Классификация роторных насосов и их особенности

Роторные насосы, так же как и поршневые, относятся к на­сосам объемного действия, работающим по принципу вытеснения жидкости. По характеру движения рабочих органов (вытесните­лей) роторные насосы подразделяются на вращательные и вращательно-поступательные: к насосам вращательного движения относятся зубчатые (шестеренные, коловратные) и винтовые; к насосам вращательно-поступательного движения - пластинчатые (шиберные) и поршеньковые (радиальные и аксиальные).

Роторные насосы обычно состоят из трех основных частей: статора (неподвижного корпуса), ротора, жестко связанного с валом, и вытеснителя (одного или нескольких). В некоторых кон­струкциях ротор одновременно является и вытеснителем.

Рабочий процесс роторных насосов имеет следующие особен­ности. При вращении ротора рабочие камеры перемещаются, из­меняют свой объем и, отсекая жидкость от полости всасывания, перемещают ее в полость нагнетания. При таком принципе работы не нужны всасывающие и нагнетательные клапаны, и рабочий процесс делится на три этапа: заполнение рабочих камер жид­костью; замыкание рабочих камер и их перенос; вытеснение жид­кости из рабочих камер.

Специфика рабочего процесса роторных насосов определяет их особые свойства:

1) большая быстроходность: частота вращения достигает 5×10³ мин^-1;

2) равномерность подачи, возможность ее регулирования и реверсирования;

3) обратимость, т. е. способность работать в качестве гидро­двигателя;

4) способность создавать высокие давления при достаточно высоких КПД;

5) малые масса и объем, приходящиеся на единицу мощности;

6) большая надежность в работе;

7) способность работать только на чистых, не агрессивных жидкостях (не содержащих абразивных и других частиц), обла­дающих смазывающими свойствами, что обусловлено малыми зазорами вращающихся трущихся деталей, обработанных с вы­сокой точностью.

Если первые шесть свойств являются - преимуществом ротор­ных насосов, то последнее - их недостатком, так как ограничивает область применения насосов.

Подача роторных насосов определяется размерами рабочего пространства и частотой вращения ротора, а также прочностью элементов насоса. Если задвижка на напорной линии случайно оказывается закрытой, то давление может возрасти выше допустимого, что вызовет поломку или повреждение насоса. Поэтому необходима предохранительная аппаратура, защищающая насосы от перегрузки, а прочность элементов насоса должна иметь до­статочный запас (с учетом сопротивления напорной линии).

Роторные насосы находят самое широкое применение в тех­нике, особенно в тех случаях, когда при сравнительно небольшой подаче необходимо обеспечить высокое давление. Они успешно применяются в гидропередачах, в автоматических устройствах и системах регулирования, в топливных системах газотурбинных и ракетных двигателей, в гидравлических прессах, в смазочных си­стемах двигателей для перекачивания вязких жидкостей, в неф­тяном, коксохимическом и других производствах.

Поскольку роторные насосы имеют свойство обратимости, т. е. способны работать в качестве гидродвигателей (гидромоторов) при подводе к ним жидкости под давлением, то в технической литературе их иногда называют гидромашинами; в дальнейшем мы будем использовать этот термин.

Шестеренные насосы

Из всех роторных насосов шестеренные (зубчатые) имеют наиболее простую конструкцию. Они выполняются с шестернями внешнего или внутреннего зацепления. Наибольшее распростране­ние получили насосы с шестернями внешнего зацепления (рис. 1). Насос состоит из пары одинаковых шестерен 4 - ведущей и ве­домой, находящихся в зацеплении и помещенных в корпусе 1 насоса (статоре) с малыми торцовыми и радиальными зазорами. Ведущая шестерня приводится во вращение двигателем. При вра­щении шестерен в направлении, указанном на рисунке стрелками, жидкость, заполняющая впадины между зубьями, перемещается из полости 2всасывания в полость 3нагнетания. Так как крышка корпуса насоса достаточно плотно прилегает к торцам шестерен, то жидкость выжимается из впадин, когда зубья входят в зацеп­ление на противоположной нагнетательной стороне насоса.

Вследствие разности давлений р₁на всасываемой и р₂ на на­гнетательной сторонах (р₂>р₁)шестерни подвергаются воздей­ствию радиальных сил, что может привести к заклиниванию ротора. Чтобы предотвратить чрезмерное увеличение давления в области нагнетания и образование вакуума на противоположной стороне при отходе зуба из впадин, в корпусе насосов выполняют разгру­зочные каналы для выравнивания давления. Для этих же целей могут служить каналы и в роторных шестернях, полученные свер­лением отверстий во впадинах зубьев.

В насосах высокого давления (свыше 10 МПа) торцовые за­зоры уплотнены специальными "плавающими" втулками, которые прижимаются к шестерням при повышенном давлении. Для повы­шения давления жидкости применяют многоступенчатые шесте­ренные насосы, в которых подача каждой последующей ступени меньше подачи предыдущей. Они развивают давление до 20 МПа.

Для увеличения подачи иногда используют насосы с тремя и более шестернями, размещенными вокруг центральной ведущей шестерни.

При определении подачи шестеренного насоса исходят из того, что каждый зуб вытесняет из соответствующей ему впадины объ­ем, равные bS, где b - длина стороны зуба; S — площадь его ра­бочей части, ограниченная начальной окружностью соседней шес­терни.

За один оборот обе шестерни подают в область нагнетания объем жидкости, равный V = 2bSz, где z - число зубьев шестерни. Тогда теоретическая подача шестеренного насоса с двумя шестер­нями (м³/с):

Q_т = bSzn/30. (1)

Площадь рабочей части зуба, выдавливающей жидкость, при­ближенно можно считать S = nD²/z², где D— диаметр началь­ной окружности шестерни.

Утечки жидкости учитывает объемный КПД h_о= 0,8-0,95, тогда действительная подача (м³/с) равна:

Q_т = pbD²nh_о /(30z). (2)

Шестеренные насосы реверсивны, т. е. изменением направле­ния вращения шестерен в них можно изменить направление дви­жения потока жидкости в трубопроводах.

Шестеренные насосы применяют в различных гидросистемах металлорежущих станков, тракторов, строительно-дорожных ма­шин, для перекачивания вязких нефтепродуктов. Вы встретитесь с ними при изучении смазочных систем автомобильных и трактор­ных двигателей, металлорежущих станков, навесных гидросистем.

Шестеренные насосы с внутренним зацеплением еще более ком­пактны, чем с внешним. Они имеют лучшую всасывающую спо­собность, могут работать при больших частотах вращения, однако сложны в изготовлении и поэтому не получили широкого распро­странения.

Коловратные насосы также можно считать шестеренными, имеющими два или три зуба на каждом роторе. На рисунке 2 показан коловратный насос с двумя зубьями. Профили зубьев выполнены таким образом, чтобы они плотно замыкались между собой и со статором. При направлении вращения роторов, ука­занном на рисунке стрелками, объем правой камеры уменьшается и жидкость из нее вытесняется, а в левой происходит всасывание. Поскольку роторы не могут передавать крутящий момент внутри статора, то они соединены между собой шестеренной парой, рас­положенной за пределами корпуса насоса.

Коловратные насосы применяют для перекачки больших объемов очень вязких жидкостей при небольшом давлении: ка­менноугольных смол, битумов и т. п.

Винтовые насосы

Винтовые насосы можно рассматривать как машины с косозубыми шестернями, имеющими число зубьев, равное числу захо­дов винтовой нарезки. В зависимости от числа винтов различают одно-, двух-, трех- и многовинтовые насосы. Наибольшее распро­странение получили двух- и трехвинтовые насосы. На рисунке 3 показан насос с тремя винтами, плотно посаженными внутри кор­пуса 1. Средний винт 2 - ведущий, два боковых 3 - ведомые. Выступы одного винта входят во впадины другого, в результате объем между нарезками оказывается разделенным на несколько замкнутых полостей. Часть впадин между витками нарезки запол­няется жидкостью во всасывающей полости; после поворота вин­тов эта жидкость отсекается от входной полости и перемещается вдоль винта в том же направлении, как двигалась бы гайка, лишенная возможности поворачиваться вместе с винтом.

Ведомые винты предотвращают перетекание жидкости по вин­товой впадине вокруг винта. За один оборот винта жидкость пере­мещается в сторону нагнетательного патрубка на расстояние, равное шагу нарезки винта. Таким образом, через каждый шаг винта создаются замкнутые полости, которые непрерывно пере­мещаются от входной полости к выходной.

Выступы нарезки как бы выполняют функцию поршней, дви­жущихся непрерывно в одном направлении и вытесняющих жид­кость вдоль впадин. В связи с этим подача жидкости винтового насоса равномерная, без заметной пульсации, и достигает доволь­но больших значений (10 000—15 000 л/мин). Подача винтового насоса может быть определена по формуле (м³/с):

q = (S_к – S_в)tnh_о /60, (3)

где S_к - площадь поперечного сечения полости корпуса, в которой размещены винты, м²; S_в - площадь "тела" винтов в том же сече­нии, м²; t - шаг винтов, м;
h_о = 0,75-0,98 - объемный КПД.

Кроме равномерности подачи, винтовые насосы отличаются большой самовсасывающей способностью (до б-7 м вод. ст.), возможностью изменять давление в широком диапазоне, относи­тельно постоянным КПД, компактностью. Однако сложность изго­товления, требующая высокой точности, ограничивает их исполь­зование.