Материал: Гидропневмопривод специальных технических систем. Учебное пособие. Бородкин В.В., Болдырев А.И

В роторном насосе жидкость вытесняется из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или вращательно- поступательного движения вытеснителей (шестерен, винтов, пластин, поршней).

По характеру движения входного звена объемные насосы разделяют на вращательные (с вращательным движением входного звена) и прямодействующие (с возвратно-поступательным движением входного звена).

Объемный гидропривод это совокупность объемных гидромашин, гидроаппаратуры и других устройств, предназначенная для передачи механической энергии и преобразования движения посредством жидкости. Термин объемный гидропривод включает в себя понятие объемной гидропередачи, как части объемного гидропривода, состоящей из насоса, гидродвигателя (одного или нескольких) и связывающих их трубопроводов - гидролиний. Таким образом, гидропередача - это силовая часть гидропривода, через которую протекает основной поток энергии.

2. 3. Общие свойства объемных гидромашин.

К общим свойствам объемных насосов, которые обусловлены их принципом действия и отличают их от насосов лопастных, относятся следующие.

1. Цикличность рабочего процесса и связанная с ней порционность и неравномерность подачи. Подача объемного насоса осуществляется не равномерным потоком, а порциями, каждая из которых соответствует подаче одной рабочей камеры.

2. Герметичность насоса, т.е. постоянное отделение напорного трубопровода от всасывающего (лопастные насосы герметичностью не обладают, а являются проточными).

3. Самовсасывание, т.е. способность объемного насоса создавать вакуум во всасывающем трубопроводе, заполненном воздухом, достаточный для подъема жидкости во всасывающем трубопроводе до уровня расположения насоса. Высота всасывания жидкости при этом не может быть больше предельно допустимой. Лопастные насосы без специальных приспособлений не являются самовсасывающими.

4. Жесткость характеристики, т.е. крутизна ее в системе координат Н (или р) по Q, что означает малую зависимость подачи насоса Q от развиваемого им давления. Идеальная подача совсем не зависит от давления насоса (характеристики лопастных насосов обычно пологие).

5. Независимость давления, создаваемого объемным насосом, от скорости движения рабочего органа насоса и скорости жидкости. В принципе при работе на несжимаемой жидкости объемный насос, обладающий идеальным уплотнением, способен создавать сколь угодно высокое давление, обусловленное нагрузкой, при сколь угодно малой скорости движения вытеснителей. Для получения высоких давлений с помощью лопастного насоса требуются большие частоты вращения колеса и большие скорости жидкости.

Объемные гидродвигатели в основном имеют те же свойства, что и объемные насосы, но с некоторыми отличиями, обусловленными иной функцией двигателей. Объемные гидродвигатели также характеризуются цикличностью рабочего процесса и герметичностью. Жесткость характеристик объемных гидродвигателей заключается в малой зависимости скорости выходного звена от нагрузки на этом звене (усилия на штоке гидроцилиндра и момента на валу гидромотора).

2.4. Величины, характеризующие рабочий процесс в объемных насосах.

Основной величиной, определяющей размер объемного насоса (объемного гидродвигателя) является его рабочий объем.

Рабочий объем насоса и частота его рабочих циклов определяют идеальную подачу. Идеальной подачей объемного насоса называют подачу в единицу времени несжимаемой жидкости при отсутствии утечек через зазоры. Осредненная по времени идеальная подача определяется по формуле

, (2.1)

где V₀ - рабочий объем насоса, т.е. идеальная подача насоса за один цикл (один оборот вала насоса);

n - частота рабочих циклов насоса (для вращательных насосов частота вращения вала);

V_k - идеальная подача из каждой рабочей камеры за один цикл;

z - число рабочих камер в насосе;

k - кратность действия нacoca, т.е. число подач из каждой камеры за один рабочий цикл (один оборот вала).

Таким образом рабочий объем насоса

. (2.2)

Чаще всего k = 1, но в некоторых конструкциях k = 2 и более.

Действительная подача насоса меньше идеальной вследствие утечек через зазоры из рабочих камер и полости нагнетания, а при больших давлениях насоса еще и за счет сжимаемости жидкости.

Отношение действительной подачи Q к идеальной называется коэффициентом подачи:

, (2.3)

где q_y - расход утечек;

q_сж - расход сжатия.

Когда сжатие жидкости пренебрежимо мало, коэффициент подачи равен объемному КПД насоса ( ):

. (2.4)

Полное приращение энергии жидкости в объемном насосе обычно относят к единице объема и, следовательно, выражают в единицах давления. Так как объемные насосы предназначены в основном для создания значительных приращений давления, то приращением кинетической энергии в насосе обычно пренебрегают. Поэтому давление насоса представляет собой разность между давлением р₁ на выходе из насоса и давлением р₂ на входе в него

, (2.5)

а напор насоса

.

Полезная мощность насоса

. (2.6)

Мощность, потребляемая вращательным насосом (затрачиваемая приводящим двигателем)

, (2.7)

где М_Н - момент на валу насоса;

- угловая скорость его вала.

КПД насоса есть отношение полезной мощности к мощности, потребляемой насосом

. (2.8)

Подобно тому, как это принято для лопастных насосов, для объемных насосов различают гидравлический , объемный и механический КПД, учитывающие три вида потерь энергии: гидравлические - потери напора (давления), объемные - потери на перетекание жидкости через зазоры, и механические - потери па трение в механизме насоса

; (2.9)

; (2.10)

, (2.11)

где - индикаторное давление, создаваемое в рабочей камере насоса и соответствующее теоретическому напору в лопастном насосе;

- потери мощности на трение в механизме насоса;

- индикаторная мощность, сообщаемая жидкости в рабочей камере и соответствующая гидравлической мощности в лопастных насосах.

Умножим и разделим на уравнение (2.8) и произведем перегруппировку множителей.

Получим

, (2.12)

т.е. КПД насоса (общий) равен произведению трех частных КПД - гидравлического, объемного и механического.

2.5. Общие свойства роторных насосов, их классификация.

К насосам, применяемым в гидроприводах и других гидросистемах, предъявляют высокие требования, основными из которых являются: малая удельная масса и объем, приходящиеся на единицу мощности, высокий КПД, возможность регулирования и реверса подачи, а также высокая быстроходность и большая надежность. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют роторные насосы.

Как указывалось выше, к роторным относятся объемные насосы с вращательным или вращательно-поступательным движением рабочих органов-вытеснителей. Жидкость в этих насосах вытесняется в результате вращательного (в шестеренных и винтовых насосах) или вращательного и одновременно возвратно-поступательного движения вытеснителей относительно ротора (в роторно-поршневых и пластинчатых насосах). Особенностью рабочего процесса таких насосов является и то, что при вращении ротора рабочие камеры переносятся из полости всасывания в полость нагнетания и обратно. Перенос рабочих камер с жидкостью делает излишними всасывающие и нагнетательные клапаны.

Отсутствие всасывающих и нагнетательных клапанов в роторных насосах является основной конструктивной особенностью, которая отличает их от поршневых насосов.

Роторный насос обычно состоит из трех основных частей: статора (неподвижного корпуса), ротора, жестко связанного с валом насоса и вытеснителя (одного или нескольких). В некоторых роторных насосах ротор одновременно является и вытеснителем. В этих случаях в насосе должны быть еще подвижные элементы, называемые замыкателями, которые обеспечивают необходимую герметизацию рабочих камер. Например, в трехвинтовых насосах ведущий винт является одновременно ротором и вытеснителем, а два ведомых винта не нагружены моментами и выполняют функцию замыкателей.

Рабочий процесс роторного насоса складывается из трех этапов: заполнение рабочих камер жидкостью; замыкание (изоляции) рабочих камер и их перенос; вытеснение жидкости из рабочих камер.

Основными свойствами роторных насосов, вытекающими из специфики их рабочего процесса и отличающими их от поршневых насосов являются следующие.

1. Обратимость, т.е. способность роторных насосов работать в качестве гидродвигателей (гидромоторов). Это означает, что жидкость, подводимая к насосу под давлением, заставляет вращаться ротор и вал. Поршневые насосы этой способностью не обладают.

2. Большая быстроходность. Максимально допустимые значения частоты вращения для роторных насосов п = (2 - 5) 10³ об/мин, причем нижний предел соответствует большим насосам, а верхний - малым. Для поршневых насосов эти значения в несколько раз меньше.

3. Способность работать только на чистых (отфильтрованных и не содержащих абразивных и металлических частиц), неагрессивных и смазывающих жидкостях. Эти требования к жидкости обусловлены малыми зазорами в роторном насосе и трением между обработанными по высшим классам точности и чистоты поверхностями статора, ротора и вытеснителей.

Если первые два свойства роторных насосов являются их преимуществами, то третье свойство ограничивает применение этих насосов. Работа насосов на воде исключается, так как вода вызывает коррозию и ведет к быстрому изнашиванию рабочих органов.

На рис. 2.2 представлена классификация роторных насосов, соответствующая ГОСТ 17398-72.

Рис. 2.2. Классификация роторных насосов

По характеру движения вытеснителей роторные насосы разделяют на роторно-вращательные и роторно-поступательные; в первых рабочие органы совершают лишь вращательное движение, а во вторых - одновременно с вращательным еще и возвратно- поступательное движение относительно ротора.

Роторно-вращательные насосы разделяют на зубчатые и винтовые. В зубчатых насосах ротор и вытеснитель имеют форму зубчатых колес, а жидкость перемещается в плоскости их вращения. В винтовых насосах ротор имеет форму винта, который одновременно выполняет функцию вытеснителя, а жидкость в насосе перемещается вдоль осей вращения винтов. Основной разновидностью зубчатых насосов являются шестеренные.

К роторно-поступательным относятся шиберные (в основном пластинчатые) и роторно-поршневые насосы. Различие между ними заключается не только в форме вытеснителей (пластин и поршней) и характере движения жидкости в насосе, но и в способе ограничения (образования) рабочих камер. Если в пластинчатом насосе рабочие камеры ограничиваются двумя соседними вытеснителями (пластинами) и поверхностями ротора и статора, то в роторно-поршневых насосах они образованы внутри ротора и замыкаются вытеснителями.

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

2.6. Характеристики роторных насосов.

Характеристикой объёмных насосов, в том числе роторных, называют (в отличие от характеристики насосов лопастных) зависимость подачи насоса от его давления при постоянной частоте вращения вала. Так как идеальная подача объёмного насоса определяется его рабочим объёмом и частотой вращения, теоретическая характеристика насоса в указанной системе координат изображается горизонтальной прямой (рис. 2.3, а).

Действительная подача насоса отличается от идеальной на величину утечек через неплотности рабочих камер – зазоры – из полости нагнетания в полость всасывания (внутренние утечки) и наружу (внешние утечки).Таким образом, Q = Q_и – q_у. Так как уплотняющие зазоры в насосах малы и протяженны, а вязкость жидкости обычно значительна, режим течения жидкости в этих зазорах , как правило, ламинарный, поэтому при не очень высоких давлениях для

Рис. 2.3. Характеристики роторного насоса

утечек справедлив закон сопротивления Пуазейля (для зазора). Следовательно, расход утечек

q_y = Ap_н/, (2.13)

где A – величина, зависящая от конструкции насоса и зазоров; ее можно считать постоянной для данного насоса;  - динамическая вязкость жидкости.

3. Конструктивные схемы и типовые рабочие характеристики объемных насосов

3.1. Поршневые насосы.

Поршневые насосы с кривошипно-шатунным приводом и клапанной системой распределения относятся к машинам, используемым еще в глубокой древности. Их применение для целей водоснабжения известно со II в. до н. э., однако и в наши дни они являются одним из основных широко распространенных типов машин для перемещения жидкостей.

По конструкции вытеснителя поршневые насосы подразделяют на собственно поршневые (рис. 3.1) и плунжерные.

Рис. 3.1. Схема поршневого насоса с дифференциальным поршнем

В поршневом насосе поршень 4 перемещается в гладко обработанном цилиндре 5. Уплотнением поршня служит сальник 3 (вариант I) или малый зазор (вариант II) со стенкой цилиндра. В плунжерном насосе гладкий плунжер перемещается в рабочей камере свободно, а уплотнение 7 размещено неподвижно в корпусе камеры. Так как точная обработка внутренних поверхностей более трудоемка, чем внешних, а доступность ремонта и замена неподвижного наружного уплотнения более просты, чем подвижного внутреннего, плунжерные насосы всегда предпочтительнее, чем поршневые, если особые конструктивные и эксплуатационные требования не исключают их применения. Как указывалось, в дальнейшем оба типа насосов, несмотря на различие в форме вытеснителей будут именоваться поршневыми.

Приводные механизмы поршневых насосов принято разделять на кривошипные и кулачковые. В последних поршень упирается во вращающийся кулачок-эксцентрик через ролик или шарнирную опору скольжения - башмак.

Кулачковые насосы позволяют удобно располагать около общего приводного вала несколько качающих узлов, соединенных параллельно с общим подводом и отводом, и получать тем самым непрерывную и выровненную подачу. Из-за обилия пар трения (поршень - цилиндр, поршень - шаровой шарнир башмака, башмак - эксцентрик) такие насосы наиболее пригодны к использованию для работы на смазывающих неагрессивных и чистых жидкостях.

Кривошипный механизм позволяет удобно отделить приводную часть от качающей и обеспечить приводную часть отдельной системой смазки. Если при этом применен выносной ползун 9, то на поршень 8 не действуют боковые контактные силы и уплотнение 7 не изнашивается. Такой насос способен перекачивать любые, в том числе загрязненные жидкости и взвеси.

Идеальная подача каждого качающего узла определяется рабочим объемом

, (3.1)

и частотой вращения n вала

, (3.2)

где h = 2r - полный ход поршня;

- площадь поршня.

Если в насосе z качающих узлов, то

. (3.3)

При эксплуатации часто желательно изменять подачу, оставляя постоянным п, так как регулируемые двигатели дорогие. Можно изменять подачу, отводя часть жидкости из напорной линии обратно во всасывающую, например, через перепускной клапан, который при этом делают управляемым. Это неэкономично, так как вся энергия, сообщенная отводимой жидкости, рассеивается в виде тепла при дросселировании в клапане. Наиболее экономично изменять Q_и путем изменения на ходу насоса радиуса кривошипа r и, следовательно, его рабочего объема V₀. Конструктивно такие системы сложны и применяются ограниченно, поэтому регулируемые поршневые насосы мало распространены. Достаточно просто бесступенчатое регулирование подачи осуществляется в роторно-поршневых гидромашинах.