparadiureimimasavelikimoptereenjima,kojekarakterierelativno veliki porastpritiskaradnetenostiupumpi,zbogvelikerazlikepritisakanaizlazuiulazupumpe, moguejeblokiranjetenostiumeuzubljimazupanika.Toizazivanjepoveanjetemperature blokiranetenosti,dodatnodinamikooptereenjezubaca,vratilaileajevatomoedovestido razaranja povrina tih elemenata usled zamora materijala. Sem toga, iz blokirane tenost po izlasku u ulaznu komoru, u prostor nieg pritiska, se izdvajaju gasovi i pare - tenost kavitira. Ovo dovodi do smanjenja protoka i pogoranja kvaliteta radne tenosti. Jedan od naina smanjenja kompresije u meuzubljujeodvoenjezatvoreneradnetenostikrozizbueneradijalneotvoreumeuzubljui osne otvore u vratilu Zupaste pumpe sa tri zupanika se neto ree izrauju. Od tri zupanika, jedan je pogonski, a druga dva su gonjena. ema takve pumpe je prikazana na slici 4. Ova pumpa ima dve usisne (U) i dve potisne (P) strane, koje se meusobno mogu povezati, ali mogu i ostati odvojene. Zupastepumpesaspoljnim ozubljenjemseproizvodesezapritiske do 200 bar i protoke do 250 l/min, a ree izaprotokedo500l/min.Radesa brojevima obrtaja od 500 do 3000 o/min. Poredjednostavnekonstrukcijei niskecene, ove pumpe karakterie i lako odravanje,pouzdanosturadu,malihsu gabaritaiteine, a i malo su osetljive na neistoe u radnom fluidu. Osnovninedostacizupastih pumpisaspoljanjimsprezanjemsu: relativnoniskiradnipritisci, nemogunostzapreminskeregulacije protoka,visokstepenneravnomernosti protoka, nagli pad stepena korisnosti pri porastu temperature radne tenosti i relativno jak um kod visokihpritisakaivelikogbrojaobrtaja.Smanjenjeumaipulzacijaprotokasemoeostvariti korienjem zupanika sa kosim zupcima. Meutim, pri radu sa zupanicima sa kosim zupcima se moravoditiraunaoaksijalnimsilamakojedodatnooptereujukonstrukciju.Najprostijereenje problema uma je potapanje pumpe u radu tenost - ugradnja pumpe u rezervoar. Zupastepumpesaspoljanjimsprezanjemimaju iroku primenu, ali najee za pomone pogone. Slika 2.5. Zupaste pumpe sa unutranjim sprezanjem Zupaste pumpe sa unutranjim sprezanjem sloenije su za izradu, ali imaju manje gabarite (zaistiprotok)odpumpesaspoljanjimsprezanjemiskorodasubeumneuradu,aistepen pulzacije protoka im je mali. ematski prikaz ovakve pumpe dat je na slici 2.5. Pumpa se sastoji od Slika 2.4. Zupaste pumpe sa tri zupanika 4 Slika 2.6. Pumpa sazupastim prstenom kuita,zupanikasaspoljanjim,zupanikasaunutranjimozubljenjem.Proizvodesezaradne pritiske do 150 bar i protoke do 100 l/min, a rade sa brojevima obrtaja od 500 do 3000 o/min. Izosnovnekonstrukcijezupastepumpesaunutranjimsprezanjemrazvijenaje konstrukcijapumpesazupastimprstenom.ematskiprikazovakvepumpedatjenasl.2.6. Zupasti prsten (1) sa unutranjim ozubljenjem postavljen je slobodno u kuitu pumpe (3). On ima jedanzubacvieodzupastogsegmenta(2)narotoru.Zavremerotacijezupastogsegmenta poveavaseslobodanprostornausisnojstranianapotisnojseovajprostorsmanjuje.Zajednosa prstenompomeraseiradnatenost(kojaispunjava meuzublje) od usisne prema potisnoj strani. Zbog malih gabarita i dugovenosti, zupaste pumpe saunutranjimsprezanjemipumpesazupastimprstenom imajuvelikuprimenuuuljno-hidraulikimsistemimaza upravljanje.Usistemimahidroprenosasnageovepumpese koristekaopomone(sekundarne)pumpe-za prehranjivanjezatvorenihhidraulikihsistema,zastvaranje upravljakogpritiskainapajanjeservopojaivaakod glavnih(primarnih)pumpiihidromotorapromenljivih radnih zapremina. Zupastihidromotoriseznatnoreeprimenjujuod pumpi, a razlog ovome je to imaju relativno velike gubitke kodmalihbrojevaobrtaja.Primenjujusekaobrzorotirajuihidromotori,upodrujubrojaobrtaja od 500 do 3500 min-1. Priviimpritiscimaibrojevimaobrtajazupastihidromotorisaspoljanjimsprezanjem imaju neprijatan zvuk, te radne pritiske iznad 100 bar treba izbegavati. Sagleditagubitaka(gubitakausledtrenja),zupastihidromotorisuloijiodhidromotora drugihtipova(krilnihiklipnih).Naprimer:eksperimentomjeutvrenodadopokretanja (startovanja) neoptereenih aksijalnih klipnih hidromotora dolazi pri pritiscima reda 0,5 - 1,5 bar, a zupastih 10-15 bar. 2.2. Krilne pumpe i motori Konstruktivno se razlikuju krilne pumpe i hidromotori: - sa krilcima u ljebovima rotora i- sa krilcima u ljebovima statora. Krilne pumpe i hidromotori sa krilcima u ljebovima rotora mogu biti: a) jednostrukog dejstva sa ekscentrino postavljenim rotorom u odnosu na statorski prsten ib)dvostrukogdejstvasacentrinopostavljenimrotoromueliptinomilispecijalno oblikovanom statorskom prstenu. Krilnepumpeihidromotorisaekscentrinopostavljenimrotoromspadajuugrupu najjednostavnijih zapreminskih hidraulinih maina. Pumpasesastojiodstatora,rotoraikrilaca,kojasuumetnuta u ljebove useene u rotoru. Centarrotorajepomerenuodnosunaosustatorazaveliinu(e)(slika2.7),kojasenaziva ekscentricitetom. Od veliine ekscentriciteta zavisi kapacitet pumpe. Najmanja veliina zazora je u pravcu O-A, a najvea u pravcu O-B. 5 Slika 2.7. ematski prikaz krilne pumpe sa ekscentrino postavljenim rotorom 1 - rotor, 2 - stator, 3 - krilce, 4 - usisni otvor, 5 - potisni otvor, 6 - prstenasti kanal, e - ekscentricitet, s -duina pregrada izmeu usisnog i potisnog otvora Priobrtanjurotoravrhovikrilacaklizepostatorskomprstenu:zbogprinudnogvoenja,ili usled dejstva centrifugalne sile i sile opruge koja je u ljebu ispod krilca (kao na slici 2.8), ili zbog dejstvasilepritiskaradnetenostikojasekanalimadovodiuljebispodkrilca(kaonaslici2.7). Radnekomore(zapreminekojimasetenostpotiskujeizusisneupotisnukomorupumpe)su prostori izmeu dva susedna krilca, doboa rotora, statorskog prstena i bonih strana. Zbog klizanja krilacapostatorskomprstenu,radnekomoresepoveavaju(puneradnomtenouuusisnoj komori pumpe) i smanjuju (potiskuju radnu tenost u potisnu komoru pumpe). U podruju poveanja zazora (smer rotacije A-B na slici 2.7) krilca se izvlae iz ljebova pa seradnekomorepoveavajuiusledstvorenogpotpritiskapuneradnomtenou.Upodruju smanjenjazazora(smerrotacijeB-Anaslici2.7)krilcase,zbogdelovanjasilepritiskanamestu kontaktapovrinestatoraikrilca,uvlaeurotor,padolazidosmanjenjazapreminekomorai potiskivanja radne tenosti iz pumpe. Zapreminski protok ovih pumpi se moe raunati iz uproenog izraza: p p tz s D b e q Q = = ) ( 2. (5) gde su: e [m] ekscentricitet pumpe, b [m] irina statora, D [m] prenik statora, s [m] debljina krilca. z [-] broj krilaca, koji se obino kree od 10-12. Poveavanjembrojalopaticasmanjujeseoptereenje kojenenjihdejstvujeipoveavaseravnomernost protoka na izlazu. Na slici 2.8 je prikazano reenje krilne pumpe sa ekscentinopostavljenimrotoromkodkojesetenosti dovodikrozosneiradijalnekanalenarotoru.Usisnii potisni vodovi su razdvojeni razvodnim rukavcem. Rade saviimugaonimbrzinamanegopumpesarazvodom kroz otvore u statoru. Kodpumpesaekscentrinopostavljenimrotorom,utokujednogobrtajarotoraradna komoraizvrijednopunjenje("usisavanje")ijednopotiskivanjeradnetenosti,odakleiminaziv krilne pumpe jednostrukog dejstva. Krilnu pumpu sa ekscentrino postavljenim rotorom mogue je konstruktivnotakoizvestidaseekscentricitetrotoramoemenjati(kaokodkonstrukcijanaslici 2.9).Nazivkrilnepumpesaekscentrinopostavljenimrotoromuobiajenjeupraksi,madabiim Slika 2.8. ematski prikaz krilne pumpe sa napajanjem kroz osne kanale 6 naziv krilne pumpe sa ekscentrino postavljenim statorskim prstenom vie odgovarao, poto se kod pumpi promenljive radne zapremine promena ekscentriciteta vri pomeranjem statora (ne rotora). Slika 2.9. Naini regulisanja krilne pumpe: a) reguliuim zavrtnjem, b) oprugom Promenomekscentricitetamenjaseradnazapremina,asamimtimiprotokpumpe. Dovoenjemrotoraucentrinipoloajprekidaseprotok(pumparadisanultimprotokom). Promenomekscentricitetasajednenadrugustranumenjasesmerstrujanjakrozpumpu(pumpa dvosmernog dejstva) (slika 2.10). Slika 2.10. Razliite vrednosti ekscentriciteta a) e>0 - smer strujanja A-B, b) e=0 nema strujanja,v) e