Теоретическая часть

Гидравлическая машина, в которой механическая энергий двигателя преобразуется в энергию жидкости, называется насосом. В насосах объемного действия передача энергии жидкости осуществляется путем периодического заполнения рабочего объема насоса с последующим вытеснением из него.

К объемным насосам относятся поршневые, плунжерные, радиально-поршневые, аксиально-поршневые, шестеренные и пластинчатые.

Шестеренные насосы. Шестеренные насосы нашли широкое применение в системах смазки, для перекачивания нефти, нефтепродуктов и других вязких материалов. Шестеренные насосы делятся на насосы с внешним (рис. 5.16, а) и внутренним (рис. 5.16, б) зацеплением шестерен.

 

а б

Рис. 5.16

 

Шестеренный насос состоит из цилиндрических шестерен – ведущей 1 и ведомой 2, помещенных в корпус 3. При вращении приводного вала вращается ведущая шестерня и находящаяся с ней в зацеплении ведомая шестерня. При этом в области, где зубья шестерен выходят из зацепления (область всасывания 4), создается разряжение и в пространство между зубьями шестерни всасывается жидкость. Этот объем жидкости в результате вращения шестерни вдоль поверхности статора переносится в область, где зубья шестерен входят в зацепление (область нагнетания 5). В области нагнетания жидкость выдавливается из пространства между зубьями шестерен, и при этом создается необходимый напор жидкости в нагнетательном патрубке насоса.

В шестеренных насосах с внутренним зацеплением для отделения нагнетательной полости от всасывающей между внешней и внутренней шестернями установлен серповидный элемент 6 (рис. 5.16, б). Шестерные насосы с внутреннем зацеплением имеют меньшие габаритные размеры и меньше изнашиваются, чем насосы с внешним зацеплением шестерен, однако из-за сложности изготовления используются редко.

Рабочий объем шестеренного насоса определяется по формуле

,

где D – диаметр начальной окружности ведущей шестерни (для шестерен одинакового диаметра – расстояние между осями шестерен); – модуль шестерни, h – высота зуба шестерни; b – ширина зуба шестерни; z – число зубьев ведущей шестерни.

Основные потери в шестеренных насосах связаны с утечками жидкости из области нагнетания в область всасывания через зазор между корпусом и шестерней. Данные потери зависят от вязкости рабочей жидкости и характеризуются объемным КПД, который для современных шестеренных насосов при перекачке масел равен 76–94%.

Пластинчатые насосы. Пластинчатые насосы бывают однократного (рис. 5.17, а) и двукратного (рис. 5.17, б) действия.

На рис. 5,17, а приведена схема пластинчатого насоса одинарного действия. В корпусе насоса – статоре 1, внутренняя поверхность которого цилиндрическая, с эксцентриситетом e расположен ротор 2, представляющий собой цилиндр с продольными радиальными прорезями (либо под небольшим углом a к радиусу). В прорези вставлены прямоугольные пластины-вытеснители 3, которые при вращении ротора под действием центробежных или других сил прижимаются к внутренней поверхности статора, совершая каждая в своем пазу одно возвратно-поступательное движение за один оборот ротора. Когда пластины выдвигаются, объем между ними, ротором и статором увеличивается, происходит разряжение и жидкость всасывается из всасывающего патрубка 4. Затем пластины вдвигаются в ротор, объем между ними, ротором и статором уменьшается, и жидкость выталкивается в нагнетательный патрубок 5.

 

а б

Рис. 5.17

 

Рабочий объем однократного пластинчатого насоса определяется как сумма объемов между выдвинутыми пластинами, ротором и статором за вычетом объема при вдвинутых пластинах:

,

где r – радиус внутренней поверхности статора; a – угол наклона пластины к радиусу ротора (0–15°); z – число пластин; d – толщина пластины; b – ширина пластины в осевом направлении.

Недостаток пластинчатого насоса однократного действия в том, что ротор испытывает радиальную нагрузку из-за разности давлений в нагнетательной и всасывающей полостях. Этого недостатка лишен насос двукратного действия (рис. 5,17, б), у которого как полости всасывания, так и полости нагнетания расположены диаметрально противоположно. Внутренняя поверхность статора выполнена в виде сопряжения цилиндрических поверхностей, в сечении напоминающего эллипс.

Таким образом, за один оборот ротора дважды осуществляются операции всасывания и нагнетания между соседними пластинами. Рабочий объем пластинчатого насоса двукратного действия

,

где , – большая и малая полуось внутренней поверхности статора.

Объемный КПД пластинчатых насосов составляет 75–98%.

Основными параметрами, характеризующими работу объемных насосов, являются: рабочий объем V ₀ подача насоса Q, развиваемое давление р, потребляемая мощность N, коэффициент полезного действия h, частота вращения приводного вала n.

Рабочий объем представляет собой изменение объема рабочих камер за один оборот ротора. Он равен объему несжимаемой жидкости, который насос способен переместить из всасывающей линии в нагнетательную при отсутствии утечек. Рабочий объем для каждого конкретного насоса вычисляется по соответствующим формулам.

Подачей насоса Q называется количество жидкости, по­даваемое насосом в единицу времени. Различают теоретическую и действительную подачу насоса.

Теоретическая подача насосов объемного действия опреде­ляется по формуле

Q _т = V ₀ · n, (6)

где V ₀ – рабочий объем; n – частота вращения приводного вала.

Действительная подача отличается от теоретической на величину утечек в насосе и определяется по формуле

Q = Q _т · η₀ (7)

где η₀ – объемный КПД насоса, учитывающий утечки жидкости через зазоры в рабочих камерах!;

Развиваемое насосом давление р соответствует энергии, которую получают в среднем каждая единица объема жидкости, проходящей через него. Оно равно разности полных давлений, измеренных на выходе из насоса и входе в него Так как объемные насосы увеличивают в основном энергию давления, то при вычислении величины р пренебрегают изменением кинетической энергии и энергии положения, а также систематической ошибкой, вызванной высотным смещением приборов, измеряющих давление. Поэтому в соответствии с ГОСТ 17335-79 «Насосы объемные. Правила приемки и методы испытаний» полное давление насоса вычисляется из соотношения

p = p ₂ – p ₁, (14)

При испытании насосов среднего давления (р = 1,6 – 10 МПа) и насосов высокого давления (р > 10 МПа), если давление на входе в насос р не превышает ±0,05 МПа, допускается принимать р = p₂.

Мощность N, потребляемая насосом, в случае, если вал двигателя непосредственно соединен с валом насоса, равна мощности приводного двигателя. При определении мощности насоса посредством измерения потребляемой электрической мощности следует учитывать КПД электродвигателя η_эдв

N = N ₁·η_эдв. (15)

Полезная мощность насоса N _п – это мощность, которую получает жидкость при прохождении через него. Полезную мощность определяют по соотношению

N _n = p · Q, (16)

где р – полное давление, развиваемое насосом; Q – подача насоса.

Общий коэффициент полезного действия насоса h составляет отношение полезной мощности к потребляемой:

h = N _п/ N. (17)

Потери мощности в насосе подразделяют на механические, гидравлические и объемные, и общий КПД насоса определяют также по соотношению

h = h_мh_оh_г, (18)

где h_м – механический КПД, учитывающий затраты энергии на преодоление трения в подшипниках и уплотнениях; h_г – гидравлический КПД, учитывающий потери энергии на преодоление гидравлических сопротивлений внутри насоса; h_о – объемный КПД, учитывающий объемные утечки (перетоки) жидкости через зазоры.

Графические зависимости Q = f(p), N = f(p), h = f(p) при n = const называются рабочими характеристиками насоса: первая – расходная, остальные – энергетические. Для построения их проводят испытания насосов, в процессе которых осуществляют измерение необходимых параметров.