Гидравлический цилиндр - Hydraulic ram

Эта статья о водяном насосе с водяным приводом. Для насоса с приводом от двигателя см. Плунжерный насос. Для инструмента для извлечения автомобиля см. Гидравлические спасательные инструменты. Для поршневого привода см. гидравлический цилиндр.
Рисунок 1: Гидравлический цилиндр, приводящий в движение фонтан на Центр альтернативных технологий

А гидроцилиндр, или же Hydram, это циклический водяной насос питаться от гидроэнергетика. Вода вмещает за один "гидравлическая головка "(давление) и расход, и выводит воду с более высоким гидравлическим напором и более низким расходом. Устройство использует гидроудар эффект для создания давления, которое позволяет части входящей воды, которая питает насос быть поднятым до точки выше, чем исходная точка воды. Гидравлический цилиндр иногда используется в отдаленных районах, где есть как источник малонапорная гидроэнергетика и потребность в перекачке воды в пункт назначения, расположенный выше источника. В этой ситуации часто бывает полезен таран, поскольку он не требует внешнего источника мощность кроме кинетическая энергия проточной воды.

История

Плунжерный насос в Vogn, Северная Ютландия, Дания

В 1772 г. Джон Уайтхерст из Чешир, объединенное Королевство, изобрел управляемый вручную предшественник гидроцилиндра, названный «двигатель пульсации», и установил первый в Олтон, Чешир для подъема воды на высоту 4,9 метра (16 футов).[1][2] В 1783 году он установил еще один в Ирландия. Он не патент это, и детали неясны, но известно, что у него был воздушный сосуд.

Первый самодействующий гидроцилиндр изобрел француз. Жозеф Мишель Монгольфье (наиболее известен как соавтор воздушный шар ) в 1796 г. за подъем воды в его бумажная фабрика в Voiron.[3] Его друг Мэтью Бултон получил от своего имени британский патент в 1797 году.[4] Сыновья Монгольфье получили британский патент на улучшенную версию в 1816 г.[5] и это было приобретено вместе с дизайном Уайтхерста в 1820 г. Джозайя Истон, а Сомерсет по рождению инженер, только что переехавший в Лондон.

Фирма Истона, унаследованная его сыном Джеймсом (1796–1871), выросла в девятнадцатом веке и стала одним из наиболее важных производителей машиностроения в Соединенном Королевстве с крупными заводами в Эрит, Кент. Они специализировались на водоснабжении и канализация систем по всему миру, а также на суше дренаж проекты. Компания Eastons имела хороший бизнес, поставляя тараны для водоснабжения крупным предприятиям. загородные дома, фермы и сельские общины. Некоторые из их установок все еще сохранились по состоянию на 2004 год, один из таких примеров находится в деревне Толлер Велме, в Дорсет. Примерно до 1958 года, когда появилась водопроводная вода, деревня East Dundry к югу от Бристоль у них было три рабочих барана - их шумный «удар» каждую минуту или около того разносился по долине днем ​​и ночью: эти бараны обслуживали фермы, которым требовалось много воды для своих молочных стад.

Фирма закрылась в 1909 году, но бизнес барана продолжил Джеймс Р. Истон. В 1929 году его приобрела компания Green & Carter.[6] [7] из Винчестер, Хэмпшир, которые занимались изготовлением и установкой Вулкан и Вашер Рамс.

Гидравлический цилиндр, система Lambach сейчас на Музей под открытым небом Рошайдер Хоф

Первый патент США был выдан Жозеф Серно (или Курно) и Стивен (Этьен) С. Халле (1755-1825) в 1809 г.[8][9] Интерес США к гидроцилиндрам возрос примерно в 1840 году, когда были выданы новые патенты, и местные компании начали предлагать гидроцилиндры для продажи. К концу 19 века интерес угас, поскольку электричество и электрические насосы стали широко доступны.

Гидравлический таран Жреца, построенный в 1890 году в Айдахо, был «чудесным» изобретением, очевидно независимым, который поднимал воду на 110 футов (34 м) для орошения. Баран выжил и внесен в список США. Национальный реестр исторических мест.[10] ПРИМЕЧАНИЕ. Этот насос заявляет, что у него нет движущихся клапанов и он использует воздух под высоким давлением, поэтому на самом деле он может быть Импульсный насос.

К концу двадцатого века интерес к гидроцилиндрам возродился в связи с необходимостью устойчивые технологии в развивающиеся страны, и энергосбережение в развитых. Хорошим примером является Международный фонд помощи на Филиппинах, который выиграл Премия Эшдена за свою работу по разработке гидроцилиндров, которые можно было бы легко обслуживать для использования в отдаленных деревнях.[11] Принцип гидроцилиндра использовался в некоторых предложениях по эксплуатации мощность волны, одна из которых обсуждалась еще в 1931 г. Ханс Гюнтер в его книге In Hundert Jahren.[12]

Некоторые более поздние конструкции таранов в Великобритании назывались сложные тараны были разработаны для перекачивания очищенной воды с использованием неочищенного источника приводной воды, что позволяет преодолеть некоторые проблемы, связанные с получением питьевой воды из открытого ручья.[13]

В 1996 году английский инженер Фредерик Филип Селвин запатентовал гидроцилиндр, в котором сливной клапан использовал эффект Вентури и располагалась концентрически вокруг входной трубы.[14] Дизайн компактный. В настоящее время он продается как «Papa Ram Pump».[15]

Расположение клапанов гидроцилиндра Papa

Конструкция и принцип работы

У традиционного гидроцилиндра есть только две движущиеся части, подпружиненная или весовая "отходы" клапан иногда известный как «щелкающий» клапан и «доставка» обратный клапан, что делает его дешевым в сборке, простым в обслуживании и очень надежным.

Гидравлический цилиндр Пристли, подробно описанный в 1947 г. Энциклопедия Британника, не имеет движущихся частей.[10] ПРИМЕЧАНИЕ. Этот насос заявляет, что у него нет движущихся клапанов и он использует воздух под высоким давлением, поэтому на самом деле он может быть Импульсный насос.

Последовательность работы

Рисунок 2: Основные компоненты гидроцилиндра:
1. Впускная - приводная труба
2. Свободный поток на сливном клапане.
3. Выход - напорная труба
4. Сливной клапан
5. Доставка обратный клапан
6. Сосуд под давлением

Упрощенный гидроцилиндр показан на рисунке 2. Первоначально сливной клапан [4] открыт (т.е. опущен) из-за собственного веса, а нагнетательный клапан [5] закрывается под давлением, создаваемым водяным столбом из выпускного отверстия. [3]. Вода во входном патрубке [1] начинает течь под действием силы сила тяжести и набирает скорость и кинетическая энергия до увеличения тащить сила поднимает вес сливного клапана и закрывает его. В импульс потока воды во впускной трубе против закрытого сливного клапана вызывает гидроудар что повышает давление в насосе сверх давления, вызванного давлением водяного столба из выпускного отверстия. Этот перепад давления теперь открывает нагнетательный клапан [5] и заставляет некоторое количество воды течь в нагнетательную трубу [3]. Поскольку эта вода вытесняются в горе через трубу подачи дальше, чем он падает вниз по склону от источника, замедляет поток; при изменении направления потока обратный клапан подачи [5] закрывается. Между тем, гидроудар от закрытия сливного клапана также создает импульс давления, который распространяется вверх по входной трубе. [16] к источнику, где он преобразуется в импульс всасывания, который распространяется по входной трубе. [17] Этот импульс всасывания с грузом или пружиной на клапане открывает сливной клапан и позволяет процессу снова начать.

Резервуар высокого давления [6], содержащий воздух, смягчает удар гидравлического давления при закрытии сливного клапана, а также повышает эффективность перекачивания, обеспечивая более постоянный поток через нагнетательную трубу. Хотя теоретически насос мог бы работать и без него, эффективность резко упала бы, и насос стал бы подвергаться чрезвычайным нагрузкам, которые могли бы значительно сократить его срок службы. Одна из проблем заключается в том, что сжатый воздух будет постепенно растворяться в воде, пока не останется ничего. Одним из решений этой проблемы является отделение воздуха от воды с помощью эластичной диафрагмы (похожей на расширительный бак ); однако это решение может быть проблематичным в развивающихся странах, где сложно приобрести замену. Другое решение - это выдувной клапан устанавливается рядом с приводной стороной нагнетательного клапана. Он автоматически вдыхает небольшое количество воздуха каждый раз, когда закрывается нагнетательный клапан и возникает частичный вакуум.[18] Другое решение - вставить внутренняя труба автомобиля или велосипеда шина в сосуд высокого давления с небольшим количеством воздуха и закрытым клапаном. Эта трубка фактически такая же, как и диафрагма, но изготовлена ​​из более широко доступных материалов. Воздух в трубке смягчает удары воды так же, как и воздух в других конфигурациях.

Эффективность

Типичная энергоэффективность составляет 60%, но возможно и до 80%. Его не следует путать с объемной эффективностью, которая связывает объем поданной воды с общим объемом воды, взятой из источника. Часть воды, имеющейся на подающем трубопроводе будет снижена на отношении подающей головки к головке питания. Таким образом, если источник находится на 2 метра выше гидроцилиндра, а вода поднимается на 10 метров выше гидроцилиндра, может быть доступно только 20% подаваемой воды, а остальные 80% проливаются через сливной клапан. Эти соотношения предполагают 100% энергоэффективность. Фактическая поставка воды будет дополнительно снижена на коэффициент энергоэффективности. В приведенном выше примере, если энергоэффективность составляет 70%, подача воды будет составлять 70% от 20%, то есть 14%. Если предположить, что напор подачи к напору составляет 2: 1 и КПД 70%, то поданная вода будет составлять 70% от 50%, то есть 35%. Очень высокое отношение подачи к напору обычно приводит к снижению энергоэффективности. Поставщики гидроцилиндров часто предоставляют таблицы с ожидаемыми объемами, основанными на реальных испытаниях.

Конструкция привода и нагнетательного трубопровода

Поскольку как эффективность, так и надежная цикличность зависят от гидроудара, важна конструкция приводной трубы. Оно должно быть в 3–7 раз длиннее вертикального расстояния между источником и поршнем. Промышленные гидроцилиндры могут иметь входной фитинг, предназначенный для оптимального использования. склон.[19] Диаметр подающей трубы обычно соответствует диаметру входного фитинга гидроцилиндра, что, в свою очередь, зависит от его насосной способности. Приводная труба должна быть постоянного диаметра и из материала и быть как можно более прямой. Там, где необходимы изгибы, они должны быть плавными изгибами большого диаметра. Допускается даже большая спираль, но локти следует избегать. ПВХ подойдет для некоторых установок, но предпочтительнее стальные трубы, хотя они намного дороже. Если используются клапаны, они должны быть свободнопоточного типа, например шаровой кран или же задвижка.

Напорная труба гораздо менее критична, поскольку сосуд высокого давления предотвращает распространение по ней гидроудара. Его общий дизайн будет определяться допустимым падение давления исходя из ожидаемого расхода. Обычно размер трубы будет примерно вдвое меньше размера трубы подачи, но для очень длинных участков может использоваться больший размер. Труба ПВХ и вся необходимая арматура - не проблема.

Начало работы

Плунжер, недавно введенный в эксплуатацию или остановивший цикл, должен запуститься автоматически, если вес перепускного клапана или давление пружины отрегулированы правильно, но его можно перезапустить следующим образом:[20] Если сливной клапан находится в поднятом (закрытом) положении, его необходимо вручную опустить в открытое положение и отпустить. Если поток достаточен, он будет повторяться хотя бы один раз. Если он не продолжает цикл, его необходимо нажимать несколько раз, пока он не начнет непрерывно работать самостоятельно, обычно после трех или четырех ручных циклов. Если гидроцилиндр останавливается, когда сливной клапан находится в нижнем (открытом) положении, его необходимо поднять вручную и удерживать столько времени, сколько необходимо, чтобы подающая труба наполнилась водой и чтобы любые пузырьки воздуха поднялись по трубе к источнику. Это может занять некоторое время, в зависимости от длины и диаметра подводящей трубы. Затем его можно запустить вручную, нажав несколько раз вниз, как описано выше. Наличие клапана на нагнетательном трубопроводе у гидроцилиндра облегчает запуск. Замыкание клапана до велосипедных пусков RAM, затем постепенно открывая его, чтобы заполнить трубу доставки. Если открыть слишком быстро, цикл остановится. Как только напорная труба заполнится, клапан можно оставить открытым.

Общие эксплуатационные проблемы

Отсутствие подачи достаточного количества воды может быть связано с неправильной регулировкой сливного клапана, слишком малым количеством воздуха в резервуаре высокого давления или простой попыткой поднять воду выше уровня, на который способен гидроцилиндр.

Плунжер может быть поврежден из-за замерзания зимой или из-за потери воздуха в сосуде высокого давления, что приведет к чрезмерной нагрузке на его части. Эти отказы потребуют сварки или других методов ремонта и, возможно, замены деталей.

Работающий плунжер нередко требует периодических перезапусков. Цикл может остановиться из-за плохой регулировки сливного клапана или недостаточного расхода воды в источнике. Воздух может попасть внутрь, если уровень подаваемой воды не выше входного конца подающей трубы хотя бы на несколько дюймов. Другими проблемами являются засорение клапанов мусором или неправильная установка, например, использование подающей трубы неоднородного диаметра или материала, с резкими изгибами или шероховатой внутренней частью, или трубка, которая слишком длинная или короткая для падения или сделана из недостаточно жесткого материала. Подающая труба из ПВХ будет работать в некоторых установках, но не так оптимальна, как стальная.

Водяной насос

Альтернативой гидроцилиндру является водяной насос. Его можно использовать, если требуется высокий расход при высоком коэффициенте напора. Гидравлический насосный агрегат представляет собой гидравлическую турбину, соединенную с водяным насосом. Движущая сила, необходимая для насоса, генерируется гидравлической турбиной из имеющейся энергии воды низкого напора.[21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Уайтхерст, Джон (1775). "Счет машины для подъема воды, выполненный в Олтоне, в Чешире, в 1772 году". Философские труды Королевского общества. 65: 277–279. Дои:10.1098 / рстл.1775.0026.
  2. ^ Описание насосов Уайтхерста и Монгольфье можно найти в: Джеймс Фергюсон и Дэвид Брюстер, Лекции по избранным предметам, 3-е изд. (Эдинбург, Шотландия: Stirling & Slade и др., 1823 г.), т. 2, страницы 287-292; тарелки, п. 421.
  3. ^ де Монгольфье, J.M. (1803). "Note sur le bélier hydraulique, et sur la manière d'en calculer les effets" [Примечание о гидроцилиндре и методе расчета его воздействия] (PDF). Журнал des Mines, 13 (73) (На французском). С. 42–51.
  4. ^ (Редакция) (1798 г.). «Спецификация патента, выданного Мэтью Бултону из Сохо, графство Стаффорд, эсквайр; за изобретение усовершенствованного устройства и методов подъема воды и других жидкостей.… От 13 декабря 1797 г.». Репертуар искусств и мануфактур. 9 (51): 145–162.
  5. ^ См. Например: «Новые патенты: Пьер Франсуа Монгольфье», Анналы философии, 7 (41): 405 (май 1816 г.).
  6. ^ «Гидравлический_рам». www.chemeurope.com. Получено 2019-06-17.
  7. ^ Грин и Картер - изобретатели и патентообладатели гидроцилиндров.
  8. ^ Видеть:
    • Исполнительные документы Палаты представителей на второй сессии двадцать первого Конгресса, т. 2 (Вашингтон, округ Колумбия: Дафф Грин, 1831 г.), страницы 328 и 332.
    • Письмо Стивена С. Холлета президенту США Джеймсу Мэдисону от 9 сентября 1808 г. Доступно в Интернете по адресу: Национальный архив США.
  9. ^ См. Также гидроцилиндровый насос Роберта Фултона: письмо Томасу Джефферсону от 28 марта 1810 г. Доступно в Интернете по адресу: Национальный архив США.
  10. ^ а б Томас Б. Ренк (22 февраля 1974 г.). "Национальный реестр исторических мест инвентаризации / Номинация: Гидравлический таран священника". Служба национальных парков. Получено 15 ноября, 2019. С сопровождающие две фотографии 1973 года
  11. ^ «Премия Эшдена 2007 года от Фонда AID». Архивировано из оригинал на 2008-05-28. Получено 2008-07-09.
  12. ^ Ханс Гюнтер (Вальтер де Хаас) (1931). In Hundert Jahren. Космос.
  13. ^ Совет устного перевода Затерянные сады Хелигана, Корнуолл
  14. ^ Фредерик Филип Селвин, pdfpiw.uspto.gov, «Усилитель давления жидкости», Патент США № 6 206 041 (подано 2 апреля 1997 г .; выдано 27 марта 2001 г.).
  15. ^ "Папа Памп". Папа Насос.
  16. ^ https://lgpress.clemson.edu/publication/homemade-hydraulic-ram-pump-for-livestock-water/
  17. ^ https://warwick.ac.uk/fac/sci/eng/research/grouplist/structural/dtu/pubs/tr/lift/rptr15/tr15.pdf
  18. ^ «Практические ответы: гидроцилиндровые насосы» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2009-08-06. Получено 2007-06-03.
  19. ^ Гидравлические поршневые насосы, John Perkin
  20. ^ https://lgpress.clemson.edu/publication/homemade-hydraulic-ram-pump-for-livestock-water/
  21. ^ Нагарджуна Сагар с водяным насосом (ВЭС)
  22. ^ Кипурос, Хавьер А .; Лонгория, Рауль Г. (2004-01-29). «Синтез моделей для проектирования коммутируемых систем с использованием формулировки системы с переменной структурой». Журнал динамических систем, измерения и управления. 125 (4): 618–629. Дои:10.1115/1.1636774. ISSN  0022-0434. Насос гидроцилиндра ... по конструкции аналогичен конструкции повышающего преобразователя, что делает его гидравлическим аналогом.
  23. ^ Longoria, R.G .; Kypuros, J.A .; Рейнтер, Х. (1997). «График Бонда и модели рассеяния волн коммутируемого преобразования мощности». 1997 Международная конференция IEEE по системам, человеку и кибернетике. Вычислительная кибернетика и моделирование. 2. С. 1522–1526. Дои:10.1109 / ICSMC.1997.638209. ISBN  978-0-7803-4053-4. S2CID  58941781. Действительно, этот самодействующий насос может многое предложить в параллельном исследовании со своим электрическим кузеном.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка