Роторные насосы. Классификация общие свойства насосов

Лекция 8

РОТОРНЫЕ ОБЪЕМНЫЕ НАСОСЫ

Роторные насосы .Классификация общие свойства насосов.

Шестеренные насосы.

Винтовые насосы.

Роторно-поступательные насосы.

Неравномерность подачи роторных насосов.

Роторные насосы. Классификация общие свойства насосов

Роторный насос — это объемный насос, в котором вытеснение жидкости производится из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или вращательного и возвратно-поступательного движений рабочих органов — вытеснителей.

Рабочая камера роторного насоса ограничивается поверхностями составных элементов насоса: статора, ротора и вытеснителя (одного или нескольких). По характеру движения рабочих органов (вытеснителей) роторные насосы бывают роторно-вращательные и роторно-поступательные (классификационную схему по ГОСТ 17398—72 см. на рис. 8.1).

Рис. 8.1. Классификация роторных насосов.

В роторно-вращательных насосах вытеснители совершают только вращательное движение. К ним относятся зубчатые (шестеренные, коловратные) и винтовые насосы. В зубчатых насосах рабочие камеры с жидкостью перемещаются в плоскости, перпендикулярной к оси вращения ротора, в винтовых насосах — вдоль оси вращения ротора.

В роторно-поступательных насосах вытеснители одновременно совершают вращательное и возвратно-поступательное движения. К ним относятся шиберные (пластинчатые, фигурно-шиберные) и роторно-поршневые насосы (радиальные, аксиальные). В роторно-поршневых насосах вытеснители обычно выполнены в виде поршней или плунжеров, которые располагаются радиально или аксиально по отношению к оси вращения ротора. Все роторно-поступательные насосы могут выполняться как в виде регулируемых машин, т.е. с изменяемым рабочим объемом, так и нерегулируемых. Все роторно-вращательные насосы являются нерегулируемыми.

Вследствие того, что в роторных насосах происходит перемещение рабочих камер с жидкостью из полости всасывания в полость нагнетания, эти насосы отличаются от насосов поршневых (и плунжерных) отсутствием всасывающих и напорных клапанов. Эта и другие конструктивные особенности роторных насосов обусловливают их некоторые общие свойства, также отличные от свойств поршневых насосов, а именно: обратимость, т.е. способность работать в качестве гидродвигателей (гидромоторов) при подводе к ним жидкости под давлением; более высокая быстроходность (до 3000—5000 об/мин) и большая равномерность подачи, чем у однопоршневых насосов; возможность работы лишь на чистых, неагрессивных жидкостях, обладающих смазывающими свойствами (применение роторных насосов для подачи воды исключается).

Идеальная подача роторного насоса выражается через его рабочий объем Vо и частоту вращения n:

(8.1)

Действительная подача Q меньше идеальной вследствие утечек через зазоры, что учитывается объемным КПД :

(8.2)

Момент М на валу насоса и его рабочий объем при отсутствии потерь энергии связаны формулой

(8.3)

где р — давление насоса.

Механические потери энергии в насосе увеличивают момент, т. е.

(8.4)

где — механический КПД насоса. Мощность насоса

(8.5)

где — угловая скорость ротора; Р_п — полезная мощность насоса; — КПД насоса.

Гидравлические потери в роторных насосах относительно малы, поэтому обычно принимается, что .

По теории подобия роторных гидромашин имеются три вида потерь энергии:

- объемные — на утечки (по закону Пуазейля);

- механические — на жидкостное трение (по закону трения Ньютона);

- механические — на «сухое» трение (по закону трения Кулона).

Каждая из этих потерь для данной гидромашины оценивается постоянным безразмерным коэффициентом.

Объемный и механический, а следовательно, и общий КПД роторной гидромашины определяются тремя указанными коэффициентами, но, кроме того, зависят еще от безразмерного критерия подобия, характеризующего режим работы машины и равного

(8.6)

где — динамическая вязкость жидкости.

Согласно теории Мишке, для роторного насоса имеем:

(8.7)

(8.8)

Примерные значения коэффициентов для разных видов роторных насосов можно найти в работе. Кроме того, эти коэффициенты для каждого насоса могут быть приближенно оценены по его опытным характеристикам.

Зная коэффициенты, можно пересчитывать значения КПД насоса с одних условий его работы на другие. Однако при этом следует иметь в виду приближенный характер формул и не рассчитывать на точность перерасчета при широком диапазоне изменения критерия σ.

На рис.8.2 дан примерный вид кривых изменения коэффициентов насоса в зависимости от критерия . Объёмный КПД при увеличении от неуклонно падает по линейному закону, механический КПД возрастает, но лишь до известного предела, после чего вопреки теории подобия начинает резко падать, так как наступает предел работоспособности насоса — выжимание смазки с поверхностей трения вследствие высокого давления. При некотором оптимальном значении критерия получается максимальное значение КПД роторного насоса.

Примерно такой же вид имеют и характеристики роторных насосов.

Неравномерность подачи роторных насосов оценивается коэффициентом неравномерности

(8.9)

где Q_max, Q_min и Q_cp — соответственно максимальная, минимальная и средняя подачи насоса.

Рис. 8.2. Кривые изменения коэффициентов насоса в зависимости от критерия .

Шестеренные насосы

Шестеренные насосы выполняются с шестернями внешнего и внутреннего зацепления. Наибольшее распространение имеют насосы с шестернями внешнего зацепления. На рис.8.3 приведена схема такого насоса. Он состоит из двух одинаковых шестерен — ведущей 2 и ведомой 3, помещенных в плотно охватывающем их корпусе — статоре 1. При вращении шестерен в направлении, указанном стрелками, жидкость, заполняющая впадины между зубьями, переносится из полости всасывания в полость нагнетания.

Вследствие разности давлений (P₂>P₁) шестерни подвержены воздействию радиальных сил, которые могут привести к заклиниванию роторов. Для уравновешивания последних в корпусе насосов иногда устраивают разгрузочные каналы 4. Такие же каналы могут быть выполнены и в самих роторах.

Рис. 8.3. Шестеренный насос: 1- статор; 2 – ведущая шестерня; 3 – ведомая шестерня; 4 – разгрузочные каналы.

Чаще всего применяются насосы, состоящие из пары прямозубых шестерен с внешним зацеплением и с одинаковым числом зубьев эвольвентного профиля. Для увеличения подачи иногда употребляются насосы с тремя и более шестернями, размещенными вокруг центральной ведущей шестерни.

Для повышения давления жидкости применяются многоступенчатые шестеренные насосы. Подача каждой последующей ступени этих насосов меньше подачи предыдущей ступени. Для отвода излишка жидкости каждая ступень имеет перепускной (предохранительный) клапан, отрегулированный на соответствующее максимально допустимое давление.

Кроме прямозубых шестерен, выполняются насосы с косозубыми и шевронными шестернями. Угол наклона зубьев в шевронных шестернях обычно составляет 20—25°.

Современные шестеренные насосы могут развивать давления до 10— 20 МПа.

Для приближенных расчетов минутной подачи насосов с двумя одинаковыми шестернями можно пользоваться формулой:

(8.10)

где — объемный КПД насоса, зависящий от конструкции, технологии изготовления и давления насоса и принимаемый равным 0,7—0,95; А — расстояние между центрами шестерен, равное при одинаковых шестернях диаметру начальной окружности D; Dг— диаметр окружности головок зубьев; b — ширина шестерен; n — частота вращения ротора, об/мин.

Коэффициент неравномерности подачи определяется выражением

(8.11)

гда — угол зацепления; стандартный угол зацепления = 20°.

Рис. 8.4 коловратный насос

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. 8.1, г, д. В шланговом насосе рабочим органом является упругий шланг, пережимаемый вращающимися роликами (рис. 8.1, е).

3. Винтовые насосы