Fizika | Áramlástan » Áramlástan II

Áramlástan II ÁRAMLÁSOK JELLEGE Lamináris és turbulens áramlás A csőben kialakuló áramlás a Reynolds-szám értékétől függően lamináris és turbulens lehet. A lamináris (réteges) áramlásnál a közegrészecskék a cső tengelyével párhuzamosan keveredés nélkül mozognak. A sebesség minden pontban meghatározott értékű Ez az áramlási forma akkor áll fenn, ha: Re = (vd) / ν < Re kr = 2320 Ahol a ν a közeg kinematikai viszkozitása. Turbulens áramlásnál a sebesség tengelyirányban és merőlegesen is kaotikusan változik időben. A tengelyre merőleges átlagsebesség zérus, a tengelyirányú pedig egy sugár mentén változó átlag-érték körül fluktuál. Bekövetkezése: Re > Re kr = 2320 Áramlás és rohanás szabad felszín esetén Nyílt medrekben vagy a csővezeték keresztmetszetét részben kitöltő áramlás esetén a Froude-szám dönti el, hogy lassú áramlás vagy gyors rohanás jön-e létre. A Froude-szám: Fr = v < 1

, ahol z a gz vízmélység. Ebben az esetben az áramlás nyugodtan halad. Kis áramlási sebességeknél és nagy vízmélységeknél valósul meg. A folyadékfelszín megzavarásával létrehozott hullámok mind az áramlással szemben, mind annak irányában terjednek. Ha a Froude-szám: Fr = v > 1 , akkor a folyadék gyorsabban halad, mint a felszíni hullám, azaz gz rohan. Ilyenkor a zavarás okozta hullámok csak az áramlás irányában terjednek Előfordul, hogy a csővezetékben vagy a mederben kiemelkedés vagy besüllyedés van. ÁRAMLÁS ZÁRT CSŐVEZETÉKEKBEN A Bernoulli-egyenlet viszkózus közeg áramlására Valóságos folyadékban az energiaátalakulásokat kísérő viszkózusság és a turbulens örvénylés miatti áramlási veszteségeket is figyelembe kell venni. A viszkózusság okozta energiaveszteségek miatt a mozgási, nyomási és potenciális energiák összege nem azonos a két keresztmetszetre, mivel a közeg összenergiájának egy részét a

viszkózus és turbulens nyíróerők felemésztik. Az egyenlőség akkor áll helyre, ha a második keresztmetszetre vonatkozó mechanikai energiához hozzáadjuk a két keresztmetszet közti energiaveszteséget. Viszkózus közegre érvényes Bernoulli-egyenlet: gz1 + p1 ρ + v12 p v 2 ∆p = gz 2 + 2 + 2 + v Ahol ∆p v a nyomásveszteséget jelenti, így ∆p v / ρ az ρ 2 ρ 2 energiaveszteség. Ha az egyletünket végigosztjuk g-vel, minden tag hosszdimenziójú lesz. z1 + p1 v12 p v2 + = z 2 + 2 + 2 + hv = v Ahol h v = ∆p v / ρg. az ún veszteségmagasság, és v a teljes ρg 2 g ρg 2 g hidraulikus magasság. A nyomásveszteség kör keresztmetszetű egyenes csőben lamináris áramlásnál Csőben történő lamináris áramlás esetén, a cső falánál a sebesség zérus, a cső középvonala felé egyre nő, és a cső tengelyében veszi fel maximumát. Mivel a folyadékrétegek egymáshoz képest eltérő sebességgel mozognak, így nyírófeszültség

keletkezik. A fellépő sebességlassulás: v(r ) = p1 − p2 2 ⋅ r0 − r 2 4ηl ( ) A közeg csőbeni térfogatárama: qv = r02πvmax 2 Ahol: vmax = p1 − p2 2 ⋅ r0 4ηl A két egyenletet összevonva kapjuk a Hagen-Poiseuille-törvényt: qv = π ( p1 − p2 ) 4 ⋅ r0 8ηl Ebből a törvényből kifejezhető a l csőhosszra jutó nyomásveszteség. Ebben az esetben is bevezethetjük a Reynolds-számot: Re = (ρvd) / η A Reynolds-szám segítségével egyszerűbbé válik a nyomásveszteség számítása. ∆pv = 64 l ρ 2 ⋅ ⋅ ⋅v Re d 2 A nyomásveszteségből a veszteségmagasság is számítható: h v = p v / (ρg) A 64/Re kifejezést λ-val jelölik és neve csősúrlódási tényező. A gyakorlatban lamináris áramlás ritkán valósul meg. A nyomásveszteség Kör keresztmetszetű csövekben turbulens áramlásnál a nyomásveszteség arányos a csőhosszal, az átlagsebesség dinamikus nyomásával és fordítottan arányos a cső átmérőjével:

∆pv = λ l ρ 2 ⋅ ⋅v d 2 A λ csősúrlódási együttható a Reynolds-szám és a k/d relatív csőérdesség függvénye. A nyomásveszteségek számításánál általában a csőben vég-bemenő áramlás átlagsebességét és így Reynoldsszámát sem ismerjük Ekkor a: λ = 0,025-0,03 értékek között vehető fel Ezzel az értékkel számítható egy átlagsebesség és egy Reynolds-szám. Nyomásveszteség nem kör keresztmetszetű csövekben Egyenes, nem kör keresztmetszetű csövekben keletkező nyomásveszteségeket az előző témakörhöz tartozó összefüggésekkel számíthatjuk annyi különbséggel, hogy a képletben λ* és d e (egyenértékű hidraulikai átmérő) szerepel. A d e átmérő annak a kör keresztmetszetű csőnek az átmérője, melynek l hosszúságú szakaszán ugyanakkora ∆p nyomásveszteség keletkezik, mint a tetszőleges keresztmetszetű cső l hosszúságú szakaszán. A csúsztató feszültségből a kerület mentén adódó

súrlódó erő mindkét esetben a nyomáskülönbségből származó erővel tart egyensúlyt. A nyomásveszteség: ∆p = (Kl / A) τ Az ezzel hidraulikailag egyenértékű d átmérőjű csöveknél felírható: ∆p = (4l / d e ) τ Ha a nyomáskülönbség két kifejezését egyenlővé tesszük, akkor adódik, hogy: d e = (4A / K) A λ* csősúrlódási együttható a kísérletek szerint: λ = ϕλ Ahol ϕ a formatényező. A formatényező turbulens áramlásnál 1-nek vehető ÁRAMLÁS CSATORNÁKBAN, MEDREK-BEN Ezekben az esetekben a fenék esése, a felszín esése és az áramlási keresztmetszet állandó. Az áramlás kizárólag a potenciális energia változása miatt jön létre. Az áramlás turbulens jellegű, és a hidraulikailag érdes tartományba esik. A sebességeloszlás Csatornákban a sebességeloszlás nem szimmetrikus. A nedvesített kerület mentén a folyadék sebessége zérus. A legnagyobb sebesség a szabad felszín alatt kb h/5 magasságban van, ahol h

a folyadék mélysége. A levegő és a folyadék közti súrlódás miatt a felszín sebessége kisebb Az átlagsebesség: v = q v / A Áramlási összefüggések Ha a fenékesés és az átlagsebesség kapcsolatát vizsgáljuk, a veszteséges áramlás Bernoulli-egyenletét alkalmazzuk. p v2 p v2 z1 + 1 + 1 = z 2 + 2 + 2 + hv ρg 2 g ρg 2 g Továbbá: v = v 1 = v 2 , és p 1 = p 2 = p Ebből következik, hogy z 1 – z 2 = h v l v2 A nem kör keresztmetszetű csőáramlásokra érvényes: hv = λ ; ahol d e = 4A / K a csatorna ⋅ de 2g egyenértékű átmérője. Ezen képletek egybevetéséből bevezethető a csatornaesés fogalma: J = Ezután kifejezhető a sebesség: v= 8g λ ⋅ z1 − z 2 = sin α l de ⋅ J 4 Ha bevezetjük a hidraulikai sugár r h = d e / 4 = A/K továbbá a Chézy-tényezőt C = sebesség a következő alakba hozható: 8g λ , akkor a v = C rh J A C értéke a λ-tól függ, melynek értéke viszont a Reynolds-szám és a relatív

érdesség ismeretében vehető fel. Csatornáknál az érdességi adatok meg-bízhatatlanok, így számítási eredményeink is azokká válnak. Célravezetőbb a Bazin-képlet alkalmazása, mely szerint: C = 87 ⋅ rh α + rh . α értékét táblázatból vehetjük fel. ELTÉRÉSEK A STACIONARIUS ÉS INKOMPRESSZIBILIS ÁRAMLÁSTÓL A gyakorlatban vannak esetek, amikor a közeget összenyomhatónak kell tekinteni. Ilyen eset a csővezeték hirtelen zárásakor keletkező nyomáslökés, amikor a nyomásváltozás hangsebességgel terjed tova a csővezeték mentén, és csak többszöri visszaverődés után hal el. A közeg részecskéi ilyenkor a hullám frontja előtt és után más sebes-séggel mozognak, így a jelenség instacionarius. Akkor is megsérül az inkompresszibilitás és a stacioneritas feltétele, ha a folyadékban áramlás során buborékok keletkeznek. Ez történik a szivattyúk üzemében fellépő kavitációs jelenségeknél Nyomáshullámok

csővezetékekben. Képzeljünk el egy csővezetéki szakaszt, melyben egy szabályozó szerelvény, például tolózár van. Kezdetben v az áramlás sebessége, és hirtelen zárunk a tolózáron. Ekkor a tolózár előtt ∆v érték-kel csökken a sebesség, így a sebességi energia egy része hirtelen nyomási energiává alakul, és ha a zárás igen gyors volt, akkor egy meredek homlokú nyomásugrás lép fel. A nyomásugrás a közeg rugalmassága miatt hanghullám formájában terjed tova a csővezeték mentén. Ahol a nyomáshullám áthalad, a folyadék összenyomódik, a cső pedig rugalmassága miatt tágul. A folyamatok eredményeként a folyadék részecskéi korábbi sebességüket a tolózár előtti értékre csökkentik. Hirtelen nyitáskor fordított folyamat játszódik le (depreszsziós hullám). A nyomásnövekedés a hullám homlokfelületén: ∆v  ρ  ∆p = − ρc∆v − ⋅ v +  2 ∆v   Folyadékot szállító csővezetékekben

∆v ≤ v ≈ 2 m/s és a c ≈ 1500 m/s értékek valósulnak meg, így a második tag elhanyagolható: ∆p = - ρc∆v A sebességváltozási hullám mindig ellentétes elő-jelű, mint a nyomáshullám. A térfogatváltozás: ∆V1 = − 1 v0 ∆p Η A cső falában feszültség növekedés jön létre, melynek értéke: ∆σ = ∆pd ; ahol δ a csőfal vastagsága. 2δ A kavitációs jelenségek folyadékokban Valóságos áramlásnál nem mindig teljesülnek a kontinuitási-egyenlet egyes feltételei, mégpedig tömeg az áramlási rendszeren belül nem keletkezik és nem tűnik el, valamint a rendszer határoló felülete időben változatlan marad. Az áramlás irányába csökkenő keresztmetszetű áramlási geometriáknál a Bernoulli-egyenlet szerint számolni kell azzal, hogy a statikus nyomás a folyadékra az adott hőmérsékleten jellemző, telítési gőznyomás alá esik. Ekkor a folyadékban gőzbuborékok jönnek létre Hasonló jelenség lép fel akkor is,

ha a folyadék nagy mennyiségű gázt tart oldva. Nyomáscsökkenéskor az oldott gáz buborékok formájában válik ki. Az eddig homogén folyadék inhomogénné válik Gáz- illetve gőzbuborékok általában a falak mellett jönnek létre, és ott üreget képeznek. A folyadék most nem a szilárd fallal, hanem az áramvonalakból álló fallal (F D ) van határolva, melynek alakja időben változhat. A kontinuitási-egyenlet továbbra is használható, csak most az F D fallal határolt áramcsőre érvényes. A falak mentén létrejött buborékokat az áramlás magával ragad-hatja és ismét olyan helyre kerülhetnek, ahol nagy a statikus nyomás. Itt a buborékok elpukkadhatnak és ezzel nyomáslökéseket kelthetnek A létre-jövő nyomáslökések a környező fémfelületeket roncsolják. A buborékképződést kavitációnak, következményét kavitációs eróziónak nevezzük. A jelenség elkerülhető, ha olyan áramlási körülményeket hozunk létre, melyeknél a

statikus nyomás nem csökkenhet a folyadék telített gőznyomása alá (forrásponti nyomás). ÁRAMLÁSTANI GÉPEK Szivattyúk A bevezetett mechanikai munkát megváltoztatják és a folyadék energiatartalmát növelik. A szivattyú szívógép. A hétköznapi életben a szívás tulajdonképpen a légköri nyomás és az abszolút nyomásmentes tér nyomáskülönb-égéből adódik. Ezért víznél a legnagyobb szívómélység elméletileg is csak a légköri nyomással egyensúlyt tartó 10 méter vízoszlop lehet. A gyakorlatban ez kevesebb is lehet. Szivattyúk működési elv és szerkezet szerinti osztályozása Térfogat kiszorítás elvén működő szivattyú Működésük térfogatváltozáson alapul. Körülhatárolt térben mozgó szerv váltakozva növekvő és csökkenő térfogatú teret létesít, aminek következtében a szállított folyadék oda beszívódik, majd onnan kiszorul. Öt alapvető elemet kell tartalmazniuk: kiszorító elem; szerv a folyadék

csatornába bocsátására; szerv, melyen át a folyadék a csator-nából eltávozik; szerv a beömlés és a kiömlés egymástól való eltömítésére; szerv a kiszorító elem kivonására a működésből. A működés elve: A folyadék beömlik a kiszorító elem mozgásának következtében előálló térbe; a folyadék bezáródik a térbe és a beömlési helyre szorul; a folyadék a kiszorító elem közbejöttével kinyomódik a kiömlő nyíláson. Ezen szivattyúk szállítása szakaszos, de a szállítás egyenletessé tehető szivattyúk párhuzamos kapcsolásával. Csoportosításuk a kiszorító elem mozgása alapján: lengőmozgás (dugattyús- és membránszivattyúk); forgó-lengőmozgás (szárnyszivattyúk); forgómozgás (a folyadékszállítás lehet kerületi irányú, vagy tengelyirányú); térbeli mozgás. Dugattyús szivattyúk Lehetnek egy- vagy többhengeres, a hengerek helyzete szerint fekvő és álló, soros, V-elrendezésű, radiális és axiális

szivattyúk. Aszerint, hogy a dugattyúnak egy vagy mindkét oldala részt vesz a szivattyúzásban egyszeres illetve kétszeres működésűek. Ezen kívül szívó-emelő és szívó-nyomó szerkezetek lehetségesek. A dugattyú alak-ja szerint tárcsás-dugattyús, búvárdugattyús, lépcsősdugattyús, szelepes-dugattyús kivitelek különböztethetők meg A dugattyú mozgása közvetlenül vagy közvetett módon történhet. Membránszivattyúk A kiszorító elemet hajlékony membrán képezi. A membránnal kis löketek valósíthatók meg A munkaterek száma szerint lehetnek egy, kettő illetve három munkateres szivattyúk. A munkaterek helyzete szerint fekvő és álló elrendezésűek. A membránok mozgatása szerint kézi emelős, rudazatos, forgattyús, excenteres és bütykös hajtás lehetséges. Ezen kívül folyadéknyomással vagy sűrített levegővel is működtethetők. Forgó-lengő dugattyús szivattyúk A kiszorító elem váltakozó irányú forgó-lengő

mozgást végez. Ilyen a szárnyszivattyú, melyben kör keresztmetszetű csatornában ide-oda lengő szelepekkel ellátott sík lapok alkotják a kiszorító elemet. Forgó kiszorító elemmel működő szivattyúk A folyadékszállítás lehet kerületi- illetve tengely-irányú. A kerületi irányban szállító szivattyúk két csoportra oszthatók: a kiszorító elem koncentrikusan, illetve excentrikusan van elhelyezve. A koncentrikusan elhelyezett kiszorító elemmel dolgozó szivattyúk egy- vagy több forgórésszel készülhetnek. Az egy forgórésszel készülő szivattyúk közül leggyakoribbak a lamellás, a repülőlapátos, vagy csúszó lemezlapátos szivattyúk. A két forgórészes szivattyúk csoportjába tartoznak a külső fogazású fogaskerekek felhasználásával készített fogaskerék szivattyú. A kis fogszámú fogaskerekek alakja eltér a szokásos fogaskerék alaktól (piskóta alakúak). A fogaskerekek száma általában kettő. A szállítás iránya

szerint egy vagy mindkét irányba szállító szivattyúkat különböztetünk meg. Az excentrikusan elhelyezett egy kiszorító elemmel készülő szivattyúk között a forgótolattyús, a zárótolattyús, bolygó- vagy gördülődugattyús különböztethetők meg. Az excentrikus két forgó-részes szivattyúk lehetnek belső fogazású fogas-kerék szivattyúk. A tengely irányban szállító szivattyúk csoportjába a csavarszivattyúk tartoznak. Lehetnek egy, kettő és három csavarorsós szivattyúk. Az átömlés iránya szerint egyirányú és kettő átömlésű Az egyorsós szivattyú háza rendszerint gumi, vagy gumibevonatú Áramlástechnikai elven működő szivattyúk Az energiaátalakulás lapátokkal ellátott forgókerékben megy végbe (járókerék). A folyadék a lapátok közötti térből örvényszerűen távozik (örvényszivattyúk). A folyadék a forgástengely irányában jut a járókerékbe, mely a folyadékot gyorsítja és sugárirányban ferde kúp

felületen vagy pedig tengelyirányban juttatja a nyomótérbe. A nyomótér gyűrű alakú gyűjtőtér, spirál ház, ferde illetve tengelyirányú csőszerű köpenyes lehet. A nyomótérben a nyomás a sebességi energia rovására megemelkedik. Az örvényszivattyúk nem önfelszívók, hanem indítás előtt folyadékkal kell őket feltölteni. A járókerék kialakítása szerint radiális be- és kiömlésű járókerék, amelynél a lapátcsatornákba a folyadék sugár irányban lép be és ki. Axiális vagy félaxiális beömlésű és kiömlésű járókerekek is lehetnek (tengely irányban vagy ferdén lép be és sugár irányban lép ki). Ezek a centrifugál szivattyúk. Félaxiális kerekekben a folyadék ferde irányban jut be, és ferde irányban távozik. Axiális szivattyúkba a folyadék tengely-irányban lép be és távozik Lehetnek egy vagy több járókerekes szivattyúk. Ezen belül ismét két-félék lehetnek aszerint, hogy a szállító magasságot vagy a

folyadék mennyiséget kell növelni. Nagy szállító magasságok eléréséhez egymás után sorba vannak kapcsolva. Ezek a többfokozatú, vagy turbószivattyúk Nagy folyadék mennyiség szállítása párhuzamosan kapcsolt járókerekekkel érhető el. Ezek a kettős beömlésű szivattyúk A járókerék lapátjai két forgásfelület között lehetnek elhelyezve. Ezt zárt járókeréknek nevezzük Lehetnek csak egy oldalon határolva, vagy teljesen nyitottak. A szivattyútengely térbeli helyzete szerint vízszintes, függőleges és ferde tengelyűek lehetnek. A tengely szivattyúházból való kivezetése szerint száraz és nedves tengelyű szivattyúkról beszélünk. A nyomótér és a szivattyúház kiképzése szerint gyűrű alakú gyűjtőtér, spirálházas valamint ferde illetve tengely irányú csőszerű köpenyes kivitelek különböztethetők meg. Gyűrű alakú nyomóteret általában többfokozatú szivattyúkon alkalmaznak Egyéb, fizikai elven működő

szivattyúk Oldalcsatornás szivattyúk Járókerekük lapátozása sugár irányú (csillagkerék). A járókerék melletti oldalba van besüllyesztve a szállító oldalcsatorna. A járókerékben nagy sebességgel áramló folyadék az oldalcsatornában áramló folyadékkal turbulens keveredésbe jut, és sebességi energiájának egy részét átadja. Lehetnek egyvagy többfokozatúak Ezek a szivattyúk önfelszívók Sugárszivattyúk A szivattyú keverőterébe fúvókán át nagy sebességű közeg áramlik be, magával ragadva a környezetében lévő folyadékot. A keverőtérhez csatlakozó diffúzorban a sebesség nyomássá alakul át Vannak gőz sugárszivattyúk, víz sugárszivattyúk és lég sugárszivattyúk. Légnyomásos vízemelők Egyik fajtája a mamutszivattyú, melynél a kút vízszintje alá nyúló szállítócsőbe külön csövön át levegőt vagy gázt adagolunk. Az így keletkezett kisebb fajsúlyú folyadékot a felhajtó erő felemeli A másik típus

a fazékszivattyú. Sűrített levegő nyomása a víztükrön felemeli a felszállócsőben a vizet Elvileg dugattyús szivattyú, a dugattyút lég-párna helyettesíti. Egyik változata a pulzométer, mely nagynyomású gőzzel működik. Vízemelő kos: A szivattyúba a hozzáfolyócsövön át kisebb eséssel beáramló folyadék a cső végén elhelyezett szelepet becsapja maga előtt. A nyomásnövekedés kinyitja a nyomószelepet és magasabb szintre szállítja a folyadékot. A folyadékszállítás addig tart, míg a vízoszlop a folyadékáram mozgási energiáját fel nem emészti. Ezután a nyomószelep záródik, esik a nyomás, a rugalmas folyadéktömegben lengést indít meg. Az első kilengéskor az indítószelep kinyílik és a folyamat megismétlődik. Ott használható, ahol a víznek esése van Csigaszivattyú: Tengelyre erősített csavarfelület, melyet félig körülvevő ferdén elhelyezett teknőben forgatnak. Az alvízbe nyúló csiga menetei közötti

terekbe jutó folyadék forgás közben a felső szintre jut. Szennyvizek szállítására előnyös Egyéb vízemelő szerkezetek Vízemelőkerék: Hengerpaláston elhelyezett kanalak nyúlnak az alvízbe, és a kerék tengelyének megfelelő magasságra emelik a vizet. Láncszivattyú: Ide tartoznak a gémes és kerekes kutak is. Elektromágneses szivattyú: Villamos vezetőképeségű folyadékok szivattyúzására használható. Erős mágneses térre merőlegesen átfolyó áram a harmadik térirányban indukció folytán elmozdulást hoz létre. Ennek következtében szivattyúzó hatás áll elő A szivattyúkat a szállított közeg jellemző tulajdonságai alapján is megnevezhetjük. Beszélünk tiszta víz, pép, beton, savszivattyúkról. A szállított közegek feloszthatók: tiszta és enyhén szennyezett folyadékok; szennyezett és sűrű folyadékok; gáztartalmú folyadékok és folyadék-gáz keverékek. A szállított közegnek megfelelően a szivattyúszerkezetek

és anyagok is változnak. ÖRVÉNYSZIVATTYÚK JÁRÓKEREKEI Az örvényszivattyúk három csoportba sorolhatók: centrifugál szivattyúk, csavarlapátos szivattyúk, szárnylapátos szivattyúk. A centrifugál szivattyú centrifugális elvet érvényesít, ezért nagyobb nyomások létrehozására készül. Járókereke radiális kiömlésű. Lapátjai tárcsaszerű forgástesten helyezkednek el A lapátozás lehet radiális, hátraálló és hátrahajló. Ha a lapátok csak a tárcsán helyezkednek el, és a csatornák másik oldalát a szívófedél képezi, akkor közönséges lapátról beszélünk. Ha a szívófedél mellett a lapátok még egy tárcsával fedettek, akkor ezt a kialakítást rekeszes járókeréknek nevezzük. A csavar- és szárnylapátos járókerék a csavarelvet alkalmazza. Az áramlásba ferdén benyúló lapátok a folyadékot maguk mögé hajtják forgás közben Kis nyomással nagy mennyiségek szállítására alkalmasak. A járókerék lapátjai

tengelyirányból nézve fedik egymást (csavarlapátos). A szárnylapátos járókerék lapátjai hasonlítanak a hajtópropellerhez, és lapátjai között tengelyirányból nézve át lehet látni. A CENTRIFUGÁLSZIVATTYÚ HOZAMÁ-NAK MEGHATÁROZÁSA Járókerék emelőmagasságának ismeretében tudjuk, hogy a befektetett mechanikai munka árán mekkora energia hajtja a vizet a lapátcsatornán keresztül. Tudjuk használni a szabad kifolyásnál alkalmazott összefüggést: c = 2 gH , szivattyúknál pedig: cb = ε 2 gH Az ε értéke szivattyúknál kb. 0,1 Ez nem szivattyú hatásfok, mert az energia nagy része nyomás illetve helyzeti energia növekedésében jelentkezik. A szivattyú vízszállítása a kontinuitási törvényből: Q = A b c b Bevezethetjük a nyomásszámot, amely a veszteségképlet szerint: Ψ= 2 gH ; ahol az u 2 sebességet a H ismeretében határozhatjuk meg. u 22 SZIVATTYÚ SZABÁLYOZÁSA Fojtásos szabályozás A legegyszerűbb módszer; a

nyomóvezetékbe szelepet, tolózárat vagy bármilyen folyamatosan állítható elzáró szerkezetet építünk be. Ezen szerkezetek fokozatos elzárásával a szivattyút fojtva, tetszőleges folyadékszállításra állíthatjuk be. A fojtással kapcsolatos energiaveszteségre η = f(Q) hatásgörbe érvényes. A munkapont teljesen nyitott tolózárnál az A pontban van. Ha fojtással csökkentjük az átáramlott mennyiséget Q 1 értékre, a szivattyú jelleg-görbéje nem változik meg, de a csővezetéké meredekebb lesz, vagyis a munkapont elindul az N normálpont felé, majd eljut a C pontba, amelyhez a kívánt Q 1 mennyiség tartozik. Ha a folyadék mennyiséget a Q 2 értékre csökkentjük, a hatásfok észrevehetően rosszabb lesz. Akkor is ez történne, ha az A pontban volna a normálpont, akkor ugyanis a Q 1 mennyiségnél észrevehető volna a hatás-fok romlása. A szabályozás után nyert Q 1 mennyiségnél a BC metszék adja a léptékhelyes veszteségek

nagyságát. Ha ezt összehasonlítjuk a szállítómagasság értékével, nyilvánvalóvá válik, hogy gazdaságosságról szó sem lehet. Ha a szivattyú veszteségeihez számítva határozzuk meg a gép hatásfokát és hatásgörbéjét, még élénkebb lesz a kép. Minél laposabb a jelleggörbe, annál kisebbek a fojtási veszteségek, ami azt jelenti, hogy minél nagyobb a jellemző fordulatszám, annál kedvezőtlenebb a fojtás használata. Nagy fordulatszámú gépeket fojtva a hajtómotorokat túlterheljük és a gépeket tönkre is tehetjük. Nagy előnye a fojtásos szabályozásnak, hogy igen egy-szerű, könnyen kezelhető és szaktudást nem igényel. Megcsapolásos szabályozás A szivattyú nyomócsonkja után a fővezetéket megcsapolják. Erre akkor van szükség, ha a fővezetéken hosszabb időn keresztül csak kis folyadékmennyiségekre van szükség, vagy üresjáratban kell a szivattyút járatni. Ha a T tolózár teljesen nyitva, a T’ jelű viszont

teljesen zárva van, akkor a szivattyú a Cs csővezetékre dolgozik, és munkapontja az A 1 pont. Ha a T’ tolózárat részben nyitjuk, a folyadékszállítás a Cs’ csővezetékben is megindul, így a teljes folyadékmennyiség a két vezeték között szétoszlik. A munkapont helyének meghatározásához az eredő csővezetékgörbét kell megrajzolni. A munkapont helye az A 1 és A Ü pontok között lehet Ha a T’ tolózár teljesen zárva van, a munkapont az A 1 pontban van, ha viszont az egész mennyiséget a megcsapoló vezetéken vezetjük el, akkor a munkapont az A Ü üresjárati pontba kerül. A gép hatásfoka alig változik annak ellenére, hogy a szállított folyadékmennyiség tág értékek között mozog. A megcsapolásos szabályozás folyamán fellépő veszteségek kisebbek, mint a fojtásos szabályozásnál. Nem a szivattyút, hanem a szivattyúberendezést szabályozzuk. Nagy fordulatszámú gépeknél alkalmazzák. Levegővel való szabályozás A

fojtásos szabályozásnál gazdaságosabb szabályozáshoz jutunk, ha a szállított folyadékmennyiséget a szívócsőbe juttatott levegővel változtatjuk. Hátránya, hogy a szabályozás kis határok között eszközölhető, és fennáll a veszélye a folyadékoszlop leszakadásának (a szivattyú leáll). Üzemmód változtatással való szabályozás Párhuzamosan kapcsolt többlépcsős gépek egyes lépcsőinek kiiktatása, illetve a párhuzamos lép-csők sorossá változtatása. A másik módszer, ami-kor a sorba kapcsolt többlépcsős gépek egyes lép-csőinek megkerülésével szabályozunk. Fordulatszámmal való szabályozás A szivattyút hajtó motor fordulatszáma gazdaságosan változtatható. A szivattyúnak a fordulatszámhoz tartozó jelleggörbéje: n = f(Q) A jelleggörbe C tetőpontját meghatározva megrajzoljuk az M parabolát, melyen a többi jelleg-görbe tetőpontjának feküdnie kell. Ezután a jelleg-görbe tetőpontját eltolva megrajzolhatjuk

az ismeretlen értékű fordulatszámokhoz tartozó H = f(Q) görbéket. A jelleggörbék a különböző fordulatszámú üzemállapotokhoz tartozó munka-pontokat és ezek a szállított mennyiségeket is kijelölik. A folyadékmennyiség változtatásához kis fordulatszám változás tartozik. A szabályozás folyamán a gép hatásfokának változásáról a kagylódiagram ad felvilágosítást. A munkapontok a kagylódiagram középső mezejében helyezkednek el, ezért a hatásfok kis határok között mozog, ha a szabályozás folyamán nem akarunk igen kis folyadékmennyiséget beállítani. Ezen szabályozás gazdasági előnye, hogy a szivattyú hatásfoka nem romlik le túlságosan, valamint gépen kívüli tényezők nem rontják azt. Ez az oka annak, hogy ahol csak lehetséges fordulatszám szabályozást alkalmazunk. Vezetőlapáttal való szabályozás Ebben az esetben forgatható vezetőlapátokat alkalmazunk, melyek mindig a megfelelő szögben állva a vezetőkerék

belépőpalástjánál fellépő iránytörési veszteségeket megszüntetik. A vezető-kerék állításával nem változnak meg az áramlási veszteségek és a járókerék iránytörési veszteségei sem. A vezetőkerék állításával a normálpontot áthelyezhetjük. A görbék közötti különbség szembetűnő A vezetőlapátok elállításával egy új kagylódiagramú szivattyúhoz jutottunk. A szivattyú normálpontját elmozdítottuk, de a szabályozás szempontjából ez nem mutatkozik kedvezőnek. Az A’ munkapont a kettes jelű jelleggörbe C’ normálpontjától messze van, és így a hatásfok is rossz lesz. A vezetőkerék elállításával történő szabályozás gazdaságosnak nem mondható, hiszen ebben az esetben egy beépített fojtószerv kezd működni. Ha a vezetőlapátok elállítását és a fordulatszám változtatását összekapcsoljuk, akkor a normálpont nem csak elmozdítható, hanem a mindenkori munkapontba hozható lesz. Ez a szabályozás a

leggazdaságosabb Járókeréklapátok állításával való szabályozás A radiális és félaxiális gépeknél ennek szerkezeti megoldása nagy nehézségekbe ütközik. Propellergépeknél ez a szabályozási mód a fordulatszám szabályozásnál is gazdaságosabbnak minősíthető Lapátcsatornák részbeni elzárásával való szabályozás A fojtásos szabályozásnál sokkal kedvezőbb, ha a lapátcsatornák egy részét elzárjuk. A csatornákat csak a belépésnél elrekesztve a hatásfok valamivel rosszabb lesz, mint ha azokat teljesen elzárjuk, viszont a szállítómagasság csökkenésének mértéke is kisebb. Ez a megoldás igen nehézkes, ezért nem alkalmazzák. Lépcsős szabályozás Erre a szabályozásra csak akkor kerülhet sor, ha a folyadékmennyiség tárolására lehetőség van. A szabályozás elve, hogy a szivattyúk nem tartanak állandó üzemet, hanem jó hatásfokkal a kívánt mennyiségnél többet szállítanak egy tárolótartályba és a

kívánt mennyiséget a gépek szakaszos üzemével érhetjük el. A hatásfok igen jó, mert elérhető, hogy minden szivattyú és hajtógép a legjobb hatásfokú pont közvetlen környezetében dolgozzon