Введение
Резервуар для хранения и стабилизации давления жидкости. Гидравлический аккумулятор – это резервуар для накопления энергии под давлением, в котором несжимаемая гидравлическая жидкость удерживается под давлением, создаваемым внешним источником механической энергии. Таким источником может быть двигатель, пружина, поднятый груз или сжатый газ. Аккумулятор позволяет гидравлической системе справляться с пиковыми нагрузками, используя менее мощный насос, быстрее реагировать на кратковременные запросы и сглаживать пульсации давления. Это устройство для накопления энергии. Аккумуляторы сжатого газа, также известные как гидропневматические аккумуляторы, являются наиболее распространенным типом.
A hydraulic accumulator is a pressure storage reservoir in which an incompressible hydraulic fluid is held under pressure that is applied by an external source of mechanical energy. The external source can be an engine, a spring, a raised weight, or a compressed gas. An accumulator enables a hydraulic system to cope with extremes of demand using a less powerful pump, to respond more quickly to a temporary demand, and to smooth out pulsations. It is a type of energy storage device. Compressed gas accumulators, also called hydro pneumatic accumulators, are by far the most common type.
Башни
Первыми аккумуляторами для гидравлического докового оборудования Уильяма Армстронга были простые поднятые водонапорные башни. Вода закачивалась в резервуар на вершине этих башен паровыми насосами. Когда доковому оборудованию требовалась гидравлическая мощность, гидростатическое давление высоты воды над землей обеспечивало необходимое давление. Эти простые аккумуляторы были чрезвычайно высокими. Например, башня Гримсби-Док, построенная в 1852 году, имеет высоту 309 футов (94 метра). Из-за своих размеров они были дорогими, и поэтому их строили менее десяти лет. Примерно в то же время Джон Фаулер работал над строительством паромной пристани в соседнем Нью-Холланде, но не мог использовать аналогичную гидравлическую мощность, поскольку плохие грунтовые условия не позволяли построить высокую аккумуляторную башню. К моменту открытия Гримсби он уже устарел, так как Армстронг разработал более сложный, но гораздо меньший, взвешенный аккумулятор для использования в Нью-Холланде. Оригинальный аккумулятор 1887 года находится на месте в своей башне, внешний аккумулятор был добавлен в 1954 году, и эта система использовалась до 2010 года для питания шлюзов бассейна Камберленд (Бристоль). Вода из гавани закачивается в накопительный резервуар, а затем самотеком подается к насосам. Рабочее давление составляет 750 psi (5,2 МПа или 52 бара), которое использовалось для питания кранов, мостов и шлюзов Бристольской гавани. Первоначальный механизм управления Тауэр-Бридж в Лондоне также использовал этот тип аккумулятора. Хотя он больше не используется, два из шести аккумуляторов можно увидеть на месте в музее моста. Док Регентского канала, ныне известный как бассейн Лаймхаус, сохранил остатки гидравлического аккумулятора, датируемые 1869 годом – фрагмент старейшего сохранившегося подобного сооружения в мире. Второй аккумулятор на этом доке был установлен позже, чем на доке Поплар, который изначально ошибочно определяли как сигнальный пост для Лондонской и Блэкволлской железной дороги. После правильной идентификации он был восстановлен как туристическая достопримечательность ныне не существующей Лондонской корпорацией развития доков. В настоящее время он принадлежит Canal & River Trust и открыт для больших групп по предварительной заявке в офис докмастера в бассейне, а также в обеденное время в выходные дни Лондонского фестиваля открытых дверей, проводимого в третьи выходные сентября каждого года. В Лондоне существовала обширная общественная система гидравлической энергии с середины XIX века, которая окончательно прекратила свою работу в 1970-х годах, имея 5 гидравлических электростанций, управляемых Лондонской гидравлической энергетической компанией. Железнодорожные грузовые дворы и доки часто имели свои собственные отдельные системы.
Аккумулятор с воздухом
Простой формой аккумулятора является закрытый объем, заполненный воздухом. Вертикальный участок трубы, часто увеличенного диаметра, может быть достаточным и заполняется воздухом, который оказывается запертым по мере заполнения трубопровода. Такие аккумуляторы обычно не обладают достаточной емкостью для эффективного накопления значительной энергии, поскольку их нельзя предварительно заряжать газом под высоким давлением, но они могут служить буфером для поглощения колебаний давления. Они используются для выравнивания подачи от поршневых насосов. Другое применение – в качестве демпфера для гашения гидроударов; это применение является неотъемлемой частью большинства таранных насосов. Потеря воздуха приведет к снижению эффективности. Если воздух будет постепенно уходить, конструкция должна предусматривать возможность его восстановления.
Закрытый аккумулятор сжатого газа (или с газовым зарядом)
Аккумулятор сжатого газа состоит из цилиндра с двумя камерами, разделенными эластичной диафрагмой, герметичным баллоном или плавающим поршнем. Одна камера содержит жидкость и соединена с гидравлической линией. В другой камере находится инертный газ (обычно азот), как правило, под давлением, который создает компрессионное усилие на гидравлическую жидкость. Инертный газ используется, поскольку кислород и масло могут образовывать взрывоопасную смесь при соединении под высоким давлением. При изменении объема сжатого газа давление газа (и давление на жидкость) изменяется обратно пропорционально. В системах водоснабжения низкого давления вода обычно заполняет резиновый баллон внутри резервуара (как показано на рисунке), предотвращая контакт с резервуаром, который в противном случае должен быть устойчивым к коррозии. Устройства, предназначенные для работы при высоком давлении, такие как гидравлические системы, обычно предварительно заряжаются до очень высокого давления (приближающегося к рабочему давлению системы) и сконструированы таким образом, чтобы предотвратить повреждение баллона или мембраны этим внутренним давлением при низком давлении в системе. Для баллонных типов это обычно требует заполнения баллона газом так, чтобы при нулевом давлении в системе баллон полностью расширялся, а не сжимался под давлением газа. Чтобы предотвратить выдавливание баллона из устройства при низком давлении в системе, обычно используется либо антиэкструзионная пластина, прикрепленная к баллону и прижимающаяся к входному отверстию, герметизируя его, либо пружинная пластина на входном отверстии, которая закрывается при нажатии на нее баллоном. Объем газа в аккумуляторе можно увеличить, подключив газовый баллон к газовой стороне аккумулятора. При одинаковой амплитуде колебаний давления в системе это приведет к использованию большей части объема аккумулятора. Если давление не изменяется в очень широком диапазоне, это может быть экономически эффективным способом уменьшить необходимый размер аккумулятора. Если аккумулятор не поршневого типа, необходимо следить за тем, чтобы баллон или мембрана не были повреждены при ожидаемом превышении давления, поскольку многие баллонные аккумуляторы не выдерживают сжатия баллона под давлением. Аккумулятор сжатого газа был изобретен Жаном Мерсье для использования в винтах с переменным шагом.
Тип пружины
Аккумулятор пружинного типа работает аналогично газонаполненному аккумулятору, за исключением того, что для создания силы сжатия используется мощная пружина (или пружины). В соответствии с законом Гука, величина силы, которую оказывает пружина, линейно пропорциональна ее деформации (изменению длины). Следовательно, при сжатии пружины, сила, воздействующая на жидкость, линейно возрастает.
Тип металлического мела
Металлические аккумуляторы с сильфоном функционируют аналогично аккумуляторам со сжатым газом, за исключением того, что эластичная диафрагма или плавающий поршень заменяются герметично сварным металлическим сильфоном. Жидкость может находиться как внутри, так и снаружи сильфона. Преимуществами сильфонного типа являются исключительно низкая жесткость, позволяющая газовому заряду выполнять всю работу с минимальным изменением давления от полного до пустого состояния, большой ход, обеспечивающий эффективное использование объема корпуса, а также возможность изготовления сильфона устойчивым к избыточному давлению, которое могло бы разрушить мембранный сепаратор. Сварной металлический аккумулятор с сильфоном обеспечивает исключительно высокую производительность и может быть изготовлен из широкого спектра сплавов, что обеспечивает широкую совместимость с различными жидкостями. Другие преимущества этого типа заключаются в отсутствии проблем при работе под высоким давлением, возможности изготовления с устойчивостью к очень высоким или низким температурам, а также к определенным агрессивным химическим веществам, и потенциально большей долговечности в некоторых условиях. Металлические сильфоны, как правило, значительно дороже в производстве, чем другие распространенные типы аккумуляторов.
Работа аккумулятора
В современных, часто мобильных, гидравлических системах предпочтительным элементом является газонакопитель, но в простых системах могут использоваться пружинные аккумуляторы. В системе может быть установлено несколько накопителей. Конкретный тип и расположение каждого из них могут быть результатом компромисса, обусловленного их влиянием и стоимостью производства. Накопитель располагается вблизи насоса с обратным клапаном, предотвращающим возврат потока. В случае поршневых насосов этот накопитель устанавливается в оптимальном месте для поглощения пульсаций энергии от многоплунжерного насоса. Он также помогает защитить систему от гидроударов. Это защищает компоненты системы, особенно трубопроводы, от потенциально разрушительных воздействий. Дополнительным преимуществом является возможность накопления дополнительной энергии при низкой потребности в производительности насоса, что позволяет конструктору использовать насос меньшей мощности. Большие перемещения компонентов системы, например, шасси крупного самолета, требующие значительного объема жидкости, также могут быть обеспечены одним или несколькими накопителями. Они часто располагаются вблизи места потребления, чтобы компенсировать сопротивление и потери давления в длинных трубопроводах. Скорость выброса энергии из разряжающегося накопителя значительно выше, чем производительность даже крупных насосов. Накопитель может поддерживать давление в системе при незначительных утечках, предотвращая частое включение и выключение насоса. При изменении температуры, вызывающем колебания давления, накопитель помогает их сгладить. Его объем позволяет поглотить жидкость, которая в противном случае могла бы быть заблокирована в небольшой замкнутой системе из-за отсутствия места для расширения, обусловленного расположением клапанов. Газовая предварительная зарядка в накопителе устанавливается таким образом, чтобы разделительный пузырь, мембрана или поршень не достигали и не ударялись о пределы рабочего цилиндра. Конструктивная предварительная зарядка обычно обеспечивает, чтобы движущиеся части не заклинивало и не блокировали каналы для жидкости. Неправильное обслуживание предварительной зарядки может привести к выходу накопителя из строя. Правильно спроектированный и обслуживаемый накопитель должен работать бесперебойно в течение многих лет.