Άντληση

→ Ιστορική ανασκόπηση

Οι αντλίες χρησιμοποιούνται για την μετακίνηση των υγρών. Η μετακίνηση πραγματοποιείται με μεταφορά ενέργειας στο υγρό, η οποία προσδίνεται στην αντλία από τον κινητήρα. Η μετάδοση ενέργειας στα υγρά μέσω της αντλίας σκοπό έχει συνήθως την ανύψωση αυτών από μια στάθμη σε άλλη που έχει μεγαλύτερο ύψος . Οι αντλίες για την άντληση του νερού επινοήθηκαν πριν από τις κινητήριες μηχανές. Τα βασικά εξαρτήματα των αντλιών αυτών ήταν δοχεία, τα οποία βυθιζόταν μέσα στο νερό και μετά ανυψωνόταν με τη βοήθεια απλών μηχανών. Η επινόηση του ανυψωτικού τροχού πρέπει να θεωρηθεί σαν ένα σημαντικό βήμα προόδου στην άντληση του νερού για άρδευση. Ως ενέργεια για την περιστροφή του τροχού χρησιμοποιήθηκε η ανθρώπινη ή ζωική δύναμη και η δύναμη του ανέμου. Αργότερα ο ανυψωτικός τροχός μετατράπηκε σε «αυτοκινούμενο» με την προσθήκη πτερυγίων στην περιφέρειά του. Καθώς το νερό των ποταμών έρεε, ωθούσε τα πτερύγια και ο τροχός περιστρεφόταν για την ανύψωση των δοχείων. Άλλες διατάξεις για άντληση του νερού ήσαν ο κοχλίας, η αλυσίδα με βύσματα και η χειροκίνητη παλινδρομική αντλία (τουλούμπα).

→ Ο μαθηματικός, φιλόσοφος, φυσικός και μηχανικός Αρχιμήδης

Κλιματισμός, Θέρμανση, Αντλίες Θερμότητας, Λέβητες, Λαμπτήρες Led Ο μαθηματικός, φιλόσοφος, φυσικός και μηχανικός Αρχιμήδης ήταν ένα από τα μεγαλοφυή πνεύματα που γνώρισε στην πορεία της η ανθρωπότητα. Σίγουρο θεωρείται ότι ο Αρχιμήδης γεννήθηκε στις Συρακούσες περί το 285 π.Χ και είχε πατέρα τον αστρονόμο Φειδία. Διασώθηκαν αρκετά συγγράμματά του, μερικά αποσπασματικά, «Περί σφαίρας και κυλίνδρου», «Κύκλου μέτρησης», «Περί πολυέδρων», «Περί σφαιροειδέων και κωνοειδέων», «Περί ελίκων», «Κέντρα βάρους επιπέδων», «Τετραγωνισμός παραβολής», «Κατοπτρικά», «Μηχανικά» κ.ά. Έκανε τα πρώτα βήματα για το μαθηματικό υπολογισμό επιφανειών με ακανόνιστο περίγραμμα και συμμετρικών εκ περιστροφής σωμάτων, μέθοδος που εξελίχθηκε, τεκμηριώθηκε και ονομάστηκε στη σύγχρονη εποχή Ολοκληρωτικός Λογισμός, υπολόγισε μία προσεγγιστική τιμή για τον άρρητο αριθμό π, διατύπωσε το νόμο της Μηχανικής για τους μοχλούς και, αντιλαμβανόμενος τις απεριόριστες προεκτάσεις του, γενίκευσε την εφαρμογή λέγοντας «Δος μοι πα στω και ταν γαν κινάσω» (δώσε μου σημείο να στηριχθώ και θα κινήσω τη Γη). Διατύπωσε επίσης την ομώνυμη αρχή για την άνωση του νερού, κατασκεύασε διάφορες μηχανές, ένα τύπο πολύσπαστου, τον κοχλία, μία αντλητική μηχανή με την «αρχιμήδειον έλικα» κ.ά. Το όνομα του Αρχιμήδη έχει συσχετιστεί με διάφορους θρύλους, π.χ. ότι πετάχτηκε από τη μπανιέρα του, μόλις αξιοποίησε πειραματιζόμενος την άνωση που εξασκεί το νερό και τρέχοντας γυμνός στους δρόμους, αναφωνούσε «Εύρηκα!», ότι έκαψε με συγκεντρωτικά κάτοπτρα πλοία των Ρωμαίων που πολιορκούσαν τις Συρακούσες, συγκεντρώνοντας πάνω τους την ηλιακή ακτινοβολία, ότι είπε σε Ρωμαίο στρατιώτη, ο οποίος τελικά και τον σκότωσε μετά την κατάληψη της πόλης το 212 π. Χ , «Μη μου τους κύκλους τάραττε!»

O ατέρμων κοχλίας ή υδρόβιδα ή αρχιμήδεια κοχλιωτή αντλία

Κλιματισμός, Θέρμανση, Αντλίες Θερμότητας, Λέβητες, Λαμπτήρες Led Κλιματισμός, Θέρμανση, Αντλίες Θερμότητας, Λέβητες, Λαμπτήρες Led Το υδραυλικό αυτό όργανο, γνωστό ως ατέρμων κοχλίας ή υδρόβιδα, εφευρέθηκε από τoν Αρχιμήδη κατά τη διάρκεια του ταξιδιού του στην Αίγυπτο. Χρησίμευε στην άντληση ύδατος από ένα χαμηλό επίπεδo σ' ένα άλλο υψηλότερο. Οι χρήσεις του από την αρχαιότητα έως σήμερα είναι πολλές: άρδευση αγροτικών καλλιεργειών, απαλλαγή μεταλλείων από λιμνάζοντα ύδατα, άντληση υδάτων από τα έγκατα των πλοίων και άλλες. Χρησιμοποιείται έως σήμερα σε πολλές χώρες, αναπτυγμένες ή μη, με πολλές μορφές και ποικιλία χρήσεων. Ο ατέρμων κοχλίας ή υδρόβια, αποτελείται από να στροφείο με ελικοειδή πτερύγωση, μέσα σε κύλινδρο, είναι βυθισμένο στο νερό με το ένα του άκρο. Με την περιστροφή του το νερό κινείται ανοδικά μέσα στα ελικοειδή πτερύγια και μεταφέρεται στο άνω άκρο της διάταξης. Ο μηχανικός και αρχιτέκτων Βιτρούβιος έδωσε μια λεπτομερή περιγραφή της κατασκευής του αρχιμήδειου κοχλία στο έργο του «De Αrxhitectura» τον 1ο π.Χ. αιώνα.

Τον 17ο αιώνα, η περίφημη παρισινή αρχιμήδεια «πολυμηχανή» του Marly θεωρήθηκε ως ένα από τα θαύματα του κόσμου της τεχνικής, αποτελώντας το μεγαλύτερο ολοκληρωμένο αρδευτικό σύστημα. Κατασκευάστηκε το 1684 με εντολή του Λουδοβίκου 15ου με στόχο την άντληση νερού από τον Σηκουάνα για την κάλυψη των αρδευτικών αναγκών των παλατιών Βερσαλλιών και Μαρλί και περιελάμβανε 14 υδροτροχούς και 250 κοχλίες.

→ Κτησίβιος ο εφευρέτης της αντλίας νερού

Άλλος σημαντικός ερευνητής της εποχής ήταν ο Κτησίβιος, ο εφευρέτης της αντλίας νερού, την οποία περιέγραψε αργότερα ο έτερος μεγάλος ερευνητής της εποχής, ο Ήρων ο Αλεξανδρινός (έζησε περί το 150 π.Χ., κατ' άλλους όμως περί το 250 μ.Χ.) Γεννήθηκε το 285 π.Χ. στην Αλεξάνδρεια, όπου και πέθανε το 222 π.Χ. Θεωρείται ο πρώτος που ασχολήθηκε με τις ιδιότητες των ρευστών. Οι πληροφορίες για τη ζωή του είναι αντιφατικές. Φαίνεται ότι δίδαξε στο Μουσείο της Αλεξάνδρειας και μεταξύ των μαθητών του συγκαταλέγεται ο Φίλων ο Βυζάντιος. Αν και η ζωή του δεν είναι γνωστή, το έργο του σχολιάζεται εκτενώς από τον Βιτρούβιο, τον Αθήναιο και τον Φίλωνα. Οι σχολιασμοί αυτοί αναδεικνύουν έναν Μηχανικό που συγκρίνεται με τον σύγχρονό του Αρχιμήδη. Πλούσιος σε ιδέες εφευρέτης, κατασκεύασε μηχανές που η λειτουργία τους στηρίζεται στον συμπιεσμένο αέρα. Μεταξύ των εφευρέσεών του εξέχουσα θέση έχει η καταθλιπτική αναρροφητική αντλία, το υδραυλικό ρολόι, η ύδραυλις (μουσικό όργανο, πρόγονος του εκκλησιαστικού οργάνου), τα όπλα πεπιεσμένου αέρα, κ.α. Ο Κτησίβιος σύγχρονος ή λίγο αρχαιότερος του Αρχιμήδους, επιστήμων Φυσικός κατ' αρχήν, "επεδείκνυε με παραδείγματα την φύση του αέρα και την δύναμη/ταχύτητα της κινήσεώς του" μας λέει ο Φίλων ο Βυζάντιος. Το χαρακτηριστικό, πάντως, του Κτησιβίου ( χαρακτηριστικό του αλεξανδρινού πνεύματος ), ήταν το εύρος των τεχνικών ενδιαφερόντων, αλλά και οι μεγαλύτερες πρακτικές δυνατότητες χάρις στην ευχερέστερη χρήση των μετάλλων.

H εμβολοφόρος αντλία του Κτησιβίου (285 - 222 π.Χ.)


Η εμβολοφόρος αντλία του Κτησιβίου (285 - 222 π.Χ.) θεωρείται μία από τις σημαντικότερες μηχανολογικές εφευρέσεις για την άντληση νερού, η οποία βρίσκει εφαρμογές ως τις μέρες μας, εδώ και 23 αιώνες. Αποτελείται από δύο όμοιους κυλίνδρους οι οποίοι στο εσωτερικό τους φέρουν έμβολα που κινούνται παλινδρομικά με τη βοήθεια μοχλού. Η κίνηση των εμβόλων δημιουργεί κενά αέρος και αναρρόφηση νερού, το οποίο μέσω σωλήνα μεταφέρεται έξω από το χώρο όπου είναι βυθισμένη η αντλία. Η παροχή της εμβολοφόρου αντλίας ήταν 1,0 κ.μ. νερού την ώρα και είχε απόδοση περίπου 80%.


→ Ο Ήρων ο Αλεξανδρεύς


Ο Ήρων ο Αλεξανδρεύς ήταν μηχανικός και γεωμέτρης. Έζησε στην Αλεξάνδρεια της Αιγύπτου περίπου τον 1ο π.Χ ή 1ο μ.Χ αιώνα. Η πιο διάσημη εφεύρεση του είναι η αιολόσφαιρα ή ατμοστρόβιλος, η πρώτη ατμομηχανή στην ιστορία. Υπήρξε διευθυντής της περίφημης Ανώτατης Τεχνικής Σχολής της Αλεξάνδρειας, το πρώτο πολυτεχνείο που είχε ιδρυθεί στο Μουσείο για μηχανικούς. Λέγεται ότι ακολουθούσε την θεωρία των ατόμων και τη Μηχανική Σύνταξη του Φίλωνα. Ιδέες του Κτησιβίου ήταν βάση για κάποια από τα έργα του. Ήταν γνωστός και ως Ήρων ο Κτησιβίου (ως μαθητή, πιθανότατα, του μεγάλου μαθηματικού και εφευρέτη Ήρων ο Αλεξανδρεύς Κτησιβίου), και Ήρων ο Μηχανικός.


Η πυροσβεστική αντλία του Ήρωνος


Πρόκειται για μια δίδυμη καταθλιπτική εμβολοφόρα αντλία συνεχούς ροής ύδατος που χρησιμοποιούνταν για πυρόσβεση και εξακολουθούσε απαράλλακτη να έχει την ίδια χρήση μέχρι πρόσφατα. Αποτελούνταν από δύο έμβολα που παλινδρομούσαν αντίθετα με τη βοήθεια ενός αρθρωτού κοινού χειρομοχλού εντός δύο κατακόρυφων κυλινδρικών δοχείων βυθισμένωνστην (πιθανότατα τροχοφόρα) υδατοδεξαμενή. Οι ανεπίστροφες βαλβίδες εισαγωγής ύδατος βρίσκονταν στον υπερυψωμένο πυθμένα των δοχείων και ανεπίστροφες βαλβίδες εξαγωγής ύδατος βρίσκονταν στη βάση των σωλήνων εξαγωγής ύδατος. Οι σωλήνες συνέκλιναν σε έναν κοινό κατακόρυφο αγωγό. Ο αγωγός άκρο του έφερε μια ευφυή (οριζόντια και κατακόρυφα) περιστρεφόμενη διάταξη σωληνίσκου με ακροφύσιο που επέτρεπε την ακριβή προσβολή του στόχου.

→ Φίλων ο Βυζάντιος

Έζησε όχι παραπάνω από μια γενιά μετά τον Κτησίβιο, δηλ. περί το 250 π.Χ. Έγραψε μια τεχνική Εγκυκλοπαίδεια την Μηχανική Σύνταξις, όπου συγκέντρωσε την τεχνική γνώση της εποχής σε 9 βιβλία. Από αυτά, το 4ο (Βελοποιικά), μέρος του 7ου (Παρασκευαστικά) και μέρος του 8ου (Πολιορκητικά) έχουν σωθεί στα Ελληνικά, ενώ το 5ο (Πνευματικά) έχει διασωθεί στα Αραβικά. Τα υπόλοιπα βιβλίά είχαν θέματα σχετικά με τα εφαρμοσμένα μαθηματικά, τη θεωρία μοχλών και της στατικής, τη λιμενοποιία και στοιχεία δομικής και αρχιτεκτονικής, την τέχνη κατασκευής αυτόματων θεάτρων και εφαρμογές πολεμικών μηχανών.

Η αλυσιδωτή αντλία Φίλωνος


Δημοφιλής μηχανή για την άντληση ύδατος μεγάλης υψομετρικής διαφοράς που χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα. Αποτελούνταν από δύο παράλληλες κλειστές αλυσιδωτές περιελίξεις γύρω από ένα ανώτερο τριγωνικό τύμπανο και συχνά ένα κατώτερο όμοιο τύμπανο που έφερε πτερύγια για την υδροκίνησή της. Οι αλυσίδες διέθεταν ενσωματωμένους ξύλινους ή μεταλλικούς κάδους που έφεραν ένα άνοιγμα στο πλαϊνό ανώτερο τμήμα του για την είσοδο του αντλούμενου ύδατος όταν βρίσκονταν στο κατώτερο σημείο της τροχιάς τους και την εκροή του εγκλωβισμένου ύδατος όταν βρίσκονταν στο ανώτερο. Η απαιτούμενη ενέργεια για την κίνηση του τροχού προερχόταν από τα υδροκίνητα πτερύγια του κατώτερου τριγωνικού τυμπάνου ή ένα συνεργαζόμενο ποδοκίνητο τροχό.


Ο υποδιαιρεμένος τροχός Φίλωνος (τύπου τυμπάνου)


Μηχανή για την άντληση ύδατος μικρής υψομετρικής διαφοράς. Αποτελούνταν από ένα περιστρεφόμενο τύμπανο χωρισμένο εσωτερικά σε οκτώ ακτινωτά τριγωνικά διαμερίσματα. Σε κάθε διαμέρισμα αντιστοιχούσε ένα άνοιγμα στην περιφέρειά του για την εισροή του αντλούμενου ύδατος όταν βρισκόταν στο κατώτερο σημείο της τροχιάς του και μια οπή στην κορυφή του για την έξοδο του εγκλωβισμένου ύδατος όταν βρισκόταν στο ανώτερο. Ένας ενσωματωμένος στο τύμπανο ποδοκίνητος τροχός ή περιφερειακά υδροκίνητα πτερύγια χρησιμοποιούνταν για την κίνηση της αντλίας. Υπήρχε η δυνατότητα και αντίστροφης χρήσης του μηχανισμού ως γεννήτορα δύναμης.

→ Ανυψωτική μηχανή νερού Περαχώρας


Η μηχανή αυτή αποτελείται από ξύλινη σταθερή βάση πάνω από υδατοδεξαμενή, εφοδιασμένη με περιστρεφόμενο τροχό που φέρει δώδεκα δοχεία στην περιφέρειά του. Επιπλέον, συνδέεται με σύστημα διαφορικών τροχών έτσι ώστε η κίνηση των ζώων στο οριζόντιο επίπεδο να θέτει σε κίνηση τον κατακόρυφο τροχό. Με βάση τα αρχαιολογικά ευρήματα από την Περαχώρα η κατασκευή της χρονολογείται περι το (300 π.Χ.).

→ Εφευρέτης της φυγοκέντρου αντλίας ο Γάλλος Denis Papin



Ο Γάλλος Denis Papin το 1687 περιέγραψε ένα τύπο αντλίας (Σχήμα 1.1), της οποίας η αρχή λειτουργίας ήταν η ίδια με τις σημερινές φυγόκεντρους αντλίες. Στο πειραματικό μοντέλο αυτό η πτερωτή είχε δύο πλήρως ακτινικά πτερύγια. Το 1705 κατασκεύασε ο ίδιος το μοντέλο της πρώτη φυγοκέντρου αντλίας για άντληση νερού. Στο μοντέλο αυτό η πτερωτή είχε περισσότερα πτερύγια και κέλυφος. Το βασικό πρόβλημα εκείνης της εποχής ήταν η αποφυγή εισχώρησης αέρα στο εσωτερικό της αντλίας που διέκοπτε τη λειτουργία της. Ένα άλλο σημαντικό τεχνολογικό πρόβλημα ήταν το γεγονός ότι οι φυγοκεντρικές αντλίες απαιτούσαν σχετικά μεγάλες ταχύτητες περιστροφής στη άτρακτο που ήταν δύσκολο να επιτευχθεί την εποχή εκείνη μια και η ανάπτυξη αξιόπιστων ιμάντων και εδράνων έγινε αργότερα. Πάντως οι ανάγκες της εποχής καλύπτονταν με τις εμβολοφόρες αντλίες.

Το επόμενο βήμα στην εξέλιξη των φυγοκεντρικών αντλιών σημειώνεται στο 1839 στις Η.Π.Α. οπότε ο W.D. Andrews πρόσθεσε σπειροειδές κέλυφος γύρω από την φυγοκεντρική πτερωτή. Η αντλία αξονικής ροής με πτερωτή τύπου έλικας παρουσιάστηκε από τον J. Skeys το 1875. Αργότερα κατασκευάστηκαν και άλλες φυγόκεντροι αντλίες με μικρές βελτιώσεις, αλλά ο βαθμός αποδόσεώς τους ήταν πολύ μικρός. Το 1875 ο Osborne Reynolds κατασκεύασε την πρώτη στροβιλοαντλία ( turbine pump ), που είχε σημαντικά αυξημένη απόδοση. Ο ίδιος τότε παρουσίασε και τον διαχύτη με πτερύγια. Από το 1840 άρχισαν να χρησιμοποιούνται οι ατμομηχανές για την κίνηση των αντλιών όταν ο Η.Worthington κατασκεύασε μία παλινδρομική αντλία, της οποίας το έμβολο ήταν συνδεμένο απευθείας με το έμβολο της ατμομηχανής. Νέα ώθηση στην εξέλιξη των αντλιών και την επινόηση νέων τύπων έδωσε η εμφάνιση των κινητήρων εσωτερικής καύσεως. Επίσης οι αεροστρόβιλοι ( steam turbines ) και οι ηλεκτροκινητήρες, που δίνουν μεγάλο αριθμό στροφών και σταθερή ροπή, συντέλεσαν στην ταχεία εξέλιξη των φυγοκεντρικών αντλιών και την εκτόπιση των παλινδρομικών, εκτός από τις περιπτώσεις όπου επιζητείται υψηλή πίεση και μικρή παροχή. Παράλληλα αναπτύχθηκαν οι περιστροφικές αντλίες για μικρές παροχές με μέση πίεση ιδίως για υγρά με μεγάλο ιξώδες.

→ Ορισμός αντλιών

Οι αντλίες είναι μηχανές οι οποίες χρησιμοποιούνται για τη πρόσδοση ενέργειας σε υγρά με σκοπό τη διακίνησή τους σε :

  1. υδροδυναμικές εγκαταστάσεις και γενικότερα δίκτυα σωληνώσεων, όπου συναντώνται μικρές υψομετρικές διαφορές και
  2. μεταξύ επιπέδων διαφορετικών υψομέτρων.

Στη πρώτη περίπτωση η αντλία προσφέρει ενέργεια ικανή να αναπληρώσει τις υδραυλικές απώλειες της ροής (γραμμικές και εντοπισμένες) και για αυτό τον λόγο ονομάζεται συνήθως αντλία- κυκλοφορητής. Στη δεύτερη περίπτωση η ενέργεια που προσφέρει η αντλία εκτός των υδραυλικών απωλειών πρέπει να καλύψει και την υψομετρική διαφορά των δύο επιπέδων μεταξύ των οποίων διακινείται το ρευστό. Τα επίπεδα αυτά είναι συνήθως οι στάθμες δύο δεξαμενών, από τις οποίες η μικρότερη αντιστοιχεί στη δεξαμενή αναρρόφησης (η δεξαμενή από την οποία αντλείται το υγρό) και η μεγαλύτερη αντιστοιχεί στη δεξαμενή κατάθλιψης (δεξαμενή στην οποία καταλήγει το διακινούμενο υγρό).

Οι αντλίες μπορούν να ταξινομηθούν με βάση κριτήρια όπως:

  • οι εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται,
  • τα υλικά από τα οποία έχουν κατασκευαστεί,
  • τα υγρά που διακινούν
  • ή ακόμα και ο προσανατολισμός τους στο χώρο.

Ένα κριτήριο περισσότερο αντιπροσωπευτικό της αντλίας, που αμελεί την επίδραση του περιβάλλοντος εργασίας της, είναι η αρχή με βάση την οποία προσδίδεται η ενέργεια από την αντλία στο ρευστό. Σύμφωνα με αυτό το κριτήριο οι αντλίες μπορούν να ταξινομηθούν στις παρακάτω δύο κατηγορίες:

  • Δυναμικές αντλίες, στις οποίες παρέχεται συνεχώς ενέργεια στο ρευστό. Ως αποτέλεσμα η ταχύτητα του ρευστού στο εσωτερικό της αντλίας συνεχώς αυξάνεται λαμβάνοντας τιμές μεγαλύτερες από την ταχύτητα του ρευστού στην έξοδο της αντλίας. Η ενδιάμεση μείωση της ταχύτητας (έτσι ώστε να ικανοποιείται η συνέχεια της ροής), έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της πίεσης του ρευστού. Οι αντλίες αυτής της κατηγορίας μπορούν να διαχωριστούν παραπέρα στις φυγόκεντρες (αξονικού, ακτινικού και μεικτού τύπου, μονοβάθμιων και πολυβάθμιων), στροβιλαντλίες και στις ειδικών εφαρμογών αντλίες (τύπου υδραυλικού κριού, ηλεκτρομαγνητικές αντλίες, κ.ά.)
  • Αντλίες θετικής εκτόπισης, στις οποίες παρέχεται περιοδικά ενέργεια στο ρευστό μέσω ενός ή περισσότερων κινούμενων μερών της αντλίας. Ως αποτέλεσμα η πίεση αυξάνεται λαμβάνοντας τιμή μεγαλύτερη από αυτή που απαιτείται για τη διακίνηση του υγρού κατά μήκος της σωλήνωσης κατάθλιψης. Οι αντλίες αυτής της κατηγορίας μπορούν να χωριστούν παραπέρα στις εμβολοφόρες παλινδρομικές αντλίες (αντλίες ατμού, αντλίες διαφράγματος, κ.ά.) και στις περιστροφικές αντλίες ( γραναζωτές, ογκομετρικές, εμβολοφόρες ακτινικές με σφαιρικά έμβολα, εμβολοφόρες με περιστροφικά έμβολα που κινούνται από εκκεντροφόρο).

→ Συνιστώσες ταχύτητας

Το διάνυσμα της ταχύτητας cr ενός στοιχείου του ρευστού μπορεί να αναλυθεί, όπως φαίνεται και στο Σχ. 1.2, στις εξής τρεις συνιστώσες:

  • Ακτινική συνιστώσα cr
  • Αξονική συνιστώσα cz
  • Περιφερειακή συνιστώσα cu

Χρησιμοποιώντας τα αντίστοιχα μοναδιαία διανύσματα iz, ir, iu έχουμε:

c = ir * cr + iz * cz + iu * cu  (1)

Οι συνιστώσες cr και cz μπορούν να συντεθούν στο μεσημβρινό επίπεδο (επίπεδο που περιλαμβάνει τον άξονα συμμετρίας) και να συνθέσουν τη μεσημβρινή συνιστώσα της ταχύτητας cm. Δηλαδή:

c m = ir * cr + iz * cz              (1')

Χρησιμοποιώντας τη σχέση (1') και το μοναδιαίο διάνυσμα im κατά τη μεσημβρινή διεύθυνση μπορούμε να γράψουμε:

c = im *cm+ iu * cu               (2)

Ορίζεται ως περιφερειακή ταχύτητα u ενός στρεφόμενου στοιχείου της πτερωτής η οποία στρέφεται με γωνιακή ταχύτητα ω, σε απόσταση r από τον άξονα περιστροφής το γινόμενο:

u = ω × r                                  (3)

και είναι η ταχύτητα του στρεφομένου στοιχείου της πτερωτής ως προς το απόλυτο σύστημα παρατήρησης.

Η σχετική ταχύτητα w ενός στοιχείου του ρευστού ορίζεται από το διανυσματικό άθροισμα:

c = u + w                                 (4)

→ Μεσημβρινή τομή πτερωτής

Η μορφή της μεσημβρινής τομής της πτερωτής μπορεί να χαρακτηριστεί ως ακτινική, αξονικής ή μεικτής ροής, ανάλογα με τη κλίση της μεσημβρινής ταχύτητας mcr ως προς τη διεύθυνση της περιφερειακής ταχύτητας ur. Έχουμε επομένως τις παρακάτω κατηγορίες:

  • Ακτινική πτερωτή: Η αξονική συνιστώσα cz της μεσημβρινής ταχύτητας cm είναι σχεδόν μηδενική, δηλαδή cm ≅ cr και η πτερωτή χαρακτηρίζεται ακτινικής ροής. Η μορφή αυτή εμφανίζεται όταν το πλάτος b της πτερωτής είναι μικρό σε σχέση με τη διάμετρο D και συνεπώς η αξονική συνιστώσα της ταχύτητας από την είσοδο μέχρι την έξοδο της πτερωτής θα είναι σχεδόν μηδενική.
  • Αξονική πτερωτή: Η ακτινική συνιστώσα cr της μεσημβρινής ταχύτητας cm είναι σχεδόν μηδενική, δηλαδή cm ≅ cz και η πτερωτή χαρακτηρίζεται αξονικής ροής. Η μορφή αυτή εμφανίζεται όταν το πλάτος των πτερυγίων είναι μεγάλο σε σύγκριση με τη διάμετρο και έτσι η ροή οδηγείται μεταξύ δύο ομοαξονικών κυλίνδρων κυκλικής διατομής και συνεπώς είναι σχεδόν αδύνατη η ανάπτυξη ακτινικής συνιστώσας της ταχύτητας.
  • Πτερωτή μεικτής ροής: Πρόκειται για μία ενδιάμεση κατάσταση μεταξύ πτερωτής πλήρως ακτινικής και πλήρως αξονικής ροής στις οποίες δεν μπορεί να αμεληθεί καμία εκ των cz και cr.

→ Η φυγόκεντρη αντλία

Μία τυπική δυναμική αντλία είναι η φυγόκεντρη αντλία η οποία αποτελείται από τα παρακάτω βασικά τμήματα:

Τμήμα εισόδου

Σκοπός του τμήματος εισόδου της αντλίας είναι η εξασφάλιση της ομοιόμορφης διανομής της ταχύτητας στην αξονοσυμμετρική επιφάνεια εισόδου της πτερωτής, έτσι ώστε όλα τα πτερύγια της πτερωτής να λειτουργούν ομοιόμορφα. Σε αντίθετη περίπτωση η λειτουργία γίνεται θορυβώδης, ο ολικός βαθμός απόδοσης μειώνεται και ο κίνδυνος σπηλαίωσης αυξάνεται. Στη διατομή εισόδου της αντλίας διαμορφώνεται φλάντζα μέσω της οποίας συνδέεται η αντλία με την ανάντι σωλήνωση αναρρόφησης.


Σχήμα 1.4. Τομή μονοβάθμιας φυγόκεντρης αντλίας

Πτερωτή

Όπως αναφέρθηκε και στην εισαγωγή η πτερωτή είναι η επιφάνεια μέσω της οποίας πραγματοποιείται η μεταφορά της ενέργειας από την κινητήρια μηχανή στο ρευστό που διακινεί η αντλία.

Άτρακτος

Κύριος σκοπός της ατράκτου είναι η μεταφορά της ροπής στρέψης του κινητήρα προς τη πτερωτή και η οποία κατά τη μόνιμη λειτουργία της αντλίας ισούται με το άθροισμα της ροπής αντίστασης που αντιστοιχεί στις μηχανικές απώλειες. Παράλληλα η άτρακτος έχει ως σκοπό την παραλαβή των αξονικών και ακτινικών δυνάμεων που αναπτύσσονται στη πτερωτή και τη μεταφορά τους στα έδρανα της ατράκτου. Από κατασκευαστικής πλευράς η διαμόρφωση της ατράκτου πρέπει να εξασφαλίζει τη σωστή λειτουργία της αντλίας (ανοχές, διάκενα, θερμικές διαστολές) και τη στεγανότητα με τον εξωτερικό χώρο με χρήση στυπιοθλίπτη.

Τμήμα εξόδου

Κύριος σκοπός του τμήματος εξόδου είναι η συλλογή του υγρού που εξέρχεται από τη πτερωτή και η καθοδήγησή του στη διατομή εξόδου της αντλίας όπου διαμορφώνεται φλάντζα μέσω της οποίας συνδέεται η αντλία με τη κατάντι σωλήνωση κατάθλιψης. Η συλλογή του υγρού κατά τη περιφέρεια της πτερωτής πρέπει να γίνεται ομοιόμορφα κατά τη περιφερειακή διεύθυνση και με τρόπο ώστε το τμήμα εξόδου να μην επηρεάζει τη ροή στο εσωτερικό της πτερωτής. Παράλληλα το τμήμα εξόδου έχει ως σκοπό την επιβράδυνση του υγρού από τη ταχύτητα c2 στην ταχύτητα ca η οποία πρέπει να κυμαίνεται στη περιοχή 4÷6 m/sec. Η ταχύτητα στη διατομή εξόδου δεν πρέπει να υπερβαίνει την περιοχή 4÷6 m/sec (μέση ταχύτητα ροής στις σωληνώσεις) αφού τότε οι υδραυλικές απώλειες στη σωλήνωση αυξάνονται υπερβολικά. Το διαμορφωμένο τμήμα εξόδου περιβάλλει την πτερωτή και συνεπώς αποτελεί το ογκωδέστερο τμήμα της αντλίας. Η πτερωτή είναι τοποθετημένη έτσι ώστε το υγρό που φεύγει από αυτήν υπό την επίδραση της φυγόκεντρης δύναμης και ωθείται προς τη χοάνη κατάθλιψης να κινείται σε αγωγό συνεχώς αυξανόμενης διαμέτρου. Το σπειροειδές κέλυφος φέρει επίσης τις εδράσεις της ατράκτου και σε αυτό διαμορφώνεται η βάση της αντλίας.

Στυπιοθλίπτης

Σκοπός του στυπιοθλίπτη είναι η εξασφάλιση της στεγανότητας της αντλίας έτσι ώστε να μην διαφεύγει το διακινούμενο υγρό από τη πτερωτή στο υπόλοιπο εσωτερικό της αντλίας. Επίσης στη περίπτωση που το ύψος αναρρόφησης της αντλίας είναι σημαντικό με αποτέλεσμα κατά την εκκίνηση η στατική πίεση στο σημείο εξόδου της ατράκτου να πέσει κάτω από την ατμοσφαιρική, σκοπός του στυπιοθλίπτη είναι να εμποδίσει την είσοδο αέρα, η οποία καθιστά προβληματική την εκκίνηση της αντλίας.

Οι στυπιοθλίπτες χωρίζονται σε δύο είδη:

  1. τους συμβατικούς με στυπία (σαλαμάστρα) στους οποίους η στεγανότητα εξασφαλίζεται με τη συμπίεση των στυπίων από τον στυπιοθλίπτη
  2. τους μηχανικούς στους οποίους η στεγανότητα εξασφαλίζεται με την επαφή δύο λείων δίσκων, από τους οποίους ο ένας στρέφεται με την άτρακτο και ο άλλος δεν στρέφεται.

Λαβύρινθοι

Σκοπός των λαβυρίνθων είναι η διατήρηση των ογκομετρικών απωλειών στην επιθυμητή χαμηλή τιμή που ορίζεται από τον ογκομετρικό βαθμό απόδοσης. Πρόκειται ουσιαστικά για εντοπισμένες αντιστάσεις μέσω των οποίων επιτυγχάνεται ο στραγγαλισμός της διακινούμενης παροχής. Οι λαβύρινθοι διαμορφώνονται ως μία δακτυλιοειδής σχισμή μεταξύ πτερωτής και σταθερού κελύφους και το ακτινικό διάκενο που δημιουργείται είναι πολύ μικρό σε σχέση με το μήκος ή τη διάμετρο της δακτυλιοειδούς σχισμής.

→ Χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας αντλίας

Οι κύριες χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας μιας αντλίας, για σταθερή ταχύτητα περιστροφής, είναι η καμπύλη του ολικού ύψους H και η καμπύλη του ολικού βαθμού απόδοσης συναρτήσει της παροχής Q. Από αυτές τις δύο καμπύλες μπορεί να προκύψει η καμπύλη της απορροφημένης ισχύος Ν συναρτήσει της παροχής Q. Η χαρακτηριστική (Η,Q) της αντλίας μπορεί να προκύψει από τη θεωρητική χαρακτηριστική (Ηu,Qu) της πτερωτής.

Το Σχ. 1.5 δείχνει την κατασκευή της καμπύλης (Η,Q) από την (Ηu,Qu) για διάφορες τιμές της κλίσης εξόδου β2 των πτερυγίων της πτερωτής.


Σχήμα 1.5. Τυπική μορφή της χαρακτηριστικής (Η,Q) αντλίας για α) β2<90ο , β) β2=90οκαι γ) β2>90ο

→ Σημεία λειτουργίας

Σημεία λειτουργίας ορίζονται εκείνα τα σημεία λειτουργίας μεταξύ των οποίων ικανοποιείται η συνθήκη ομοιότητας της ροής, δηλαδή τα αντίστοιχα τρίγωνα ταχυτήτων (εισόδου, εξόδου, ιδεατά και πραγματικά) είναι όμοια μεταξύ τους και η ροή είναι πλήρως τυρβώδης.

→ Ορισμός αντλητικής εγκατάστασης

Αντλητική εγκατάσταση ορίζεται η εγκατάσταση που περιλαμβάνει την αντλία, τις σωληνώσεις από τη δεξαμενή αναρρόφησης μέχρι τη δεξαμενή κατάθλιψης, τον χώρο αναρρόφησης και κατάθλιψης και τα σχετικά εξαρτήματα που σχετίζονται με την ασφαλή λειτουργία και συντήρηση.


Σχήμα 1.6. Σχηματική διάταξη απλής αντλητικής εγκατάστασης



Το σημείο λειτουργίας μιας αντλητικής εγκατάστασης, με δεδομένη την χαρακτηριστική (Η,Q) της αντλίας θα είναι αυτή για την οποία η ενέργεια H=f(Q) που προσδίδει η αντλία είναι ίση με αυτή που απαιτείται για τη διακίνηση της παροχής στη δεδομένη αντλητική εγκατάσταση και η οποία δίνεται από την χαρακτηριστική της σωλήνωσής της ΗΣ=f(Q). Συνεπώς το σημείο λειτουργίας μιας αντλητικής εγκατάστασης θα είναι το σημείο τομής της χαρακτηριστικής της σωλήνωσής της με τη χαρακτηριστική της αντλίας της δεδομένης εγκατάστασης όπως φαίνεται και από το Σχ. 1.7. διαθέτοντας την χαρακτηριστική καμπύλη (η,Q) της μεταβολής του ολικού βαθμού απόδοσης η συναρτήσει της διακινούμενης παροχής Q μπορούμε να προσδιορίσουμε τον ολικό βαθμό απόδοσης της δεδομένης εγκατάστασης όπως φαίνεται από το Σχ. 1.7. Αν η παροχή Q του σημείου λειτουργίας είναι τέτοια ώστε από το Σχ. 1.7. να προκύπτει η =ηmax τότε το σημείο λειτουργίας της εγκατάστασης ονομάζεται κανονικό σημείο λειτουργίας και συμβολίζεται με (ΗΝ,QΝ). Όπως γνωρίζουμε η μηχανική ισχύς που απορροφά η αντλία από τον κινητήρα με τον οποίο είναι συνδεδεμένος είναι:




→ Συνεργασία αντλιών

Στις πρακτικές εφαρμογές οι αντλητικές εγκαταστάσεις δεν έχουν την απλή μορφή του Σχ. 1.6. Συνήθως στην ίδια εγκατάσταση λειτουργούν συνεργαζόμενες αντλίες, του ίδιου ή διαφορετικού μεγέθους, με σκοπό την αύξηση της ευελιξίας και της αξιοπιστίας της αντλητικής εγκατάστασης. Οι συνηθέστεροι τρόποι συνεργασίας αντλιών είναι η παράλληλη και η εν σειρά λειτουργία τους όπως θα αναπτυχθεί παρακάτω.

Παράλληλη λειτουργία

Σύμφωνα με αυτό τον τρόπο συνεργασίας κάθε συνεργαζόμενη αντλία έχει τη δική της σωλήνωση αναρρόφησης και όλες καταθλίβουν το υγρό σε μία κοινή σωλήνωση κατάθλιψης, όπως φαίνεται και στο Σχ. 1.8. Συνεπώς παρατηρούμε ότι:

α) η συνολκή παροχή που διέρχεται από τη σωλήνωση κατάθλιψης θα ισούται με το άθροισμα των παροχών των συνεργαζόμενων αντλιών και

β) όλες οι συνεργαζόμενες αντλίες θα έχουν το ίδιο ολικό ύψος.

Πρέπει η χαρακτηριστική του συνόλου των συνεργαζόμενων αντλιών να προκύψει από την κατά παροχή πρόσθεση των χαρακτηριστικών τους, όπως φαίνεται και από το Σχ. 1.8. Το σημείο λειτουργίας της εγκατάστασης θα προκύψει από την τομή της χαρακτηριστικής του συνόλου των συνεργαζόμενων αντλιών με την χαρακτηριστική της κοινής σωλήνωσης κατάθλιψης. Οι συνεργαζόμενες αντλίες στη παράλληλη λειτουργία δεν είναι απαραίτητο να είναι του ίδιου μεγέθους, δηλαδή δεν υπάρχει περιορισμός στη παροχή που διακινούν. Συνεπώς, η παράλληλη σύνδεση χρησιμοποιείται όταν χρειάζεται ευελιξία στη ρύθμιση της διακινούμενης παροχής.


Σχήμα 1.8. Παράλληλη λειτουργία αντλιών

Εν σειρά λειτουργία

Σύμφωνα με αυτό τον τρόπο συνεργασίας όλες οι συνεργαζόμενες αντλίες έχουν κοινή σωλήνωση αναρρόφησης, όπως φαίνεται και στο Σχ. 1.9. Επομένως παρατηρούμε ότι:

α) όλες οι συνεργαζόμενες αντλίες διακινούν την ίδια παροχή και

β) το συνολικό ολικό ύψος της εγκατάστασης ισούται με το άθροισμα των ολικών υψών των συνεργαζόμενων αντλιών.

Πρέπει η χαρακτηριστική του συνόλου των συνεργαζόμενων αντλιών να προκύψει από την καθ’ ύψος πρόσθεση των χαρακτηριστικών τους. Στη συνέχεια το σημείο λειτουργίας της εγκατάστασης θα προκύψει από την τομή της χαρακτηριστικής του συνόλου των συνεργαζόμενων αντλιών με την χαρακτηριστική της σωλήνωσης κατάθλιψης. Η εν σειρά λειτουργία αντλιών εφαρμόζεται σε περιπτώσεις διακίνησης υγρών σε αγωγούς πολύ μεγάλου μήκους και σε περιπτώσεις όπου είναι επιθυμητή η αύξηση της διακινούμενης παροχής. Η αύξηση της παροχής μπορεί να είναι επιθυμητή είτε λόγω αύξησης της ζήτησης παροχής, είτε λόγω μείωσης της διακινούμενης παροχής ως αποτέλεσμα της αύξησης των υδραυλικών απωλειών λόγω παλαιότητας της σωλήνωσης. Η εν σειρά σύνδεση εφαρμόζεται συχνά σε δίκτυα άρδευσης όταν οι αρδευόμενες περιοχές βρίσκονται σε διαφορετικά υψόμετρα.

Εφαρμόζεται επίσης όταν επιδιώκεται η αύξηση της στατικής πίεσης στην αναρρόφηση της κατάντι κύριας αντλίας, με σκοπό να αποφεύγεται η ανάπτυξη σπηλαίωσης σε αυτήν. Στη περίπτωση αυτή η ανάντι αντλία, που ονομάζεται inducer (παρακινητής) λόγω της λειτουργίας που επιτελεί, εξασφαλίζει την ομαλή λειτουργία της κατάντι κύριας αντλίας η οποία φέρει το κύριο βάρος της διακίνησης του υγρού.

Η διάταξη αυτή εφαρμόζεται συχνά στις τροφοδοτικές αντλίες μεγάλων ατμοηλεκτρικών σταθμών .


Σχήμα 1.9. Εν σειρά λειτουργία αντλιών

→ Τύποι αντλιών και τυπικές διατάξεις τοποθέτησης