Производительность насоса

По назначению шестеренные насосы подразделяются на подкачивающие, нагнетающие и откачивающие.

Наиболее простой по конструкции насос (рис.8) состоит из пары цилиндрических шестерен, вращающихся в корпусе. Одна из шестерен является ведущей – крутящий момент от привода насоса приложен к её валу. Вторая шестерня является ведомой.

. Масло, поступающее в насос из входного канала, заполняет впадины между зубьями и переносится в них к выходному каналу при вращении шестерён в противоположных направлениях (указанных стрелками). При этом масло выдавливается из межзубовых впадин при входе в зацепление зубьев шестерённой пары, и на выходе из насоса создаётся давление, необходимое для преодоления гидравлического сопротивления присоединённой к нему сети. Насосы такого типа способны создавать давление величиной в несколько мегапаскалей.

Рис. 8. Принцип движения масла в шестерённом насосе

Теоретически объем масла, переносимого из входного канала в выходной за один оборот парой одинаковых шестерен, равен суммарному объему масла, находящегося во впадинах между зубьями:

, м³ (9.1)

где

− площадь одной межзубовой впадины, мм²;

– длина зуба (т.е. ширина шестерни), мм;

z – число зубьев в одной шестерне.

Соответственно, теоретическая производительность насоса при указанных геометрических данных будет зависеть от угловой скорости вращения шестерён:

, м³/c (9.2)

где

– диаметр делительной окружности шестерён, мм;

− угловая скорость вращения шестерён, рад/с;

– модуль зубьев (представляющий собой отношение диаметра делительной окружности к числу зубьев ), мм.

Как известно, модуль зубьев является важнейшим элементом при расчёте и изготовлении шестерён. Модули стандартизированы [15]. В шестерённых насосах широко используют модули зубьев в диапазоне от двух до семи мм. (2; 2,5; 3; 3,5: 4; 4,5; 5; 5,5; 6;7 мм).

Фактическая величина подачи масла у насоса всегда меньше теоретической, т.к. часть масла перетекает через зазоры с выхода насоса на вход к нему. Кроме того, под действием центробежных сил масло отбрасывается на периферию впадин, при этом нижняя зона впадин при окружных скоростях более 10 м/с может оказаться незаполненной маслом. Указанное уменьшение подачи масла учитывается коэффициентом объемного наполнения , представляющим собой отношение фактической величины объемной производительности насоса к теоретической.

Величина этого коэффициента для одного и того же насоса может иметь различные значения в зависимости от условий его работы. На нее влияют угловая скорость вращения шестерен, уровень абсолютного давления на входе в насос, вязкость масла, а также разность давлений на выходе из насоса и на входе в него. Кроме того, она зависит от величины зазоров (торцовых и радиальных) между шестернями и корпусными деталями с учетом состояния износа сопрягаемых деталей. При расчете масляных насосов величину коэффициента за-

дают в диапазоне от 0,75 до 0,85. С учётом этого определяется фактическая производительность насоса ( ):

, м³/с (9.3)

Если известна потребная производительность насоса ( ) и обороты привода шестерен (т.е. ), то, задавая два из трех входящих в формулу характерных геометрических размеров шестерен ( , , ), находят соответствующий им третий размер. Произведя несколько вариаций, можно выбрать оптимальное сочетание указанных геометрических размеров шестерен, обеспечивающее требуемую производительность насоса (при заданной угловой частоте их вращения).

Из приведённой формулы (9.3), видно, что при заданной производительности насоса (с определёнными диаметральными размерами и модулем зубьев) потребная ширина шестерён у него будет находиться в обратно пропорциональной зависимости от угловой скорости их вращения. При равной производительности насосы с боковым входом масла (рис.Ошибка! Источник ссылки не найден.), у которых окружная скорость на периферии шестерён не превышает 10 м/с, будут иметь в два - три раза большую ширину шестерён по сравнению с быстроходными насосами, имеющими окружные скорости на уровне 20…30 м/c. Но при этом необходимо учесть, что при высоких окружных скоростях для обеспечения нормального заполнения межзубовых впадин к шестерням насоса должен быть осуществлён торцевой подвод масла с использованием в конструкции насоса специального лопаточного устройства (рис.9), предназначенного для принудительного направления потока масла на периферию шестерён за счёт центробежного эффекта.

.

Рис. 9. Насос с лопаточным устройством на входе

9.2 .Характеристики насосов

На практике обычно используют два основных вида характеристик шестерных насосов, определяющих их производительность: скоростную и высотную.

9.2.1. Скоростные характеристики

Скоростной характеристикой называют зависимость производительности насоса от частоты вращения шестерён. У тихоходных насосов, имеющих окружную скорость( ) менее 6 м/с, эта зависимость имеет линейный характер. Причём, при отсутствии перепада давления на насосе (Р_вых – Р_вх ≈0) линия, характеризующая рас­сматриваемую зависимость, проходит через начало координат (рис. 10, кривая 1). А в том случае, если насос развивает высокий напор и давление масла на выходе из насоса значительно превышает величину давления на входе в насос, то его скоростная характеристика смещается вправо от начала координат (рис.10, кривая 2). Это происходит вследствие существенных перетеканий масла внутри насоса из зоны повышенного давления через зазоры к нему на вход.

Рис. 10. Скоростная характеристика тихоходного шестерённого насоса

У насосов с боковым подводом масла при окружных скоростях шестерен более 10 м/с зависимость их производительности от частоты вращения шестерен становится нелинейной, т.к. межзубовые впадины не успевают заполняться маслом из-за сильного влияния центробежных сил (величина существенно уменьшается). Такая зависимость производительности быстроходного насоса от частоты вращения шестерен приведена на рис.11.

Рис. 11. Скоростная характеристика быстроходного насоса

9.2.2. Высотные характеристики

Зависимость производительности насоса от давления в его входной полости (Р_вх) называют высотной характеристикой.

У нагнетающего насоса, к которому масло поступает непосредственно из маслобака, с увеличением высоты полета производительность уменьшается. Это происходит вследствие того, что при пониженном давлении на входе в насос (менее 30 кПа) из масла начинает выделяться растворенный в нем воздух, который приводит к ухудшению заполняемости маслом межзубовых впадин.

При работе двигателя в составе летательного аппарата по мере набора высоты редукционный клапан насоса, поддерживая требуемое давление масла на входе в двигатель, будет постепенно прикрывать проходное сечение перепускного канала. И на высоте, при которой все масло из нагнетающего насоса идет в двигатель, редукционный клапан закрывается полностью. Для масляной системы эту высоту рассматривают в качестве расчетной. При ее превышении будет происходить уменьшение давления масла на входе в двигатель (вследствие дальнейшего понижения производительности нагнетающего насоса, приводящего к уменьшению величины прокачки масла через двигатель).

Таким образом, очевидно, что при прочих равных условиях, увеличение расчетной высоты в классической циркуляционной схеме масляной системы требует повышения запаса производительности нагнетающего насоса. При использовании короткозамкнутой схемы, в которой циркуляция масла происходит минуя маслобак, такой необходимости не возникает, т.к. подкачивающий насос во всем диапазоне возможных высот полета поддерживает на входе в нагнетающий насос избыточное давление (не менее 0,05МПа), и за счет этого не происходит уменьшения производительности последнего.

По условиям работы у откачивающих насосов основное отличие от нагнетающих состоит в том, что рабочим телом здесь является масловоздушная смесь с большим объёмным содержанием воздуха. Тем не менее, для обеспечения возможности сопоставления высотных характеристик различных по конструкции откачивающих насосов экспериментальные исследования проводят на дегазированном масле, определяя зависимость их производительности от давления на входе (при нескольких фиксированных оборотах шестерен и постоянной температуре масла).

В процессе снятия высотных характеристик откачивающих насосов важно определить зону возникновения «срывных» режимов, когда производительность насосов резко снижается до нуля. При окружных скоростях ~10м/с такие явления происходят в случае понижения абсолютного давления на входе в насос до уровня менее 10 кПа. Причиной резкого уменьшения производительности насосов в этих условиях является интенсивное выделение из масла растворенного в нем воздуха (а не масляные пары, давление которых пренебрежимо мало).

Следует отметить, что при низких окружных скоростях шестерен у насосов с боковым входом масла не происходит существенного уменьшения производительности на больших высотах. В соответствии с рекомендациями [14] для них допустимы следующие окружные скорости у вершин зубьев шестерён:

- не более 6 м/с до высоты 12 км;

- не более 4 м/с при высоте полёта более 12 км.

Безусловно, тихоходные насосы обеспечивают надежную откачку масла в высотных условиях, но они по сравнению с быстроходными имеют существенно худшие показатели по массе и габаритным размерам.

На рис.12 приведены высотные характеристики трех типов насосов при окружной скорости шестерен 25 м/с: обычного насоса с боковым подводом масла к шестерням, насоса с торцовым подводом масла через лопаточные решетки, прикрепленные к обеим шестерням (как показано на рис.13), и насоса, у которого дополнительно к лопаточной решетке на входе в каждую шестерню установлен шнек (рис.14). Уместно отметить, что конструкцию насоса со шнеколопа точным устройством предложил В.А. Рахальский (ЦИАМ).

Снятие высотных характеристик насосов производят в лабораторных условиях, создавая за счёт вакуумирования различные уровни входных давлений,

соответствующих конкректным высотам. Результаты именно таких испытаний представлены на рис.12. Но при этом необходимо иметь в виду, что в реальных условиях работы ГТД в полёте величину давления на входе в откачивающие насосы всегда поддерживают на более высоком уровне по сравнению с атмосферным давлением. Так, при полёте на высотах более 10 км внутри масляных полостей двигателя величина давления, как правило, имеет уровень, соответствующий атмосферному давлению на высоте 8-9 км. Используемые способы создания избыточного давления в системе суфлирования масляных полостей ГТД (с целью повышения надёжности откачки масла) приведены в [8].

Теоретические вопросы, относящиеся к выбору геометрических размеров шестерённых насосов, рассмотрены в [4]. Экспериментальное исследование характеристик шестерённых насосов производят в лабораториях, создавая соответствующие скоростные и высотные условия, а доводку всех насосов с проверкой их работоспособности и надёжности проводят в составе двигателей при испытании их как в стендовых условиях, так и на летательном аппарате.

Рис. 12. Зависимость относительной производительности различных типов насосов

от высотных условий (при м/c)

1 − насос с боковым входом масла; 2 − насос с торцевым входом (с лопаточным

устройством); 3 − насос со шнеколопаточным входным устройством.

9.3.Некоторые конструктивные особенности шестерённых насосов

Из рассмотрения представленных высотных характеристик видно, что лопаточные решетки (рис.13) и шнеколопаточные устройства (рис.14), предназначенные для принудительного заполнения маслом межзубовых впадин шестерён (за счет центробежных сил, налагаемых на поток масла перед поступлением его к шестерням), позволяют существенно повысить эффективность шестерённых насосов. Конструкция таких насосов показана, соответственно, на рис. 9 и рис.15.

Рис.13. Лопаточное устройство, прикрепляемое к шестерне

Ниже описаны типичные особенности конструкций шестерённых насосов и указаны материалы, используемые при их изготовлении. Шестерни насосов выполняют из сталей 12Х2Н4А или ВКС-4 с закалкой и последующей цементацией. Число зубьев у шестерён обычно находится в диапазоне от 8 до 14.

Рис. 14. Шестерня со шнеколопаточным устройством на входе

Модули зубьев чаще всего имеют значения от 3 до 5, но иногда используют зубья с модулями 6-7,5 (при больших модулях увеличивается объём межзубовых впадин шестерён, т.е. возрастает производительность насоса, но ухудшается его к.п.д. вследствие усложнения условий для заполнения маслом этих впадин ).

Рис.15. Конструкция насоса со шнеколопаточным входным устройством

Цапфы (валики) шестерён вращаются внутри бронзовых втулок, образующих подшипники скольжения. Втулки запрессовывают в корпус насоса (с натягом 0,03-0,07 мм), фиксируя каждую двумя штифтами или резьбовыми пробками для исключения возможности их проворота. Втулки изготавливают из оловянно-свинцовистой бронзы марки БрО10С10 (ТУ1-92-145-89), так как этот материал имеет отличные антифрикционные свойства в условиях высоких нагрузок и скоростей скольжения. Величина радиального зазора между валиком и втулкой выдерживают в диапазоне от 0,03 до 0,1мм (в зависимости от диаметральных размеров сопрягаемых элементов). В конструкции насоса предусмотрены каналы для осуществления непрерывной подачи в зазор чистого масла (из фильтра системы нагнетания). Иногда цапфы шестерён в насосах устанавливают на игольчатых подшипниках.

Корпусы и крышки насосов в зависимости от действующих нагрузок, от теплового состояния масла и климатических условий эксплуатации двигателей отливают из следующих сплавов: алюминиевого (АК-4), магниевого (МЛ9-Т6) или титанового (ВТ-20Л). Герметичность соединения корпуса и крышки насоса обеспечивают за счёт установки резиновых уплотнительных колец (или уплотнительных прокладок), а также за счёт тщательной обработки сопрягаемых поверхностей (контроль их прилегания проводят с использованием краски). Крышку с корпусом стягивают с помощью резьбового крепежа, равномерно размещенного в нескольких точках по периметру соединяемых деталей.

Некоторые особенности организации процессов подачи и откачки масла в ГТД.

В масляных системах ГТД нашли применение разнообразные по конструкции шестеренные насосы. Это связано не только с различным назначением двигателей, их размерностью, условиями эксплуатации (особенно высотными), но и с разнообразными традиционными подходами каждого из разработчиков, придерживающихся определенного стиля в проектировании масляных систем.

При этом шестерённые насосы, предназначенные для подачи масла в двигатель, имеют конструктивное отличие от откачивающих насосов.