Классификация роторных насосов

Роторные насосы относятся к объемным и разделяются по характеру движения рабочих органов-вытеснителей на:

- роторно-вращательные;

-  роторно-поступательные.

 

Роторно-вращательные насосы имеют вытеснители, совер­шающие только вращательное движение. К ним относятся зуб­чатые и винтовые насосы.

В свою очередь зубчатые насосы под­разделяют на шестеренные и коловратные.

 Роторно-поступательные насосы по виду рабочих органов и рабочих камер делятся на шиберные и роторно-поршневые.

 Шиберные насосы в свою очередь по виду шиберов разделяют на пластинчатые и фигурно-шиберные.

Роторно-поршневые насосы по расположению рабочих камер разделяются на радиально-поршневые и аксиально-поршневые.

По расположению ротора аксиально-поршневые насосы из­готавливают с наклонным блоком и с наклонным диском.

В роторных насосах отсутствуют всасывающие и напорные клапаны. Этим они отличаются от поршневых насосов. Кроме того, роторные насосы имеют отличительные от поршневых насо­сов свойства, благодаря которым они объединены в самостоя­тельную подгруппу. К таким свойствам относят: обратимость, высокую быстроходность, большую равномерность подачи, чем у поршневых насосов; кроме того, они работают только на не­агрессивных жидкостях, обладающих смазывающими свой­ствами. Ниже рассматриваются наиболее распространенные ро­торные насосы.

 

 

Шестеренные насосы

Шестеренные насосы изготовляют с наружным или внутренним зацеплением шестерен. Насосы с наружным зацеплением более просты в изготовлении, поэтому их приме­няют значительно чаще. Компактные насосы с внутренним зацеплением применяют в установках малых размеров.

Шестеренный насос (рис. 87, а) имеет корпус, две крышки и пару зубчатых колес, насаженных на валики. В крышках разме­щены подшипники и сальники ведущего и ведомого валиков.

 

а                     б	в
г

Рис. 87. Шестеренчатый насос

 

В корпусе насоса 1 предусмотрены два отверстия: всасываю­щее 2 с той стороны, где зубья шестеренок при вращении рас­ходятся, и нагнетательное 3 с противоположной стороны.

Принцип действия насоса заключается в следую­щем. Ведущий валик насоса с насаженной на нем шестеренкой приводится во вращение от двигателя. От ведущей шестеренки получает вращательное движение и ведомая шестерня. При вращении шестеренок зубья их в полости всасывания В расходятся. При этом жидкость, находящаяся во впадинах между зубьями, перемещается и во всасывающей полости образуется разреже­ние, благодаря которому обеспечивается поступление жидкости ко всасывающему отверстию. Перенесенная впадинами между зубьями жидкость из полости всасывания В в полость нагнета­ния Н при входе зубьев в зацепление вытесняется и поступает далее в нагнетательный трубопровод.

При работе шестеренного насоса во впадинах между зубьями может развиваться высокое давление, которое передается на валики и опоры насоса. Для разгрузки насоса необходимо из­бегать запирания жидкости во впадинах между зубьями. Для этой цели в насосах высокого давления во впадинах устраивают радиальные каналы для отведения запертой жидкости и обес­печения разгрузки валиков и опор насосов (рис. 87,6).

Шестеренные насосы изготовляют для низкого (), среднего (до ) и высокого () давления.

Насосы низкого давления обычно используют в систе­мах смазки и охлаждения станков и машин. Насосы среднего давления применяют в гидроприводах станков, силовому органу которых нужно сообщать быстрые перемещения, например для сверлильных и шлифовальных станков. Насосы высокого давле­ния используют в гидроприводах в случае необходимости пере­дачи рабочему органу станка большого усилия.

Шестеренные насосы выпускают как с электродвигателем, так и без него. Вал насосов соединяется с приводным валом при помощи эластичной муфты.

Шестеренные насосы при работе создают пульсацию рас­хода, а следовательно, и пульсацию вращающего момента, что отрицательно влияет на конструкцию насоса. Этот недостаток устраняется у винтовых насосов.

Шестеренные насосы бывают двухшестеренные (рис. 87,а, б) и трехшестеренные (рис. 87,в).

При вра­щении средней ведущей шестерни трехшестеренного насоса по часовой стрелке в каналах 1 и 3 происходит всасывание жидко­сти, а в каналах 2 и 4 - нагнетание. Каналы 1 и 3, а также ка­налы 2 и 4 соединяются между собой. По сравнению с двухшестеренным трехшестеренный насос имеет большую подачу, но меньший объемный КПД (ввиду больших утечек).

Насосы с четырьмя, пятью и большим числом шестерен, практически не выпускают из-за низкого КПД.

Шестеренные насосы с гидрав­лической компенсацией торцевых зазоров, обеспечивающей по­вышение объемного КПД, могут работать с дав­лением до и более. Гидравлическая компенсация торцевых зазоров в шестеренных насосах осуществляется сле­дующим образом (рис. 86,г). Жидкость под давлением , соз­данным в насосе, подводится в полость D и прижимает подвиж­ную втулку В к шестерне Ш с усилием, обеспечивающим доста­точное уплотнение по торцу. Для нормальной гидравлической компенсации необходимо, чтобы втулка прижималась к ше­стерне, не вызывая сильного трения и повышенного износа тор­цов втулки и шестерни.

Кроме гидравлической компенсации торцевых зазоров, при­меняют способ уменьшения их при помощи боковых прокладок, имеющих ячейки с эластичными стенками. Прокладку в виде шайбы ставят между шестерней и корпусом насоса. При работе насоса через отверстие прокладки в стенках ячейки заполняют маслом. Под давлением масла, находящегося в ячейках, пере­городки последних деформируются и прижимаются к торцам шестерни, выбирая зазоры.

Подачу шестеренного насоса определяют по формуле:

 

,                             (308)

 

где		- площадь впадины зуба, ;
		- ширина зуба (ширина шестерни), ;
		- число зубьев на одной шестерне;
		- частота вращения, ;
		- объемный КПД насоса, значение кото­рого принимается в пределах , в зависимости от плот­ности пригонки деталей, скорости вращения и вязкости жидкости.

Учитывая трудности при измерении площади впадины зуба , подачу шестеренного насоса с двумя одинаковыми шестер­нями определяют и по другой формуле:

 

,                           (308)

 

где		- диаметр начальной окружности шестерни, ;
		- модуль зацепления, ;
		- поправочный коэффициент, учитываю­щий разницу между действительным объемом впадин зубьев и расчетным кольцевым объемом (в среднем ).

Так как

 

,

 

то

 

.                             (309)

 

Окружная скорость шестеренных насосов должна быть не выше . При больших окружных скоростях возникает чрезмерное разрежение у оснований впадин между зубьями, что приводит к явлению кавитации и ухудшению работы на­соса.

Скорость течения жидкости во всасывающем патрубке ше­стеренного насоса обычно допускается в пределах . Давление жидкости  на шестерню определяют по формуле:

 

,                           (310)

 

где		- диаметр окружности головок зубьев шестерен, ;
		- ширина шестерни, ;
		- давление, создаваемое насосом, .

 

Мощность шестеренного насоса определяют по формулам:

 

,       ,                          (311)

 

где		- подача насоса, ;
		- угловая скорость,   ;
		- частота вращения, ;
		- крутящий момент на валу насоса, ;
		- КПД насоса.
		- давление, создаваемое насосом, .

В разгруженных насосах (рис. 86,6) давление на шестерню приближается по величине к окружному усилию вращения на­соса.

 

Винтовые насосы

Винтовые насосы с прямоугольной нарезкой впервые появились в первой четверти нашего столетия, но тогда они не получили распространения ввиду низкого КПД.

В 1932 г. шведский инженер Монтелиус создал винтовые на­сосы с профилем нарезки винтов, очерченным циклоидальными кривыми. Насосы с такой нарезкой называют насосами с цикло­идальным зацеплением. Винтовые насосы с циклоидальным за­цеплением создают хорошую герметичность при работе и имеют высокий КПД.

Винтовые насосы относятся к типу объемных, где подача осуществляется путем вытеснения жидкости винтами. Винты (рис. 88) являются рабочим органом насоса и совершают при работе только вращательное движение. У винтового насоса отсутствует возвратно-поступательное движение поршня или плунжера, нет всасывающего и нагнетательного клапанов, что является основным преимуществом перед поршневыми насо­сами. Винтовые насосы имеют малые габариты, обладают легкостью и быстротой, способны создавать давления до  и более и частоту вращения винтов до ; имеют безпульсационную подачу жидкости.

Рабочим винтом у этих насосов является только один веду­щий. Ведомые винты служат как бы уплотнителями, препят­ствующими протеканию жидкости из камеры нагнетания в ка­меру всасывания. Внутренний диаметр ведущего винта и наруж­ные диаметры ведомых винтов всегда равны между собой.

Нарезки трех винтов во время работы насоса, соприкасаясь между собой, образуют непрерывную поверхность раздела, которая обладает хорошей герметичностью и выполняет роль поршня при перемещении жидкости из камеры всасывания в ка­меру нагнетания.

 

 

Рис. 88. Схема винтового насоса

 

Поверхность раздела в пределах каждого шага винта повто­ряется и, следовательно, с увеличением числа шагов по рабо­чей длине винтов число полостей возрастает. Каждая такая полость в пределах шага винта является отдельной ступенью, как это мы имеем в многоступенчатом насосе, что позволяет вследствие увеличения длины винтов создавать большие давле­ния с высоким объемным КПД.

Винтовой насос имеет три основные части: статор - корпус насоса с полостями, примыкающими к камере всасывания и камере нагнетания, расположенными на концах винтов; ротор - винт (ведущий), который приводится во вращательное движе­ние от двигателя; замыкатели - ведомые винты насоса, служа­щие для уплотнения насоса и не дающие жидкости перетекать из камеры нагнетания в камеру всасывания.

Для уравновешивания осевого давления, действующего от камеры нагнетания к камере всасывания, в винтах насоса или в его корпусе устраивают каналы, по которым жидкость со сто­роны камеры нагнетания подводится под торцы винтов в камере всасывания. Для защиты от повреждений насоса и всей гидро­системы в корпусе вмонтирован предохранительный клапан.

Принцип действия винтового насоса заключается в следую­щем. От двигателя ведущий винт приводится во вращательное движение, при этом поверхность раздела винтов отсекает объем жидкости, находящейся во впадинах винтов в камере всасыва­ния. После этого жидкость движется вдоль винтов в камеру на­гнетания и далее в нагнетательную трубу насоса. Как только будет отсечен объем жидкости в камере всасывания и жидкость начнет двигаться к камере нагнетания, в камере всасывания возникает разрежение (вакуум), вследствие чего по всасываю­щей трубе жидкость снова поступает в камеру всасывания и за­полняет впадины винтов; далее процесс повторяется, сохраняя непрерывность работы насоса.

Следует отметить, что если жидкость до отсечения ее объе­мов поверхностью раздела двигалась под действием давления  (разность между  и ), то дальнейшее ее движение вдоль винтов происходит под действием давления на нее (как поршня) поверхности раздела винтов. Жидкость подается насосом непре­рывно, что обеспечивает равномерную, без пульсации подачу жидкости.

По числу винтов различают одно-, двух-, трех-, четырех- и пятивинтовые насосы. Наиболее распространенными являются трехвинтовые насосы.

Винтовые насосы изготовляют на давление от до  и более.

Теоретическую подачу винтового насоса определяют следую­щим образом. Подаваемый винтами за один оборот винтов объем жидкости

 

,

 

где		- живое сечение впадин между витками винтов,   ;
		- шаг винта, ;   ;
		- угол подъема винтовой линии, обычно  (при такой величине  исключается самоторможение.

 

Если за  оборотов в минуту подаваемый объем жидкости

 

,

 

тo в  теоретическая подача насоса

 

,                  (312)

 

или

.           (313)

 

 

Теоретическая подача в

 

 

или

 

.                                (314)

 

 

где		- диаметр окружности выступов ведомого винта и диаметр окружности впадин ведущего винта,   ;
		- частота вращения ведущего винта в минуту.

 

Действительная подача насоса

 

 

где

- объемный КПД насоса, обычно , при этом чем большую насос имеет подачу, тем больше КПД.

Полный КПД насоса

 

.

 

		- механический КПД, учитывающий механические по­тери в винтах, подшипниках и сальниках винтов, ,  относится к насосам большей мощности;
		- гидравлический КПД, учитывающий гидравлические потери, однако у винтовых насосов они настолько незначительны вследствие небольших скоростей жидкости в проточных каналах корпуса и винтов насоса, что принимают .

 

Тогда полный КПД винтового насоса

 

.                               (315)

 

Для обеспечения безкавитационной работы винтового насоса частоту вращения определяют из неравенства

 

.                                           (316)

 

где   - подача, .

Мощность насоса определяют по формулам (311).

Допустимую высоту всасывания у винтовых насосов можно принимать до .

Обычно число витков нарезки на рабочей длине винта при­нимают: для насосов низкого давления ; для среднего давления и для высокого давления .

 

 

Пластинчатые насосы

Пластинчатые насосы типа ЛФ, применяемые в гидроприводах станков, выпускаются отечественной промыш­ленностью давлением до  при подаче от  до .

Пластинчатый насос (рис. 89) имеет статор 1, ротор 6 с наклоненными к радиальному направлению лопатками 4 и вал насоса 8. Приводной вал насоса имеет с одной стороны ша­риковый подшипник, с другой стороны два подшипника сколь­жения. Подшипник скольжения, имея значительную длину, обес­печивает хорошее уплотнение. Внутренняя поверхность статора насоса имеет эллипсообразную форму. В боковых дисках насоса предусмотрены четыре отверстия. Через два отверстия жидкость засасывается, а через два других нагнетается.

Рис. 89. Схема пластинчатого насоса

 

Благодаря эллипсообразной форме внутренней поверхности статора за каждый оборот ротора его лопатки при вращении дважды выходят из пазов, захватывая жидкость, поступающую из всасывающих отверстий торцевых дисков насоса и дважды входят обратно в пазы, выталкивая при этом захваченную жидкость в отверстия нагнетания торцевых дисков. Такие пла­стинчатые насосы относятся к насосам двойного действия. На­сосы могут быть и одинарного действия; у них имеется одно отверстие для всасывания и одно для нагнетания. Внутренняя поверхность статора у таких насосов имеет круглую форму.

При вращении ротора насоса по часовой стрелке (см. рис. 89) всасывание происходит в левом верхнем и правом нижнем квадрантах 3 и 7, а нагнетание - в правом верхнем и левом нижнем 5 и 2. Так как нагнетание жидкости осуще­ствляется одновременно в двух противоположных квадрантах, радиальное давление жидкости на ротор уравновешивается и тем самым уменьшается нагрузка на подшипники и вал насоса.

Кроме одинарных, изготовляют сдвоенные лопастные насосы, что позволяет получить давление до . Сдвоенные насосы представляют собой два насоса, смонтированных на одном об­щем приводном валу. Обычно спаривают два насоса разной по­дачи, создающих разные давления. Насос с меньшей подачей имеет большее давление (), а насос с большей подачей создает давление до . Каждый из сдвоенных насосов имеет всасывающие и нагнетательные отверстия. Пластинчатые насосы можно соединить последовательно, что дает возмож­ность получать давление до и выше. Выведем расчет­ную формулу подачи пластинчатого насоса двойного действия.

Без учета объема пластинок подача пластинчатого насоса двойного действия будет равна

 

.                                  (317)

 

где		- подача насоса, ;
		- ширина ротора, ;
		- рабочая высота пластинки, ;
		- скорость движения центра тяжести рабочей пластинки, .

 

Рабочая высота пластинки:

 

.                                  (318)

 

где  и   - большой и малый радиусы внутренней расточки в статоре, .

Расстояние от центра вращения ротора до центра тяжести рабочей высоты пластинки , тогда скорость дви­жения центра тяжести пластинки будет равна

 

.                                   (319)

 

где  - угловая скорость вращения ротора, .

Во избежание кавитации окружная скорость вращения в пластинчатых насосах, как и в шестеренных, не должна пре­вышать .

Имея в виду, что , получим

 

,

 

здесь  - частота вращения ротора, . Тогда подача на­соса

 

.                        (320)

 

.                              (321)

 

При выводе формулы (321) не учтен  объем пластинок. Площадь пластинок

 

.                              (322)

 

где		- число пластинок в насосе;
		- толщина пластинки, ;
		- угол наклона пластинок к радиальному направлению, обычно , в среднем принимают .

 

Теоретическая подача насоса двойного действия за вычетом объема пластинок

 

.                        (323)

 

Действительная подача насоса

 

,                                          (324)

 

где  - объемный Кпд насоса, для пластинчатых насосов .

Вращающий момент на валу насоса без учета сил трения

 

.                 (325)

 

где   - разность давлений в нагнетательной и всасывающей полостях насоса, .

 

Мощность пластинчатого насоса определяют по формулам (311), его КПД .