РОТОРНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫЕ НАСОСЫ

К этой группе относятся зубчатые насосы, в которых жидкость перемещается в плоскости, перпендикулярной к оси вращения рабочих органов, и винтовые насосы — жидкость перемещается вдоль оси вращения.

В свою очередь, зубчатые насосы подразделяются на шестеренные, коловратные и шланговые. В первом из названных и наиболее распространенном из зубчатых насосов рабочими органами служат шестерни, которые обеспечивают геометрическое замыкание рабочих камер и передают крутящий момент (рис. 10.1, а, б).

Под коловратным насосом, согласно ГОСТ 17398—72, понимается зубчатый насос с рабочими органами в виде роторов, обеспечивающих только геометрическое замыкание рабочей камеры, а вращающий момент с ведущего ротора на ведомый передает шестеренная пара, расположенная вне корпуса насоса. Профили роторов показаны на рис. 10.1, г, д. В шланговом насосе рабочим органом является упругий шланг, пережимаемый вращающимися роликами (рис. 10.1, е).

В шестеренном насосе (см. рис. 10.1, а)одна из шестерен является собственно ротором, будучи соединенной с ведущим валом, а другая — замыкателем. Вращением колес жидкость, заключенная во впадинах зубьев, переносится из камеры всасывания Вв камеру нагнетания Н. Поверхности зубьев а₁ и а₂ вытесняют при вращении шестерен больше жидкости, чем помещается в пространстве, освобождаемом зацепляющимися зубьями b₁ и b₂. Разность объемов, списываемых рабочими поверхностями этих двух пар зубьев, вытесняется в нагнетательную линию [2].

На рис. 10.1, в видно, что вытесняющая поверхность зубьев правой шестерни имеет радиальную высоту R₁ — x,а расстояние от оси вращения до середины этой высоты составляет (R_l + x)/2. Для левой шестерни соответственно: R₂–y и (R₂ +y)/2. Объем жидкости, вытесняемой этими поверхностями за время dt:

откуда мгновенная идеальная подача

,

где b — ширина шестерен.

Как видно, мгновенная подача зависит от положения точки зацепления 0, которая перемещается по профилю зуба.

Рассмотрим распространенный случай, когда шестерни имеют равное число зубьев z. Подача максимальна, если точка 0 находится на делительной окружности диаметром D = mz (m — модуль зацепления):

Q_max=bwm(D+m),

и минимальна в начале и конце зацепления, когда R — х = 0, R — у = 2m:

Q_min=bwDm.

Среднее значение идеальной подачи можно вычислить по приближенной формуле

Q_cp=(Q_max+Q_min)/2=bwm²(z+1).

Шестеренные насосы просты и компактны, отличаются большим сроком службы (до 5000 ч). Максимальное давление, на которое они рассчитаны, обычно равно 10 МПа и реже 15 — 20 МПа, а подача доходит до 1 м³/мин. Коэффициент подачи в номинальном режиме доведен до 0,95 — 0,96, а в насосах с автоматическим регулированием торцовых зазоров (гидравлическим поджатием) — до 0,98. К п. д. насоса достигает 0,9. Насосы пригодны для работы на жидкостях с широким диапазоном вязкости, превышающей 800 мм²/с. Насосы выпускают как автономными, так и моноблочными с электродвигателем. Выпуск шестеренных насосов регламентирован ГОСТ 19027—73.

Шестеренный насос с внутренним зацеплением (см. рис. 10.1, б) более компактен, но более сложен в изготовлении. Внутренняя ведомая шестерня переносит в своих впадинах жидкость вдоль неподвижного серповидного элемента с. Насосы применяют для работы при частоте вращения до 5 тыс. об/мин и давлении до 7 МПа.

Для повышения подачи жидкости используют многошестеренные насосы с тремя и более шестернями, размещенными вокруг центральной ведущей шестерни. Так же, как в зубчатых передачах, в шестеренных насосах наряду с прямозубыми используют косозубые и шевронные шестерни. Они более сложны в изготовлении, но имеют преимущества в эксплуатации: плавность зацепления и поэтому более длительный срок службы, снижение пульсации подачи и вращающего момента.

Винтовой насос можно рассматривать как шестеренный насос с косозубыми шестернями, число зубьев которых уменьшено до числа заходов винтовой нарезки. Во внешнем или внутреннем зацеплении участвуют одна или несколько пар винтов, между нарезкой которых образованы полости, перемещающиеся вдоль винтов от входной камеры к выходной. Винтовые насосы (и гидродвигатели) отличаются равномерной подачей, бесшумностью, компактностью и надежностью.

Наиболее распространены одно- и трехвинтовые насосы.

Одновинтовой насос имеет в качестве рабочих органов две основные детали: неподвижную обойму (статор, он же замыкатель) и винт, совершающий планетарное движение вокруг оси обоймы.

В поперечном сечении одновинтовой насос представляет собой так называемый героторный механизм. Поэтому предварительно рассмотрим построение и кинематику любого героторного механизма с гипоциклоидным зацеплением, избрав для иллюстрации механизм, изображенный на рис. 10.2, а, б, в.

В точке А соприкасаются три окружности: образующая g и две начальных — подвижная b и неподвижная a. Пусть е — эксцентриситет. Радиусы окружностей равны соответственно: е; z₂е; z₁е, причем, как признак героторного механизма,

z₁ = z₂ + 1,

где z₂ — любое натуральное число, отличное от нуля. В данном случае z₂ = 3, z₁ = 4.

При качении окружности g внутри а образуется гипоциклоида H₁с z₁ ветвями (ABCD),а внутри b — гипоциклоида H₂ с z₂ ветвями (EFG). H₁ и H₂ очерчивают «скелеты» венца и шестерни, находящиеся в зацеплении.

Заставим окружность b катиться внутри a. Зубья шестерни находятся в постоянном контакте со скелетом венца. Кроме того, имеется еще z₁-я точка контакта Кна впадинах зубьев (рис. 10.2, б), благодаря чему внутри венца образуется z₁ разобщенных ячеек, площадь которых изменяется от максимальной (CFG на рис 10 2, а)до нуля (точки А, Е, Ксливаются в одну, см там же).

Планетарное движение окружности b внутри a — сумма двух движений относительного вращения с угловым перемещением j_oтн вокруг 0_2: и переносного вращения противоположного направления j_пеp вокруг 0₁ причем

.

Абсолютное угловое перемещение шестерни

т. е. за один оборот шестерни в одном направлении ее ось совершает z₂оборотов в другом направлении. При этом каждая ячейка z_lраз циклически изменяет ее объем.

Очертим гипоциклоиды H₁и H₂ огибающими Ш₁и Ш₂,множества окружностей Мнекоторого радиуса r, центры которых расположены на этих гипоциклоидах (рис. 10.2, б). Скелеты шестерни и венца обрели контуры, соприкасающиеся в z₁точках, разобщающих полость венца на z₁ячеек.

Полученными контурами образуем многозаходные винтовые поверхности винта и обоймы с таким расчетом, чтобы на длине одного шага обоймы Твзаимное положение контуров изменялось так же, как при вращении плоской шестерни Ш₂в венце Ш₁ за один цикл изменения объема ячейки. С этой целью поворачиваем в одном направлении контур шестерни Ш₁на один оборот, а контур шестерни Ш₂ на z1/z₂ оборота, что обеспечивает описанное выше планетарное смещение одного контура относительно другого[1].

Между винтом и обоймой образуется z₁ полостей, которые последовательно при вращении винта:

1) сообщаясь с одним торцом, увеличиваются в размере, затем

2) остаются изолированными и, перемещаясь, сохраняют объем, после чего

3) достигают другого торца и сокращаются до нуля.

При вращении винта вокруг 0₂ его ось вращается вокруг 0₁ (см. рис. 10 2, в). Передача движения может быть осуществлена двойным карданным сочленением, эксцентриковой муфтой или с помощью упругих элементов в роторе и статоре.

Винтовой героторный механизм предельного типа, в котором z₂ = 1, z₁ = 2, использован в насосе Муано (рис. 10.3, а). В этом механизме гипоциклоида Н₁и соответствующие огибающие шестерни Ш₁превращаются в прямые линии длиной 4е, а гипоциклоида Ш₂ — в точку.

При вращении винта центр его сечения совершает в обойме возвратно-поступательное движение (рис. 10.3, б). Площадь каждой из двух лунообразных ячеек в обойме изменяется от нуля до 4eD. Шаг обоймы Т равен удвоенному шагу винта 2t(рис. 10.3, б). Изменение положения ячеек вдоль оси обоймы показано на рис. 10.3, г. Если большие оси каждого поперечного сечения механизма отложить параллельно друг другу по длине обоймы так, чтобы точки А сечений образовали прямую линию А — А, то получится плоская фигура, изображенная на рис. 10.3, д. Вращение винта сопровождается продольным перемещением изображенного профиля (пунктирная линия на рисунке). Жидкость, заполняющая полости (шлюзы) I, II, III обоймы, переносится от одного торца к другому, так что рабочий объем насоса q = 8eDt.

Обойма обычно бывает упругой, изготовленной из резины, но в принципе может быть также жесткой (металлической, керамической).

Между винтом и обоймой по линиям их теоретического контакта в действительности существует зазор, позволяющий смежным полостям сообщаться между собой. Для уменьшения этого эффекта длину винта и обоймы при высоких перепадах давления жидкости увеличивают до нескольких шагов обоймы, так что перепад давления на один шаг составляет в среднем, в зависимости от материала, от 0,2 до 0,7 МПа. С увеличением длины насоса усложняется изготовление рабочих органов с точностью, обеспечивающей равномерное нарастание давления жидкости вдоль винта. Если перепад давления на отдельном участке обоймы чрезмерно возрастает, то это приводит к интенсивному местному износу винта.

Для повышения стойкости при истирании поверхность винта хромируют (толщина слоя около 0,1 мм), а также укрепляют нагреванием токами высокой частоты и борированием.

Особенность героторной гидромашины с упругой обоймой — приспособленность к работе на загрязненных жидкостях, что объясняется особенностью ее кинематики. На линии контакта винта и обоймы возникает трение качения, причем благодаря непрерывному изменению положения этой линии при вращении винта поток жидкости удаляет абразивные частицы из упругой поверхности обоймы. Эта особенность позволяет использовать одновинтовой насос для откачки жидкости из нефтяных скважин.

Одновинтовые непогружные насосы выпускают с подачей от 0,6 до 60 м³/ч при давлении до 2,5 МПа. К п. д. этих насосов — в пределах 0,40¸0,65 [20], коэффициент подачи 0,75¸0,85.

Трехвинтовой насос, наиболее распространенный из винтовых, состоит из центрального ведущего винта, являющегося ротором, и двух ведомых винтов-замыкателей, заключенных в обойму (рис. 10.4). Винты двухзаходные, в поперечном сечении имеющие вид двузубых шестерен, профиль зубьев которых очерчен по циклоидам. При вращении винтов жидкость, заполняющая со стороны всасывания полости, образованные между нарезками винтов и обоймой, оказывается отсеченной от входной камеры А и перемещенной вдоль оси к выходной камере Б.

Длина винтов зависит от перепада давления в насосе. На один шаг t приходится перепад в 2—3 МПа, так что для давления 15—20 МПа длина винтов равна (6¸8) t.

Рабочий объем насоса q равен объему каналов, по которым жидкость движется вдоль винтов в пределах одного шага:

q = ad³_н,

где а — коэффициент, зависящий от геометрии зацепления винтов (для стандартного насоса а » 4,1); d_H — диаметр ведомого винта. Коэффициент подачи равен 0,75—0,95 [2].

В этом насосе возникает значительное осевое усилие, прижимающее винты к подпятникам. Для его восприятия под пяты винтов подводится жидкость под рабочим давлением. Насосы больших размеров выполняют с двусторонним подводом жидкости и выходной камерой, расположенной посредине. Винты имеют по две нарезки противоположного направления, благодаря чему ведущие винты полностью разгружены от осевых усилий, а на ведущий винт действует лишь небольшое усилие [20].

ГОСТ 20883—75 распространяется на трехвинтовые насосы, предназначенные для перекачивания жидкостей без абразивных примесей. Пример условного обозначения насоса с односторонним подводом жидкости, с подачей 25 м³/ч и давлением до 4 МПа: «Насос 3В 16/40 ГОСТ 20883—75».

Двухвинтовой насос выполняется обычно с прямоугольной резьбой, что упрощает изготовление, но не обеспечивает герметичность и гидравлическую передачу крутящего момента. Винты такого насоса связаны посредством зубчатой пары. Двухвинтовые насосы согласно ГОСТ 20572—75 выпускаются на не.большие подачи Они применяются для перекачивания нефтепродуктов, эмульсий, смол, битумов, сырых нефтей с содержанием газа, морской воды и песка [20].

[1] При вращении Ш₁вокруг 0₁изменяется положение этого контура относительно контура Ш₂ так же, как при противоположном переносном вращении j_пер контура Ш₂ вокруг центра 0₁ неподвижного контура Ш₁.

РОТОРНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫЕ НАСОСЫ

В эту группу входят роторно-поршневые с рабочими органами в виде поршней или плунжеров и шиберные насосы с рабочими органами в виде пластин (пластинчатый насос) или шиберов фигурного профиля (фигурно-шиберный насос).

Роторно-поршневые насосы бывают двух видов — аксиально-поршневые и радиально-поршневые.

В аксиально-поршневом насосе ось вращения ротора параллельна осям рабочих органов или составляет с ними угол, не превышающий 45°. Различают насосы с наклонным блоком (рис. 10.5, а) и с наклонным диском (рис. 10.5, б).Насос первого вида состоит из многоцилиндрового блока (барабана) 1, поршни 2 которого связаны при помощи шатунов 3 с наклонным диском 4, выполняющим роль кривошипа возвратно-поступательного насоса. По углу g наклона диска определяется длина хода поршней в цилиндрах, а следовательно, и рабочий объем насоса:

q = zFО_лsin g,

где z — число поршней; F — площадь поршня; D_д — диаметр окружности заделки шатунов в диске.

Силовая и кинематическая связь цилиндрового блока с приводным валом осуществляется различными средствами. Наиболее распространена связь с помощью двойного карданного сочленения, обеспечивающего приближенное равенство угловых скоростей блока и вала.

В насосах второго типа ведущее звено и ротор расположены на одной оси. Поршни (плунжеры) опираются непосредственно на наклонный диск через сферические головки (рис. 10.5, б) или гидростатические башмаки, скользящие по диску.

В обеих схемах применяется торцовое распределение жидкости через серпообразные окна а и b в золотнике 5 (рис. 10.5, а, в) и отверстия 6 в донышках цилиндров блока, При работе насоса торец цилиндрового блока скользит по поверхности золотника, цилиндры попеременно соединяются с окнами а и b золотника и через них — с подводящей и отводящей магистралями. Существуют также сферические золотники, допускающие некоторую несоосность скользящих поверхностей. В нейтральных положениях цилиндров отверстия 6 в донышках цилиндров перекрываются перемычками, ширина s которых несколько превышает размер отверстий t.

Наиболее распространенное число цилиндров равно 7—9, диаметры цилиндров — 10—50 мм, а рабочие объемы — 5— 1000 см³. Обычная частота вращения вала насосов средней мощности составляет 1—2 тыс. об/мин, а в отдельных машинах — до 30 тыс. об/мин. ГОСТ 17699—72 определены основные параметры нерегулируемых аксиально-поршневых насосов, рассчитанных на давление до 16 МПа. Существуют насосы, предназначенные для более высоких давлений — до 55 МПа. Мощность некоторых насосов достигает 3,5 МВт при подаче свыше 500 м³/ч. Коэффициент подачи у большинства насосов достигает 0,97—0,98, а общий к. п. д. —0,95 [2].

Схема радиально-поршневого насоса представлена на рис. 10.5, г. Цилиндровый блок (ротор) 1 имеет несколько (до девяти) радиальных цилиндров 2. Поршни 3, входящие в эти цилиндры, наружными концами упираются во внутреннюю поверхность статора 4 или вставленного в него кольца, увлекаемого во вращение силами трения. Ротор установлен в корпусе эксцентрично. На оси ротора имеются полости 6 и 7, разделенные перегородкой 5. При вращении ротора поршни, скользящие по дуге ab, отодвигаются от центра ротора и всасывают жидкость из полости 6. При движении поршней по дуге bа жидкость выталкивается в полость 7 и далее к нагнетательному патрубку насоса.

Для увеличения подачи насоса цилиндры располагают в несколько (до шести) рядов. Эксцентриситет регулируют смещением барабана вручную или при помощи электромагнитной или гидравлической системы. Эти насосы более громоздки, чем аксиально-поршневые, имеют более высокие моменты инерции вращающихся частей, поэтому они более тихоходны, вследствие чего их применение предпочтительно при значительных крутящих моментах и малых частотах вращения вала (до 5 об/мин и ниже). Насосы с описанным цапфовым распределением обычно рассчитаны на давления до 25 МПа.

Существуют также аксиально-поршневые и радиально-поршневые насосы с неподвижными цилиндрами и клапанным и клапанно-щелевым[1]распределением, приводимые в движение наклонным диском или эксцентриком и рассчитанные на давления до 100 МПа. Эти насосы необратимого действия.

Шиберный насос состоит из цилиндрического статора с подводящим и отводящим патрубками и эксцентрично, как в радиально-поршневом насосе, расположенного ротора, в котором имеются радиальные пазы с находящимися в них шиберами — пластинами, роликами или фигурными шиберами (рис. 10.6, а, б, в, г). Эти элементы легко перемещаются в пазах, прижимаясь к статору силой инерции, пружинами или давлением жидкости, подводимой изнутри. При вращении ротора шиберы поочередно отсекают порцию жидкости в рабочих камерах между ними и вытесняют ее в выходную камеру.

Подвод и отвод жидкости осуществлен так, чтобы в замкнутой камере не происходило сжатия жидкости (см. рис. 10.6, б). Цилиндрические ролики ставят вместо пластин для уменьшения трения.

Для перекачивания вязких жидкостей служит насос, замыкателем которого является шибер, прижимаемый к овальному ротору под действием перепада давления жидкости Ар (рис. 10.6, д).

В шиберном насосе двукратного действия (рис. 10.6, е)ротор и статор расположены соосно, но контур полости в статоре профилирован и имеются две пары окон — входных А и выходных Б. Поскольку рабочие камеры расположены диаметрально, то радиальные силы, действующие на ротор, уравновешены, а подшипники ротора разгружены.

Рабочий объем шиберного насоса определим, рассматривая площадь поперечного сечения M–M,через которое со скоростью w(R+r)/2 проходят жидкость и пластины. Суммарный объем жидкости и пластин за один оборот насоса

,

где b — длина пластины; w — угловая скорость вала. Из этого объема вычтем объем пластин

q_пл=(R-r)bsz,

где s и z — толщина и число пластин.

Тогда рабочий объем

Q=q_сум-q_пл=b(R-r) [p(R+r)-sz].

В насосе двукратного действия рабочий объем в два раза больше найденного.

Основные параметры всех шиберных насосов определены ГОСТ 14058—68, а пластинчатых насосов — ГОСТ 13167—73 (на давление 6,2 МПа) и ГОСТ 21111—75 (на 16 МПа). Частота вращения вала этих насосов равна 500—3000 об/мин, к. п. д. пластинчатого насоса средней мощности 0,85 [2 ].

[1] Со всасыванием жидкости через бесклапанные окна (щели) в стенках цилиндра. Подробнее см. [2, с. 168, 265]