Подача и основные конструктивные соотношения трехвинтового насоса

За один поворот ведущего винта рабочая жидкость перемещается в осевом направлении в сторону полости нагнетания не величину одного шага нарезки витков. Таким образом, рабочий объем трехвинтового насоса определяется объемом проточной полости машины в пределах одного шага нарезки

,

где - шаг нарезки витков винта;

- площадь поперечного сечения рабочей камеры (незаштрихованная площадь на рис. 9.1, б, в);

- площадь поперечного сечения проточек обоймы, в которых размещены винты;

- суммарная площадь поперечных сечений ведущего и ведомого винтов (заштрихованная площадь на рис. 9.1, б, в)

Средняя идеальная подача трехвинтового насоса равняется

,

где - частота вращения входного звена (вала) винтового насоса.

Исходя из теории циклоидального зацепления размеры профилей винтов находятся в следующих соотношениях [2, 7,19]:

; ; ; ,

где и - соответственно внутренний и внешний диаметры нарезки ведущего винта;

и - соответственно внутренний и внешний диаметры нарезки ведомых винтов.

Используя приведенные зависимости можно получить формулы, применение которых при расчетах трехвинтовых насосов обеспечивает приемлемую точность:

- площадь поперечного сечения рабочей камеры

;

- рабочий объем насоса

;

- средняя идеальная подача

.

При заданной потребной средней подаче насоса внешний диаметр нарезки ведомых винтов определяется зависимостью

,

где - объемный КПД насоса (для насосов низкого давления МПа принимают , для насосов высокого давления МПа - ).

Длина винтов определяется количеством герметичных рабочих камер, которые последовательно, в осевом направлении, размещаются на этой длине. Давление рабочей жидкости вдоль винтов уменьшается от давления в нагнетательном пространстве к давлению во всасывающем пространстве, причем его распределение по герметичным рабочим камерам происходит пропорционально количеству этих камер. Исходя из минимизации объемных потерь насоса (обеспечение приемлемого объемного КПД) количество герметичных рабочих камер принимают таким, чтобы на каждую из них приходился перепад давления не больше, чем 2÷3 МПа, то есть обеспечивают так называемую многоступенчатость машины.

На практике длину винта насоса с одноместным перекрытием (с одной герметичной рабочей камерой) принимают не меньше, чем , а в общем случае для многоступенчатых машин выполняют условие

,

где - число степеней винтового насоса.

Двухвинтовой насос

Для упрощения изготовления винты двухвинтовых насосов обычно выполняют с прямоугольной резьбой (рис. 9.2), но это приводит к ухудшению их герметичности и снижению объемного КПД . Исходя из этого двухвинтовые насосы с прямоугольной резьбой применяются при давлениях, как правило, до 10 МПа.

Рабочие камеры в двухвинтовом насосе образуются витками ведущего 1 и ведомого 4 винтов, которые находятся в зацеплении, и неподвижной обоймой 5 (рис. 9.2, а, б). Рабочая жидкость подводится к насосу через всасывающий патрубок 2, а отводится – через нагнетательный 7.

Компенсация осевых составляющих сил от взаимодействия винтов обеспечивается гидростатической разгрузкой, для чего через осевые сверления 3 и 6 рабочая жидкость подводится под соответствующие торцы винтов.

Передача вращательного движения от ведущего винта 1 к ведомому 4 обеспечивается через шестеренную пару, которая размещается обычно в общем корпусе насоса (на рис. 9.2, а непоказано).

Средняя идеальная подача двухвинтового насоса определяется по зависимости

, (9.1)

где - площадь сечения канавки винта;

- шаг нарезки винта.

При приемлемом допущении, что объем впадины между витками на расстоянии равняется объему витка винта на том же расстоянии, площадь сечения канавки винта определяют по упрощенной зависимости

, (9.2)

где и - соответственно внешний и внутренний диаметры винтов.

а)

б)

в)

Рис. 9.2. Конструктивные и расчетные схемы двухвинтовых насосов

С использованием (9.2) выражение для расчета средней идеальной подачи двухвинтового насоса (9.1) принимает вид

.

Более точный расчет площади сечения канавки винта возможен по известной зависимости [2] с использованием значения угла пересечения нарезок винтов. Величину угла определяют из соотношения

,

где - расстояние между осями винтов .

Использование в некоторых конструкциях двухвинтовых насосов сдвоенных винтов (рис. 9.2, в), одна половина которых имеют правую, а вторая – левую нарезки, позволяет уравновесить осевые силы и разгрузить винты от их действия без использования дополнительных устройств.

Одновинтовой насос

Одновинтовые насосы, которые изобретены в 1937 году французским инженером Муано, по конструкции и принципу действия отличаются от других винтовых насосов.

Рабочими органами одновинтового насоса является неподвижная обойма, внутренняя полость которой является двухзаходной винтовой поверхностью, и планетарный однозаходный винт, который вращается в обойме. Внутреннюю поверхность обоймы покрывают слоем резины, благодаря чему обеспечивается посадка винтового ротора с некоторым натягом (0,3÷0,5 мм). Это повышает герметичность и, соответственно, объемный КПД насоса.

Любое поперечное сечение винтового ротора (рис. 9.3, а), перпендикулярное оси вращения, является кругом диаметром . Центры этих кругов лежат на винтовой линии, ось которой одновременно является осью винта. Расстояние от центра поперечного кругового сечения винта к оси винта называется эксцентриситетом , а расстояние между двумя соседними впадинами (или выступлениями) ротора - шагом винта. Винт, как правило, выполняется полым и имеет торцевую резьбу для присоединения к карданному валу.

Обойма насоса (рис. 9.3, б)имеет двухзаходную винтовую поверхность с шагом , в два раза большим шага винта . Профиль нормального сечения обоймы образован двумя полукругами радиусами , равными радиусу кругового сечения винта, и касательными к ним прямолинейными участками длиной . Поперечные сечения обоймы в любом месте одинаковые, но винтообразно с шагом нарезки повернуты один относительно другого вокруг оси . Через каждых полшага нарезки сечения обоймы занимают одинаковые положения. Из конструктивных соображений обойма выполняется короче винта.

Поскольку во время работы насоса ротор осуществляет в обойме, кроме обычного вращения, также и планетарное, то для передачи крутящего момента необходимо гибкое передаточное звено между приводным валом и рабочим винтом.

В большинстве одновинтовых насосов таким звеном служит карданный вал, который состоит из двух шарнирных соединений. В некоторых насосах кроме карданных валов нашли применение гибкие валы в виде стальных, покрытых резиной, тросов.

При вращении винта между ним и обоймой образуются полости – рабочие камеры, куда во всасывающей полости засасывается рабочая жидкость. При последующем вращении винта рабочие камеры замыкаются и перемещаются вдоль оси винта к полости нагнетания, откуда жидкость вытесняется во внешнюю сеть.

а)

б)

Рис. 9.3. Винтовой ротор (а) и обойма (б) одновинтового насоса

Винт осуществляет в обойме сложное движение. Благодаря вращению вала насоса соединенный с ним винт вращается вокруг своей продольной оси и в то же время ось винта оборачивается по кругу диаметром в обратном направлении. Последнее движение является результатом качения (со скольжением) винта. диаметром по одной стенке паза обоймы и скольжения – по противоположной. То есть, от приводного вала винт получает только вращательное движение вокруг своей продольной оси, а обратное вращение оси по кругу диаметром возникает от силового действия стенок паза на соответствующие участки винта. Возможность такого планетарного движения винтового ротора обеспечивается гибким передаточным звеном (карданным валом).

Общую картину движения винтового ротора в пазу обоймы можно объяснить, рассмотрев перемещение поперечного сечения винта, который изображен кругом с центром , в поперечном сечении паза обоймы с центром (рис. 9.4, 9.5).

Рис. 9.4. Кинематическая схема движения винтового ротора в пазу обоймы

Допустим, что винтовой ротор с поперечным сечением вращается против часовой стрелки вокруг своей продольной оси . Для обеспечения в пространстве, ограниченном стенками паза обоймы, такого движения винта с эксцентричным, по отношению к центру вращения ротора , положением центра круга , необходимо, чтобы центр вращения постоянно смещался в противоположную, к направлению вращения винта, сторону (вращался по часовой стрелке).

Это можно представить перемещениям (качением) по часовой стрелке шестерни диаметром в неподвижном зубчатом колесе с внутренним зацеплением и начальным диаметром . Центр шестерни вычеркнет при этом круг диаметром с центром , который и является траекторией вращения (по часовой стрелке) продольной оси винтового ротора.

Круг катится (со скольжением) по правой стенке сечения паза обоймы и скользит по левой стенке.

Во время вращения винта против часовой стрелки вокруг своей продольной оси центр его поперечного сечения непрерывно перемещается от верхнего положения к нижнему и назад. Одно такое перемещение сверху вниз и назад осуществляется за один оборот винта.

Как известно, точка, которая находится на окружности, который катится по внутренней стороне другой, неподвижной, окружности, описывает гипоциклоиду. Но если диаметр окружности , которая катится, равняется половине диаметра неподвижной окружности , то гипоциклоида превращается в прямую линию , равную по длине диаметру неподвижной окружности .

Рис. 9.5. Схемы последовательных положений сечения винтового ротора в обойме за один оборот вала насоса

Кинематические схемы (рис. 9.5) восьми последовательных положений, которые занимает сечение винта в сечении обоймы за один оборот приводного вала, подтверждают выше изложенное.

При перекачивании окружности по неподвижной окружности по часовой стрелке из положения I в положение V круг , который является сечением винта и связанный с окружностью , опускается из верхнего положения в пазу обоймы в нижнее положение. В это время круг оборачивается вокруг своей оси против часовой стрелки и перекатывается со скольжением по правой стороне паза обоймы, одновременно скользя относительно левой стороны паза. При последующем перекачивании окружности по часовой стрелке из положения V в положение I круг поднимается вверх, вращаясь против часовой стрелки и перекатываясь по левой стороне паза. Одновременно круг скользит относительно правой стороны паза.

Такая же картина будет в каждом другом поперечном сечении обоймы вдоль оси , с той лишь разницей, что по мере перехода от одного сечения вдоль оси к другому прямая (рис. 9.4), по которой перемещается центр сечения винта, все время проворачивается (вокруг своего центра ).

Нужную пространственную форму винтовому ротору насоса можно сообщить следующим образом.

Цилиндр определенной длины диаметром необходимо разрезать плоскостью, нормальной к его продольной оси, на бесконечно большое число тонких дисков и каждый из них повернуть по отношению к предыдущему по окружности диаметром с центром (рис. 9.6, а) на некоторый постоянный угол с тем, чтобы на определенной длине цилиндра, равной , суммарный угол поворота отдельных дисков равнялся Тогда цилиндр приобретет форму винта с шагом , внешним диаметром и внутренним .

а) б)

Рис. 9.6. Сечение винтового ротора (а) и обоймы (б) одновинтового насоса

Внутреннюю поверхность паза обоймы можно представить так. Ряд поперечных сечений обоймы с отверстием, которое имеет форму (рис. 9.6, б), провернуты одно относительно другого вокруг оси на постоянные углы так, чтобы на длине винта суммарный угол поворота равнялся .

Одновинтовой насос состоит из карданного вала 1, рабочего узла 2, опорной части 3, упругой муфты 4 и электродвигателя 5 (рис. 9.7). В рабочий узел насоса входят обойма, винтовой ротор и всасывающий корпус.

Карданный вал (рис. 9.8) служит для передачи рабочему винту крутящего момента от приводного вала и состоит из двух цилиндровых стержней 1 с шаровыми головками на концах, соединенными между собой резьбовой муфтой 2. Для уменьшения длины насоса карданный вал проходит сквозь отверстие в винтовом роторе.

Рис. 9.7. Конструктивная схема одновинтового насоса

Рис. 9.8. Карданный вал с шаровыми шарнирами

Шаровые головки стержней 1 карданного вала расположены в ведущей 4 и ведомой 3 муфтах. Ведомая муфта 3 закреплена на рабочем винте, а ведущая 4 - на приводном валу. В муфтах 3 и 4 есть два продольных паза, а в каждой шаровой головке стержней 1 - два углубления в виде полусферы. В углублениях расположены стальные шарики 5, что входят в пазы муфт 3 и 4.

Таким образом, шарики 5 соединяют муфты 3 и 4 с шаровыми головками стержней 1 карданного вала и передают крутящий момент, не препятствуя проворачиванию шарнирного соединения вокруг оси.

Рабочий объем одновинтового насоса определяется разницей объемов паза обоймы и винтового ротора в пределах шага винта

.

Средняя идеальная подача одновинтового насоса равняется

.

Площадь сечения, по которой в обойме перемещается жидкость, является постоянной, потому и скорость перемещения жидкости также постоянна. Таким образом, обеспечивается плавный поток жидкости, без пульсаций на выходе из насоса.

Одновинтовые насосы могут перекачивать жидкости любой вязкости (масло, мазут и др.), а также жидкости, которые содержат абразивные частицы. Поэтому одновинтовые насосы часто используются в угольной промышленности для очистки зумпфов и водосборников при загрязненности откачиваемой жидкости до10÷15%.

Надежный контакт между эластичной резиной обоймы и винтом обеспечивает создание во всасывающей линии значительного вакуума, что позволяет засасывать воду из глубины до 8,5 м.

Одновинтовые насосы могут работать и в случае подсоса воздуха, причем при любых его соотношениях с водой во всасывающем патрубке. Это свойство положительно для проходческих винтовых насосов, поскольку при проходке стволов шахт часто придется откачивать воду из мелких приямков, когда подсос воздуха неизбежен. При подсосе воздуха подача насоса уменьшается.

Одновинтовые насосы также находят широкое применение при добыче нефти из скважин, при транспортировке патоки, в сельском хозяйстве и др.