КОНСТУКЦИИ НАСОСОВ. Центробежные насосы

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАСОСОВ

Гидромашины – это агрегаты, преобразующие механическую энергию в гидравлическую энер-гию потока жидкости (насосы) или энергию потока – в механическую (гидротурбины, гидро-моторы).

Рис. 2.1.

Классификация насосов

Большинство гидромашин обратимы: они могут рабо-тать как в режиме насоса, так и в режиме гидродви-гателя, если конструктивно изготовлены такими.

Чаще всего гидромашины делают специализирован-ными: или насос, или гидродвигатель.

Для водоснабжения и водоотведения применяют в основном лопастные насосы – центробеж-ные и осевые, реже –поршневые (или плунжерные).

Вихревые насосы применяют для перекачки двухфазных сред, маловязких жидкостей (спирты, топлива, кислоты и др.), сжиженных газов и химически агрессивных сред.

Роторные гидромашины применяют в гидроприводах технологических и транспортно-техно-логических машин, станков и оборудования.

2.1. Основные виды насосов

2.1.1. Насосы динамического действия (лопастные).

На рис. 2.2. показана схема консольного центробежного насоса, состоящего из рабочего колеса 1 с криволинейными лопастями, насаженного на вал 2, установленный в подшипниках 5, и ка-меры 3, в которой располагается рабочее колесо. Жидкость поступает в насос через входной патрубок 4 (ВП) к центральной части колеса и выбрасывается из него в спиральную камеру – отвод 3, переходящую в диффузор (напорный патрубок НП).

Рис. 2.2. Схема консольного центробежного

насоса:

1-рабочее колесо;

2-вал;

3-отвод;

4-входной патрубок;

5-подшипники

Рабочее колесо вращается в направлении n. Динамическое воздействие лопастей на жидкость приводит к тому, что давление в напорном патрубке НП больше, чем во входном ВП. Так насос создает напор Н, зависящий от частоты вращения n.

Кроме консольных, существуют насосы с двухсторонним входом и многоступенчатые насосы.

На рис. 2.3. показана схема осевого насоса. Его рабочее колесо 1 состоит из втулки а, на кото-рой укреплено несколько лопастей б (4…6 шт). Вал 2 вращается в подшипниках 3 и 4, причем нижний подшипник опирается на радиально поставленные лопасти (решетку), так называемый направляющий аппарат 5. Рабочее колесо и направляющий аппарат размещены в трубчатом корпусе 6, по которому заби-рается и отводится жидкость, перекачиваемая насосом.

Рис. 2.3. Схема осевого насоса:

1-рабочее колесо;

2-вал;

3 и 4 подшипниковые узлы;

5-направляющий аппарат;

6-корпус насоса

Форму лопастей рабочего ко-леса и направляющего аппа-рата можно рассмотреть на развертке цилиндрического сечения с, показанной справа. Лопасти б движутся в нап-равлении n. Жидкость подходит к ним, имея почти осевое движение, а с выходных кромок она выбрасывается, имея косое направление по винтовой линии.

Лопатки направляющего аппарата 5 исправляют течение опять на осевое, что способствует уменьшению гидравлических потерь и увеличивает напор Н насоса.

2.1.2. Насосы трения.

К насосам трения относятся вихревые и струйные насосы.

Вихревой насос, схема которого показана на рис. 2.4. состоит из рабочего колеса 1 и корпуса 2 с кольцевой камерой, имеющей перемычку 3. Короткие прямолинейные лопатки рабочего колеса частично перекрывают цилиндрический канал и при вращении жидкость увлекается лопатками и одновременно действием центробежных сил закручивается, как показано на раз-резе А-А.

Рис. 2.4. Схема вихревого насоса:

1-рабочее колесо;

2-корпус с кольцевой камерой;

3-перемычка

Таким образом, по кольцевой камере, движется спаренный вихревой валец, создающий «сцепление» жидкости с рабочим колесом и заставляющий ее двигаться от входного отверстия к выходному.

В отличие от центробежных насосов, вихревые насосы создают значительно бóльший напор Н, но при меньшем расходе.

Поршневые насосы – относятся к числу объемных насосов, в которых перемещение жидкости осуществляется путем ее вытеснения из неподвижных рабочих камер вытесните-лями.

Рабочей камерой объемного насоса называют ограниченное пространство, попеременно сообщающееся со входом и выходом насоса.

Вытеснителем называется рабочий орган насоса, который совершает вытеснение жидкос-ти из рабочих камер (плунжер, поршень, диафрагма).

Поршневые насосы классифицируют по следующим признакам:

- по типу вытеснителей: плунжерные, поршневые и диафрагменные;

- по характеру движения ведущего звена: с возвратно-поступательным движением (криво-шипные) и вращательным движением (кулачковые);

- по числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход (одностороннего и двухстороннего действия);

- по количеству поршней: однопоршневые, двухпоршневые и многопоршневые.

Рассмотрим работу поршневого насоса на примере насоса с дифференциальным поршнем, рис. 7.11.

Рис. 7.11. Дифференциальный поршневой насос:

1- цилиндр; 2- поршень;

3- шток; 4- кривошипно-

шатунный механизм;

5- всасывающая линия;

6- напорная линия; 7- клапаны; 8- гидроаккумулятор.

В дифференциальном насосе поршень 2 перемещается в гладко обработанном цилиндре. 1. Уплотнением поршня служит малый зазор или специальное манжетное уплотнение.

Насос имеет два клапана - всасывающий (внизу) и нагнетательный (вверху) 7.

Всасывание происходит при ходе поршня 2 влево, а нагнетание за оба хода.

При всасывании из штоковой полости жидкость вытесняется в напорную линию 6. Поршне-вая полость больше штоковой и при ходе вправо, вытесненной жидкости хватает и для за-полнения штоковой полости и для подачи в напорную линию.

Рассмотрим кинематику насоса с кривошипно-шатунным механизмом.

Если учесть, что длина шатуна значительно больше кривошипа, то изменением его про-екции на ось х можно пренебречь. Тогда проекция кривошипа на ось х будет определять перемещение поршня в пределах L: х = r·Cos ωt, а производная перемещения по времени даст скорость поршня:

(7.18)

Если выражение (7.18) умножить на площадь поршня s, получим формулу текущей идеа-льной подачи: Q_ит= 0,5 Ls·ω·Sin ωt (7.19)

Из графика идеальной текущей подачи, рис. 7.12, видно, что расход насоса имеет пульсирующий характер. Для сглажи-вания пульсации применен гидроак-кумулятор, то поглощающий, то от-дающий часть вытесненной насосом жидкости.

Рис. 7.12. График подачи дифференциального насоса

При прямом ходе поршня (вправо) объем жидкости, поступающий в напорную линию, будет равен:

(7.19)

– объем жидкости, вытесняемый из поршневой полости, – объем жидкости, поглощаемый штоковой полостью (d – диаметр штока, D – диаметр поршня).

При обратном ходе поршня (влево) объем жидкости, поступающий в напорную линию из штоковой полости, будет равен:

(7.20)

Что бы выровнять подачу следует обеспечить равенство объемов, подаваемых при пря-мом и при обратном ходах. При этом должно выполняться условие:

Или: D² = 2d². (7.21)

Выравнивание импульсов подач по амплитуде дает эффект, но пульсация все равно остается значительной. Это общий недостаток поршневых насосов.

Снизить пульсацию до приемлемого уровня можно только во много-поршневых гидромашинах.

Работа клапанной системы.

Конструктивно нагнетательные и напорные клапаны примерно одина-ковы, но всасывающие клапаны, для облегчения протока жидкости де-лают больше по размеру.

Клапан 1 представляет собой запорный элемент в виде тарелки, подпертый пружиной 2, рис. 7.13. В открытом состоянии запорный элемент образует с седлом 3 кольцевой зазор, через который жидкость перетекает из подклапанной полости в надклапанную.

Рис. 7.13. Схема работы клапана (4- направляющая, 5- шток клапана)

Кольцевой зазор определяет расход жидкости Q_к, зависит от жесткости пружины с, веса тарелки G и перепада давлений ΔР.

Струйный насос (инжектор, эжектор) отличается от всех рассмотренных выше тем, что у него нет подвижных частей, а рабочим органом является сама жидкость, рис. 2.5.

Рис. 2.5. Схема струйного насоса:

1- напорное устройство;

2- сопло;

3 и 4 - камера смешения;

5- диффузор

Насос состоит из напорного устройства 1, по которому подводится жидкость под большим давлением, сопла 2, участка 3-4 камеры смешения 3, имеющей сужение и диффузора 5. Жид-кость из сопла с большой скоростью входит в камеру смешения и увлекает подсасываемую по нижнему каналу жидкость, передавая ей часть своей энергии. Расход перекачиваемой жидкос-ти Q, а расход жидкости, создающей напор – Q_с. Суммарный расход на выходе насоса Q + Q_с.

Жидкости могут быть различными, например, Q_с – чистая вода, а Q загрязненная.

КОНСТУКЦИИ НАСОСОВ. Центробежные насосы

Осевые насосы

Вихревые насосы

Струйные насосы

Насосы объемного действия – перемещают жидкость путем периодического изменения объема рабочей камеры, попеременно сообщающейся с входным и выходным патрубками.

К ним относятся поршневые (плунжерные) и роторные насосы.

2.1.3.Поршневые и плунжерные насосы.

На рис. 2.6 показана схема одноплунжерного насоса.

Рис. 2.6.

Одноплунжерный насос:

1-цилиндр (корпус);

2-плунжер;

3-всасывающий клапан;

4-напорный клапан

Плунжерный насос состоит из цилинд-рического корпуса 1, плунжера 2 диа-метром d, совершающего от привода возвратно-поступательное движение с ходом s, и двух клапанов – всасывающего 3 и напорного 4. Привод плунжера от электро-двигателя осуществляется кривошипно-шатунным механизмом или кулачковым валом (в этом случае в рабочей камере насоса устанавливается возвратная пружина).

Когда плунжер движется влево, объем рабочей камеры возрастает, в ней образуется разряже-ние, всасывающий клапан поднимается и жидкость заполняет камеру, следуя за плунжером. При движении вправо плунжер уменьшает объем рабочей камеры и вытесняет жидкость через напорный (верхний) клапан.

За каждый цикл насос подает жидкость в объеме равном: πd²s /4 (s – ход поршня). Следовательно, если число циклов в минуту составляет n, то средняя теоретическая подача (м³/с) будет равна:

Q_ср.т = (π·d² /4) · (s·n /60).

Особенностью такого насоса является то, что подача осуществляется толчками, то есть, подача пульсирует. Это главный недостаток показанного насоса (нестационарное течение жидкости).

Для снижения пульсации поршневые и плунжерные насосы делают двух или трех плунжер-ными или двухстороннего действия.

В последних подача осуществляется как при прямом ходе плунжера (поршня), так и при воз-вратном. Но полного устранения пульсации потока перекачиваемой жидкости в таких насосах достигнуть невозможно.

2.1.4. Роторные гидромашины – представлены широким разнообразием конструкций.

Основные типы роторных машин: шестеренные, шиберные (пластинчатые), радиально-поршневые и аксиально-поршневые.

Шестеренные насосы очень широко применяются в современной технике. Их основным преимуществом является конструктивная простота, компактность и надежность.

Шестеренчатый насос, рис. 2.7, подает жидкость вращением зубчатых шестерен 1, располо-женных в корпусе 2.

Рис. 2.7. Схема шестеренного насоса

Одна из шестерен ведущая, другая – ведомая. Обе вращаются, опираясь цапфами на подшип-ники скольжения (или качения) в торцевых дисках.

Жидкость перемещается из всасывающей полости в напорную в камерах, образованных зубь-ями шестерен, корпусом и стенками торцевых дисков.

Для повышения герметичности рабочих камер насоса под торцевые диски подводится давле-ние из напорной полости p₂.

Пластинчатые (шиберные) насосы применяются в основном в системах гидравлического при-вода машин.

Схема насоса однократного действия приведена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Схема пластинчатого насоса однократного действия

Насос состоит из ротора 1, установленного на привод-ном валу 2, опоры которого размещены в корпусе насоса. В роторе имеются радиальные пазы, в которые плотно вставлены пластины 3. Статор 4по отношению к ротору расположен с эксцентриситетом е. К торцам статора и ротора прилегают торцевые диски 5с серповидными окнами. Окно 6 каналами в корпусе насоса соединено с линией всасывания 7, а окно 8– с напорной линией 9. Между окнами имеются перемычки 10, обеспечивающие герметизацию зон всасывания и нагнетания. Угол ε, образованный перемычками, больше угла β между соседними пластинами. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы, пружин или под давлением жидкости, выдвигаются из пазов и прижимаются к поверхности статора. Благодаря эксцентриситету объем рабочих камер вначале увеличивается – происходит всасывание, а затем уменьшается – происходит нагнетание. Жидкость из линии всасывания через окна дисков вначале поступает в рабочие камеры, а затем через другие окна вытесняется из них в напорную линию.

Радиально-поршневые насосы применяются в стационарных установках и мобильных машинах большой мощности. Они способны работать в широких пределах давлений (до 100 МПа) при частоте вращения ротора до 6000 об/мин.

Схема радиально-поршневого насо-са приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема радиально-поршневого насоса однократного действия

Рабочими камерами в насосе являются радиально расположенные цилиндры 6, а вытеснителями – поршни 9. Ротор (блок цилиндров) 1 установлен на ось 2, которая имеет два канала 3 и 4. Один канал соединен с линией всасывания, другой – с напорной линией. Каналы имеют окна 5, которыми они соединяются с цилиндрами 6.

Статор 7 по отношению к ротору установлен с эксцентриситетом. Ротор вращается от привод-ного вала через муфту 8. При вращении ротора поршни 9 вначале выдвигаются из цилиндров (происходит всасывание), а затем вдвигаются обратно (нагнетание). Рабочая жидкость вначале заполняет цилиндры, а затем вытесняется оттуда в канал 4 и далее в напорную линию.

В объемных гидроприводах широко используют аксиально-поршневые насосы, которые вы-полняют по двум основным схемам: с наклонным диском и с наклонным блоком цилиндров.
Насос с наклонным диском показан на рис. 2.10. Он включает в себя блок цилиндров 4, приводной вал 1, диск 2, с которым связаны штоки 3 поршней 5, и распределительную шайбу 6.

Рис. 2.10. Схема аксиально-поршневого насоса

Ведущий вал приводит во враще-ние блок цилиндров. При повороте

блока вокруг оси насоса на 180° поршень совершает поступательное движение, выталкивая жидкость из цилиндра. При дальнейшем повороте на 180° поршень совершает ход всасывания. Блок цилиндров торцовой поверхностью плотно прилегает поверхности неподвижного распре-делителя 6, в котором сделаны полукольцевые пазы 7. Один из этих пазов соединен через ка-налы со всасывающим трубопроводом, другой – с напорным трубопроводом.

Подачу аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком можно регулировать, изменяя угол наклона диска 2 относительно оси вала в пределах 25°.

Поршневые и роторные насосы.