РОТОРНЫЕ НАГНЕТАТЕЛИ

Роторные насосы

В отличие от поршневых вытеснение жидкости в ротор­ных нагнетателях происходит из рабочих камер, совер­шающих вращательное движение. Вытеснители этих на­гнетателей совершают вместе с ротором вращательное движение. Вытеснение жидкости производится либо в результате вращательного, либо вращательного и воз­вратно-поступательного движения вытеснителей.

В соответствии со сказанным роторной гидромашиной называют машину, у которой подвижные элементы, образующие рабочую камеру, совершают вращательное движение. Рабочая камера роторного нагнетателя огра­ничивается поверхностью статора, ротора и вытеснителя.

По характеру движения рабочих органов роторные нагнетатели бывают роторно-вращательными и роторно-поступательными. К первым относятся такие нагне­татели, в которых вытеснители вместе с ротором совер­шают вращательное движение. К этому классу нагне­тателей относятся зубчатые (шестерные) и винтовые. В зубчатых нагнетателях рабочие камеры вместе с жидкостью перемещаются в плоскости, перпендикуляр­ной оси вращения ротора, а в винтовых - вдоль оси вращения.

К возвратно-поступательным относятся такие нагне­татели, в которых вытеснители, вращаясь вместе с ро­тором, одновременно совершают возвратно-поступатель­ные движения. К этому классу нагнетателей относятся шиберные (пластинчатые) и роторно-поршневые (ра­диальные и аксиальные). В роторно-поршневых нагне­тателях вытеснителями обычно служат поршни или плунжеры, которые располагаются либо радиально (их перемещение направлено вдоль радиуса вращения рото­ра), либо аксиально (их перемещение направлено па­раллельно оси вращения ротора). Все роторно-поступательные нагнетатели могут выполняться как регулируе­мыми, т. е. с изменяемым объемом рабочей камеры, так и нерегулируемыми. Все роторно-вращательные нагнета­тели выполняются нерегулируемыми.

Отличительной особенностью роторных нагнетателей является отсутствие всасывающих и напорных клапа­нов. Это объясняется тем, что в роторных нагнетателях рабочий орган захватывает в полости всасывания неко­торый объем жидкости, который перемещается вместе с рабочим органом к полости нагнетания, куда жид­кость вытесняется под действием некоторого давления. В соответствии с этим основными параметрами ротор­ных нагнетателей являются: рабочий объем , подача Q, давление нагнетания р, крутящий момент М, мощ­ность N, а также объемный и механический КПД.

Зависимость подачи Q нагнетателя от давления рпри всех прочих равных условиях (частоте вращения ротора, температуре, вязкости жидкости и т. д.) назы­вают характеристикой нагнетателя.

Рабочий объем роторного нагнетателя выражается через объем одной рабочей камеры v₀ и число рабочих камер

= v₀ .

Тогда теоретическая минутная подача роторного на­гнетателя при частоте вращения ротора nопределится

. (47)

При работе роторных насосов сопротивление всасы­вающей линии может привести в зависимости от зна­чения абсолютного давления к появлению кавитации, что приводит к разрыву потока. Такой режим работы насоса особенно реален при высокой частоте вращения. Действительно, при увеличении частоты вращения рото­ра возрастает количество жидкости, проходящей через подводящие каналы и узел распределения (распредели­тельные окна), и, следовательно, увеличиваются потери напора. Количественное сравнение действительных уте­чек жидкости с условными показывает, что последние могут составить до 75% всех объемных потерь.

Шестеренные насосы являются одним из старейших представителей роторных гидромашин с вытеснителями в виде зубчатых колес. По характеру процесса вытеснения эти насосы относятся к классу роторно-вращательных машин, где вытесняемая жидкость, двигаясь в плоскости, перпендикулярной оси вращения, переносится из всасывающей полости в нагнетательную полость насоса. Вытеснители при этом совершают лишь вращательное движение.

Шестеренные насосы выполняются с шестернями внутреннего и внешнего зацепления. Наиболее распро­страненным типом шестеренного насоса является насос с шестернями внешнего зацепления. Такой насос состоит из пары защемляющихся одинаковых цилиндрических шестерен - ведущей и ведомой, помещенных в плотно охватывающий их корпус, называемый статором. При вращении шестерен жидкость, заключенная во впадинах зубьев, переносится из полости всасывания в полость нагнетания, которая образо­вана корпусом насоса и зубьями. Разность объемов жидкости, находящейся под давлением, вытесняется в нагнета­тельную линию насоса.

Шестеренные насосы с шестернями внешнего зацеп­ления просты по конструкции и надежны, имеют ма­лые габариты и массу. Чаще всего применяются насо­сы, состоящие из пары прямозубых шестерен 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 применяют мно­гоступенчатые шестеренные насосы. Подача каждой по­следующей ступени этих насосов меньше подачи преды­дущей. Для отвода излишка жидкости каждая ступень имеет перепускной клапан, отрегулированный на соот­ветствующее максимально допустимое давление. Мак­симальное давление, развиваемое этими насосами, обычно 10 МПа (100 а) и реже 20 МПа (200 а).

Рис. 55. Шестеренный насос с шестернями внутреннего зацепления

Шестеренные насосы с шестернями внутреннего за­цепления (рис. 55) применяют при небольших давле­ниях (до 7 МПа). Они отличаются компактностью и малыми габаритами по сравнению с насосами внешне­го зацепления. При той же подаче жидкость, запол­няющая межзубовые впадины шестерен, переносится в полость нагнетания, где выдавливается через радиаль­ные сверления в донышках впадин внешней (кольце­вой) шестерни. Ведущей шестерней является шестерня с внутренними зубьями, связанная с приводным валом. Эта шестерня посажена на своей внешней поверхности в подшипник скольжения. Для отделения полостей вса­сывания и нагнетания в насосах, представленных на рис. 55, применен серпообразный разделительный эле­мент с. При развороте этого элемента на 180° (рис. 55,б) происходит реверсирование подачи (на рис. 55 направление движения жидкости указано стрелками).

Винтовые насосы представляют собой одну или нес­колько пар зацепляющихся винтов, плотно посаженных в расточки корпуса. Наиболее распространенными явля­ются трехвинтовые насосы (рис. 56), имеющие три двухзаходных винта, из которых средний - ведущий, а два других - ведомые. Направление нарезки на веду­щем и ведомых винтах противоположное. При враще­нии винтов их нарезки, взаимно замыкаясь, отсекают во впадинах некоторый объем жидкости и перемещают его вдоль оси к напорному патрубку. Поскольку на­резки винтов, выполняющие в этих насосах роль порш­ней, движущихся непрерывно в одном направлении, пульсация подачи в насосе практически отсутствует. Для компенсации осевых сил применяют гидравличе­скую разгрузку, осуществляемую с помощью давления жидкости, подводимой в камеры со стороны торцов а и bосей винтов.

Рис. 56. Трехвинтовой насос

Винтовые насосы обычно выпускают с винтами цик­лоидного профиля, благодаря чему обеспечивается бо­лее высокая герметичность, чем у этих же насосов, но с винтами иных профилей (прямоугольного и трапецеи­дального).

Трехвинтовые насосы допускают высокие частоты вращения, доходящие до 18000 об/мин, и выпускаются на подачу до 15 м³/мин. Эти насосы имеют высокий КПД (0,8-0,85) и способны развивать давление до 20 МПа.

Расчетная подача трехвинтового насоса при частоте вращения nравна:

,

где F -площадь сечения расточек корпуса под винты диаметром Dи d;f -площадь сечения винтов (заштрихованная часть); t-шаг винта.

Характеристики винтовых насосов мало отличаются от характеристик шестеренных.

Шиберные (пластинчатые) насосыотносятся к груп­пе машин, в которых вытеснители выполнены в виде пластин (шиберов), помещенных в радиальных проре­зях вращающегося ротора, а вытесняемые объемы за­мыкаются между двумя соседними вытеснителями и поверхностями статора и ротора.

На рис. 57 приведена схема пластинчатого насоса однократного действия. В корпусе насоса, внутренняя поверхность которого имеет цилиндрическую форму, эксцентрично расположен ротор, представляющий со­бой цилиндр с прорезями (пазами), выполненными ли­бо радиально, либо под небольшим углом к радиусу. В прорезях находятся прямоугольные пластины - вытеснители, которые при вращении ротора совершают относительно него возвратно-поступательное движение. Под действием центробежных сил или спе­циальных устройств пластины прижимаются к внутрен­ней поверхности статора и скользят по ней. При вра­щении ротора в направлении, указанном стрелкой, жидкость через окно, расположенное на периферии статора, поступает в насос из всасывающего патрубка и через противоположное окно подается в нагнетатель­ный патрубок (окна на рисунке не показаны). Рабо­чие камеры в насосе ограничены двумя соседними пла­стинами и поверхностями статора и ротора. Уплотнение ротора и пластин с торцов осуществляется плавающим диском, который давлением жидкости прижимается к ротору. Для отделения всасывающей полости от нагне­тательной в статоре имеются уплотнительные перемыч­ки, размер которых должен быть несколько больше расстояния между краями двух соседних пластин.

Рис. 57. Схема пластинчатого насоса однократного действия

Регулирование рабочего объема и реверс подачи пла­стинчатого насоса однократного действия осуществля­ются изменением величин и знака эксцентриситета, для чего необходим специальный механизм, смещающий центральную часть статора относительно ротора. В по­ложении, показанном на рис. 57, а, насос установлен на максимальный эксцентриситет e, что соответствует мак­симальной подаче в положении, показанном на рис. 57,б, значение е = 0 и Q=0; в положении, пока­занном на рис. 57, в, максимальный эксцентриситет обратного знака и соответственно максимальная пода­ча противоположного направления.

Описанные выше шиберные насосы одинарного дей­ствия в основном применяются для гидросистем, не тре­бующих высоких давлений (до 5 МПа). Недостатком этих машин является трудность герметизации вытеснителей, особенно со стороны торцов, а также большая нагрузка на ось ротора и пластины от сил давления жидкости. Поэтому больше распространены нерегули­руемые шиберные насосы двухкратного действия, кото­рые обладают более высоким рабочим объемом и КПД. Благодаря уравновешенности радиальных сил давления жидкости на пластинчатый ротор шиберные насосы вы­пускаются для работы при давлении до 14 МПа.

Статорное кольцо шиберного насоса двойного дейст­вия (рис. 58) имеет фасонный профиль. Оно выполнено так, что участки кривой, «расположенные между окнами питания 1, 3, 4 и 7, прорезанными в боковых крышках насоса, являются дугами кругов, описанных из центра ротора 5, аучастки, приходящиеся на эти окна, плавно сопряжены между собой. При вращении ротора 5 плас­тины 2 прижимаются к профильной поверхности стато­ра под действием центробежной силы. Из схемы, при­веденной на рис. 58, видно, что каждая пластина за один оборот ротора нагнетает жидкость 2 раза.

Рис. 58. Схемы пластинчатого насоса двойного действия с наклонным (левый рис.) и радиальным (правый рис.) расположением пластин

Пазы в роторе, в которых перемещаются пластины, обычно выполняют либо радиальными, ли­бо под углом к радиусу. Наклонное распо­ложение пазов обусловлено тем, что подбором величи­ны угла можно в желаемом направлении изменить дей­ствие сил реакции, которая в этом случае будет дейст­вовать на пластину так, что силы трения практически не будут вызывать изгибающих напряжений. Таким об­разом, благодаря наклону пластин улучшаются условия движения их в пазах, однако наклонное их положение исключает возможность реверса насоса. Ввиду этого в реверсивных насосах прорези под шиберы выполняют­ся радиальными.

Для приближенного вычисления подачи насоса мож­но пользоваться выражением:

.

Радиально-поршневой насоспредставляет собой гид­ромашину, у которой оси поршней или плунжеров пер­пендикулярны оси вращения ротора или составляют с ней углы более 45°. В роторных радиально-поршневых насосах жидкость вытесняется из рабочих камер (ци­линдров) в процессе вращательно-поступательного дви­жения вытеснителей (поршней, плунжеров).

Принципиальная схема регулируемого радиально-поршневого насоса приведена на рис. 59. В неподвижном статоре 1 находится подвижная обойма 2, внутри которой устанавливается цилиндрический блок-ротор 6 споршнями (плунжерами) 4, выполняющими роль вытеснителей. Роль распределительного устройства выпол­няет пустотелая ось с уплотнительной перегородкой 5, на которой помещается вращающийся ротор. При его вращении в направлении, указанном стрелкой, рабочие камеры своими каналами поочередно соединяются с от­верстием 3, через которое жидкость подается в насос, и с отверстием 7, через которое происходит нагнетание жидкости. Каналы рабочих камер при прохождении их через нейтральное положение перекрываются уплотнительной перегородкой. Головки поршней прижимаются к внутренней поверхности обоймы либо центробежной силой, либо специальными пружинами.

Рис. 59. Принципиальная схема регулируемого радиально-поршневого насоса

Подача такого нагнетателя регулируется путем перемещения обоймы 2 в статоре.

Число цилиндров в насосе Z₀ в одном ряду обычно равно 5-7 и реже 9. Цилиндры насоса могут распола­гаться в несколько рядов (обычно не более трех), бла­годаря чему достигается увеличение подачи и ее боль­шая равномерность. Кроме того, для увеличения пода­чи применяются нагнетатели многократного действия, в которых статорное кольцо (обойма) имеет специальный профиль.

Аксиально-поршневые нагнетатели - это роторные машины, у которых рабочие камеры вращаются относи­тельно оси ротора, а оси поршней (или плунжеров) па­раллельны оси вращения или составляют с ней угол меньше 45°. Нагнетатели этого типа бывают двух раз­новидностей: с наклонным блоком и наклонным диском. У первых ось вращения ведущего вала и ось ротора пе­ресекаются, образуя угол; у вторых – оси ведущего вала и ротора совпадают, т. е. у таких гидромашин ведущее звено и ротор расположены на одной оси.

Большое распространение получили нагнетатели с наклонным блоком и двойным несиловым карданом (рис. 60). Такой насос состоит из блока цилиндров (барабана) 2 с поршнями 3, связанными с помощью шатунов 4 с наклонной шайбой 5, угол наклона g, оси которой относительно оси блока цилиндров определяет величину хода поршней. В рассматриваемой схеме блок цилиндров вращается вокруг своей оси, вследствие чего упрощается распределение жидкости, которое обычно осуществляется через серпообразные окна а и b, выпол­ненные в неподвижном опорно-распределительном дис­ке 1, и каналы 7 блока, цилиндров 2. В мертвых точках поршней отверстия каналов каждого цилиндра перекры­ваются нижней и верхней разделительными перемычка­ми, расположенными между распределительными окна­ми а и b, ширина 5 которых несколько превышает диаметр канала 7. Приводной вал (и, следовательно, диск 5) связан с блоком цилиндров 2 с помощью двой­ного кардана 6.

Рис. 60. Конструктив­ная схема аксиально-поршневого насоса с двойным несиловым кар­даном

В последнее время широкое распространение полу­чили аксиально-поршневые машины с наклонным бло­ком бескарданного типа, при применении ко­торых появляется возможность уменьшить диаметр бло­ка цилиндров, а также улучшаются вибрационные ха­рактеристики. Крутящий момент передается с помощью поршневых шатунов, входящих внутрь поршней.

Наиболее перспективными, особенно при работе с не­большими мощностями, являются насосы с наклонным диском. В таком насосе отсутствуют как карданная, так и шатун­ная связь наклонного диска с поршневым блоком.

Насосы с аксиальным расположением цилиндров применяются для работы при давлениях до 35 МПа, они имеют высокий объемный КПД, который для большин­ства моделей равен 0,97-0,98.

Для всех аксиально-поршневых нагнетателей харак­терно торцевое распределение жидкости, т. е. наличие устройства, обеспечивающего попеременное сообщение рабочих камер с полостями всасывания и нагнетания, а также замыкание рабочих камер в мертвых точках. Это устройство представляет собой дугообразные окна (а и bна рис. 60), выполненные в неподвижном упорно-распределительном диске, одно из которых является всасывающим, другое - напорным.

Для изменения рабочего объема в регулируемых аксиально-поршневых нагнетателях вручную или авто­матически (в зависимости от давления насоса) изменяет угол наклона блока цилиндров или диска.