11. Винтовые насосы

В разделе рассматриваются трёхвинтовые насосы с циклоидальным зацеплением.

11.1. Типы трехвинтовых насосов

У винтовых насосов с циклоидальным зацеплением профиль нарезки винтов в нормальном к оси сечении образован циклоидальными кривыми. Благодаря такой геометрической форме нарезки в сочетании с достаточной длиной винтов, заключенных в обойму (рубашку) насоса, обеспечивается теоретически герметичное отделение камеры нагнетания от камеры всасывания.

Трехвинтовые насосы имеют один ведущий винт и два симметрично расположенных относительно него ведомых винта. Они выполняются с односторонним и двусторонним подводом жидкости.

В СССР выпускались и стандартизировались трехвинтовые насосы с подачей до 800 м³/ч и давлением нагнетания до 25 МПа.

На рис. 11.4 показан трехвинтовой насос с односторонним подводом жидкости. Средний винт 1 является ведущим, а два боковых винта 4 – ведомыми. Нарезанные части винтов заключены в обойму 5, в которой они вращаются как в подшипниках с небольшими зазорами. Для разгрузки винтов от действия осевых сил, возникающих при работе насоса, у торца ведущего винта предусмотрен разгрузочный поршень 2, а у торцов ведомых винтов помещены разгрузочные стаканы 3. Ведущий винт по сравнению с ведомыми более массивен, так как он несет основную нагрузку в рабочем процессе.

Рис. 11.4. Трёхвинтовой насос с односторонним подводом жидкости

Геометрические соотношения нарезок винтов выбраны так, что обеспечивается не только герметичность рабочих органов, но и отсутствие передачи крутящего момента с ведущего винта на ведомые. Ведомые винты не производит полезной работы, а служат только в качестве уплотнений, препятствующих перетеканию жидкости из камеры нагнетания в камеру всасывания, и в процессе нормальной работы вращаются не в результате взаимодействия с ведущим винтом, а благодаря давлению перекачиваемой жидкости. На рис. 11.5 изображена одна из конструкций трехвинтового насоса с двусторонним подводом жидкости. Ведущий и ведомые винты имеют по две нарезки противоположного направления. Всасывание жидкости происходит по концам корпуса, а нагнетание – в середине. Ведомые винты полностью разгружены от осевых усилий. Незначительное осевое усилие возникает лишь на ведущем винте (см. п. 29). Опорой для винтов насоса служат две взаимозаменяемые обоймы, вставленные в корпус насоса и закрепленные в нем. Со стороны привода расположен выносной шариковый подшипник, который фиксирует ведущий винт в осевом направлении. В корпусе насоса предусмотрено зарубашечное пространство для парового обогрева.

Винтовые насосы с циклоидальным зацеплением применяются в системах смазки и регулирования машин, в системах гидроприводов, для перекачивания вязких жидкостей и т. д.

Рис. 11.5. Трёхвинтовой насос с двухсторонним подводом жидкости

11.2. Геометрия винтов насоса

У винтовых насосов с циклоидальным зацеплением ведущий винт имеет специальную двухзаходную выпуклую нарезку с постоянным шагом, профиль которой в сечении, нормальном к оси винта, очерчен циклоидальными кривыми и ограничен дугами окружностей наружного и внутреннего диаметров винта. Ведомые винты, идентичные, имеют также специальную двухзаходную вогнутую нарезку с постоянным шагом, равным шагу нарезки ведущего винта. Профиль ведомых винтов в сечении, нормальном к оси винта, очерчен циклоидальными кривыми и радиальными фасками и ограничен дугами окружностей наружного и внутреннего диаметров винта.

Направление нарезки на ведущем и ведомых винтах противоположное, т. е. если ведущий винт имеет правую нарезку, то ведомый – левую, и наоборот. Передаточное отношение между ведущим и ведомыми винтами равно единице.

Сечение каждого винта насоса плоскостью, нормальной к его оси, представляет собой шестерню, которую называют образующей шестерней. Совместную работу винтов можно рассматривать как совместную работу бесконечно большого числа образующих шестерен, имеющих бесконечно малую толщину. Каждая пара таких шестерен естественно должна подчиняться основным законам зацепления зубчатых колес. На рис. 11.6 показаны поперечные сечения винтов трехвинтового насоса при теоретическом зацеплении.

Рис. 11.6 Поперечное сечение винтов трёхвинтового насоса при теоретическом зацеплении

При любых абсолютных размерах ведущего и ведомых винтов трехвинтового насоса геометрические размеры их нарезки выполняются всегда соответственно подобными между собой, причем за исходную величину принимается диаметр начальной окружности d_н винтов (образующих шестерен), который является также наружным диаметром ведомого винта (ведомой образующей шестерни). Подобие геометрических размеров облегчает расчет и нормализацию как самих насосов, так и инструментов для изготовления винтов.

Соотношения между отдельными размерами винтов принимаются следующими:

,

где D_н – наружный диаметр ведущего винта;

D_в – внутренний диаметр нарезки ведущего винта;

d_н – наружный диаметр ведомого винта;

d_в – внутренний диаметр нарезки ведомого винта;

t – ход винтовой нарезки.

Для насосов с повышенными требованиями к всасывающей способности применяют винты с ускоренным ходом .

При теоретическом зацеплении в случае силовой передачи происходит быстрый износ кромок винтовых нарезок. Более всего подвержены износу ведомые винты, которые хотя и могут быть теоретически разгружены от силового взаимодействия с ведущим винтом, но сделать это точно практически трудно. К ведомым винтам

всегда должен быть приложен какой-то момент для преодоления сил трения, возникающих между винтами, с одной стороны, и обоймой и перекачиваемой жидкостью – с другой. Этот момент трения будет величиной, меняющейся в зависимости от развиваемого давления, вязкости жидкости и числа оборотов. Кроме того, удары между винтами при пуске насоса, когда перекачиваемая жидкость не успела еще заполнить насос, и другие случайные причины способны вызвать повреждение острых винтовых кромок.

Чтобы предупредить износ, Г. В. Складнев предложил корригировать винты путем притупления острой кромки у ведомых винтов и некоторого утолщения профиля ведущего винта. Обычно острую кромку притупляют радиальной фаской, ширина которой s = 0,025d_н (рис. 11.7). Центральный угол α = 0,18π = 32°24'.

Рис. 11.7 Поперечное сечение винтов трёхвинтового насоса при действительном (корригированном) зацеплении

Для обеспечения герметичности длина обоймы должна быть больше длины замкнутого между витками объема жидкости. Рабочую длину винтов (обоймы) (рис. 11.8) принимают по действующим стандартам на проектирование винтовых насосов. Расстояние между осями ведомого и ведущего винтов А = d_н.

Рис. 11.8. Сцепление винтов насоса