4.7 Характеристики. Регулирование подачи

Аналогично центробежным машинам характеристики осевых машин дают зависимость напора (давления), мощности на валу и КПД от подачи. Характеристики получают обычно путем испытания при постоянной частоте вращения и пересчитывают на различные частоты вращения по формулам пропорциональности.

Форма характеристик определяется конструкцией и аэродинамическими свойствами машины.

В отличие от центробежных машин характеристика напора (давления) осевой машины часто имеет седлообразную форму (рисунок 4.17), однако у низконапорных машин встречается падающая форма этой характеристики.

Седловина на характеристике объясняется снижением подъемной силы лопастей при малых подачах и повышенных углах атаки и наличием вторичных течений.

1 - вентилятор серии У-12 № 16; 2 - вентилятор серии ВС

Рисунок 4.17. Характеристики H=f(Q) осевых вентиляторов:

Характеристики мощности осевых машин показываю уменьшение мощности при увеличении Q или близки, как у вентиляторов, к горизонтальной линии (рисунок 4.18). Поэтому пуск осевых машин допустим при открытой задвижке на напорной трубе, т.е. под нагрузкой.

Характеристики КПД осевых машин с рабочими лопастями, жестко закрепленными на втулке, имеют резко выраженный максимум, при отклонении режима работы машины от оптимального режима КПД здесь резко изменяется.

В некоторых случаях осевые насосы выполняют с поворотными (на ходу) рабочими лопастями. В этих случаях возможно значительное изменение расхода без существенного снижения КПД.

Рабочий участок характеристики устанавливается в стабильной части ее правее горба Б (рисунок 4.18).

Рисунок 4.18. Характеристика осевого вентилятора при n = const

Максимально допустимое давление составляет 0,9 давления в точке Б характеристики. Допустимое пониженное значение КПД составляет до 0,9·η_max. Характеристики осевых машин, так же, как и центробежных, могут быть даны в безразмерных координатах.

Регулирование подачи осевых машин может производиться изменением частоты вращения, поворотом рабочих лопастей, направляющим аппаратом на входе и дросселированием. Первый способ наиболее эффективен. Дроссельное регулирование особенно неэкономично, потому что при этом при понижении подачи мощность остается постоянной или возрастает (рисунок 4.18). Поэтому расход энергии на единицу объема перемещаемой среды при регулировании этим способом увеличивается.

При регулировании осевых машин поворотом лопастей рабочего колеса или направляющим аппаратом на входе достигается очень экономное использование энергии привода.

При регулировании осевых машин поворотом лопаток рабочего колеса или направляющим аппаратом удобно пользоваться типовыми регулировочными характеристиками. Рабочая область характеристик, ограничиваемая значениями допустимых КПД, выделяется на характеристике (заштрихованная площадка на рисунке 4.19).

Рисунок 4.19. Рабочая область характеристики

Практическое задание № 5 Объемные поршневые и роторные насосы

Объемные насосы. Работа таких машин выполняется путем всасывания и вытеснения жидких или газовых сред твердыми телами – поршнями, пластинами, зубцами, движущимися в рабочих полостях – цилиндрах, корпусах специальных форм.

К объемным относятся поршневые, шестеренчатые (зубчатые), винтовые и пластинчатые насосы.

Достоинством машин объемного действия являются высокие КПД, достигающие 85 - 90 %, и независимость объема подачи от противодавления. Кроме того, в большинстве случаев такие насосы могут работать как самовсасывающие и не нуждаются в предварительной заливке жидкостью.

К недостаткам поршневых объемных насосов относится, прежде всего, неравномерность подачи жидкости, связанная с возвратно-поступательным движением рабочего органа (поршня, плунжера или скалки). Поршневые насосы, приводимые от электродвигателя, имеют сравнительно сложный шатунно-кривошипный приводной механизм. Кроме того, поршневые машины оборудуются системой всасывающих и нагнетательных клапанов, а также предохранительным клапаном (предохраняющий насос от перегрузки в случае перекрытия или закупорки сети).

5.1 Поршневые насосы применяются главным образом в котельных установках для питания котлов, когда в качестве двигателя удобно использовать поршневую паровую машину. В этом случае поршень паровой машины и поршень насоса могут быть непосредственно соединены общим штоком, что весьма упрощает конструкцию (рисунок 5. 1).

В зависимости от расположения цилиндров паровые поршневые насосы могут быть горизонтальными и вертикальными, а по числу цилиндров - одно- и двухцилиндровыми.

Указанные недостатки являются причинами сравнительно малого применения объемных насосов в системах теплоснабжения и вентиляции.

1 – цилиндр насоса; 2 – поршень; 3 – шток; 4 – нагнетательный клапан; 5 – всасывающий клапан; 6 – паровой цилиндр; 7 – поршень; 8 – золотник.

Рисунок 5.1 Схема парового поршневого насоса прямого действия

По своей схеме насосы могут быть простого действия (см. рисунок 5.1), если вытеснение жидкости происходит при ходе поршня в одном направлении, и двойного действия, если вытеснение жидкости, равно как и всасывание, происходит как при прямом, так и при обратном ходе поршня (рисунок 5.2, а).

Выпускаются также и дифференциальные двухкамерные насосы (рисунок 5.2, б)

В них поршень заменен пустотелым плунжером.

Жидкость, вытесняемая из клапанной камеры 1 плунжером 2, прежде чем попасть в нагнетательный трубопровод 3. поступает в камеру 4. При обратном ходе плунжера он вытесняет жидкость из камеры 4. Поэтому в дифференциальных насосах подача жидкости происходит более равномерно, чем в насосах простого действия.

В тех случаях, когда насосы приводятся в действие от электродвигателей, конструкции их усложняются необходимостью устройства шатунно-кривошипного приводного механизма. Высокие давления, на которых работают эти насосы, вызывают повышенные требования к прочности деталей, воспринимающих усилия, и герметичности уплотнения поршня и сальников.

а – двойного действия; б - дифференциального

Рисунок 5.2 Схема поршневого насоса

Цилиндры насосов выполняются литыми, чугунными или стальными. Внутренняя их поверхность тщательно обрабатывается (шлифуется). Уплотнение зазора между телом поршня и стенкой цилиндра достигается с помощью пружинящих чугунных (поршневых) колец, помещенных в кольцевые канавки поршня, либо кожаных или резиновых манжет.

Рисунок 5.3 Схема поршневого насоса

На рисунке 5.3 дана схема простейшей объемной машины – поршневого насоса одностороннего действия. Цилиндр плотно соединен с клапанной коробкой 2, в гнездах которой расположены вертикально перемещающиеся всасывающий 3 и напорный 4 клапаны. Поршень 5 двигается в цилиндре возвратно-поступательно и производит всасывание среды по трубе 6 на ходу вправо и подачу по трубе 7 на ходу влево. При этом открытие и закрытие всасывающего и напорного клапанов происходят автоматически. Периодичность движения поршня обусловливает неравномерность подачи и всасывания и возникновение инерционных сил. Эти факторы проявляются тем существеннее, чем значительнее изменение скорости на полном ходу поршня. Поэтому привод таких машин высокооборотными двигателями недопустим.

Конструктивная схема насосной установки с простейшим насосом такого типа представлена на рисунке 5.4. Рабочей камерой служит цилиндр 6, а вытеснителем - плунжер 8 с возвратно-поступательным движением, которое ему сообщает кривошипно-шатунный механизм. Система распределения, обеспечивающая соединение цилиндра попеременно с всасывающей (подводящей) 1 и напорной (отводящей) 3 линиями, состоит из всасывающего 11 и нагнетательного 5 клапанов. Клапаны являются самодействующими. При увеличении объема рабочей камеры (при цикле заполнения), в ней устанавливается давление р_1Ц меньшее, чем давление р₁ перед клапаном 11. Под действием возникшей разности давлений клапан поднимается и камера заполняется жидкостью из всасывающей линии 1.

Рисунок 5.4 Схема поршневого насоса с кривошипным приводом

5.2 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.

5.2.1 Шестеренные насосы типа РЗ (роторные зубчатые) состоят из ведомой и ведущей стальных шестерен со спиральным зубом (рисунок 5.5). Шестерни заключены в корпусе с крышкой и опорной стойкой.

Рисунок 5.5 Шестеренный насос типа РЗ

Место пропуска вала уплотнено тремя резиновыми манжетами с промежуточным кольцом. Уплотнение подтягивается чугунной крышкой на двух болтах. Насос снабжен предохранительным клапаном, который при чрезмерном давлении открывает и перепускает часть жидкости из полости нагнетания в полость всасывания.

Жидкость, поступающая в корпус насоса, не может проходить между зубьями шестерен, а отжимается к стенкам корпуса и переносится в полость нагнетания.

Зубчатые роторные насосы выпускаются пяти типоразмеров производительностью от 1 до 35 м³/ч при давлении от 3 до 14 кГ/см². Они пригодны для перекачки высоковязких жидкостей, таких, как масла, нефть, мазут и т. п.

Достоинством зубчатых насосов является равномерная подача жидкости. Кроме того, эти насосы самовсасывающие, т как остающейся в корпусе жидкости хватает для запуска наcoca. Только при самом первом пуске пустого насоса его заполняют перекачиваемой жидкостью. Удобен также и привод насоса от электродвигателя через упругую муфту.

При вращении шестерен в направлении, указанном стрелками, жидкость, заключенная во впадинах зубьев, переносится из полости всасывания в полость нагнетания.

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 кгс/м²) и реже 20 МПа (200 кгс/м²).

Шестеренные насосы реверсивны, т. е. при изменении направления вращения зубчаток они изменяют направление потока в трубопроводах, присоединенных к насосу. Эти насосы обратимы: подводя жидкость под давлением к одному из патрубков насоса и сообщая другой патрубок со сливным баком, получаем работу машины в качестве гидродвигателя; выходной вал машины будет развивать мощность, пропорциональную расходу и давлению подводимой жидкости.

На рисунке 5.6. в качестве примера приведена характеристика шестеренного насоса марки ШГ 8-25А при n = 1430 об/мин.

Шестеренные насосы с шестернями внутреннего зацепления (рисунок 5.6) 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 рисунке 6.6.1 применен серпообразный разделительный элемент. При развороте этого элемента на 180⁰ (рисунок 5.6,б) происходит реверсирование подачи (на рисунке 5.6 направление движения жидкости указано стрелками).

Рисунок 5.6. Шестеренный насос с шестернями внутреннего зацепления

Достоинством зубчатых насосов является равномерная подача жидкости. Кроме того, эти насосы самовсасывающие, так как остающейся в корпусе жидкости хватает для запуска насоса. Только при самом первом пуске пустого насоса его заполняют перекачиваемой жидкостью. Удобен также и привод насоса от электродвигателя через упругую муфту.

5.2.2 Пластинчатые насосы (рисунок 5.7) имеют рабочий орган в виде ротора 1, пришлифованного торцовыми частями к стенкам корпуса. Верхняя полость ротора соединена со всасывающей, а нижняя - с нагнетательной линией. В роторе имеется от 7 до 16 узких продольных щелей 2, в которых скользят плоские прямоугольные лопатки 3, тщательно пришлифованные к поверхностям щелей и к стенкам корпуса 4.

Ось ротора расположена в корпусе эксцентрично и при его вращении лопатка на первой половине оборота постепенно вытягивается роликами из щели ротора, а на второй - вдвигается в нее. В крайних левом и правом положениях лопатки, плотно прижимаясь к цилиндрической поверхности корпуса, отделяют нагнетательную полость насоса от всасывающей. Лопатки при этом играют роль плоских поршней, перемещающих жидкость. Насосы имеют производительность от 0,25 до 12 м³/час, создавая давления до 2 - 3 МПа.

При эксцентриситете равным нулю насос не подает жидкость, а если он отрицателен, т.е. смещен от центра корпуса вверх, то направление подачи изменяется. Насос также обратим.

Рисунок 5.7 Пластинчатый насос

5.2.3 Аксиально-поршневые насосы. На рисунке 5.8 дана конструктивная схема аксиального поршневого роторного насоса. В неподвижный корпус 1 плотно вставлен ротор 2, свободно вращающийся вокруг оси 0-0. В теле ротора 2 выполнены цилиндрические, хорошо обработанные отверстия 3 с осями, параллельными 0-0. Эти отверстия являются цилиндрами насоса. Торцы цилиндра 3 снабжены сквозными отверстиями 4. Ротор 2 сопряжен карданом 5 с наклонной вращающейся шайбой 6, сидящий на валу электродвигателя 7. Поршни 8 соединены тягами 9 с шарнирами, закрепленными на плоскости шайбы 6. При вращении шайбы 6 и соединенного с ней ротора 2 шарниры 10 и 10' бегут по окружности в плоскости ab, установленной под углом α к плоскости вращения ротора 2. Благодаря этому поршни 8 движутся в цилиндрах 3, проходя вдоль оси путь 2R sinα. При этом объемы, замыкаемые поршнями в цилиндрах, непрерывно изменяются. Так, если шарнир 10́ поршня бежит по дуге окружности радиусом R вверх, то поршень отодвигается вправо и происходит всасывание через всасывающий штуцер 11, серповидную канавку 12 в торце корпуса и отверстие 4 в полость цилиндра. Дальнейший путь шарнира 10́ – вниз по дуге, указанной штриховой стрелкой, повлечет за собой подачу жидкости данным цилиндром в напорный штуцер. Аналогично работают все цилиндры.

Рисунок 5.8. Конструктивная схема аксиально-поршневого роторного насоса

Средняя подача насоса может быть определена по формуле

, (5.1)

где η₀ - КПД, который можно принимать равным 0,97.

Насосы аксиально-поршневого типа реверсивны и обратимы; при подведении жидкости под давлением к одному из патрубков насоса и сообщении другого со сливом силы, действующие от жидкости на поршни, будут передаваться по штокам на плоскость шайбы шайбы 6; таким образом, эти силы будут давать тангенциальные составляющие, обусловливающие вращающий момент и мощность на валу шайбы.

В рассмотренной конструктивной схеме насоса его геометрическая ось пересекается с осью двигателя, поэтому для передачи мощности от двигателя ротору насоса необходим карданный вал 5, усложняющий конструкцию.

Имеются аксиально-поршневые насосы, в которых геометрические оси насоса и двигателя лежат на одной линии. В таких насосах шайба 6 выполняется профилированной, посаженной на валу под углом, меньшим 90°. Наружные концы поршней получают движение в осевом направлении, следуя за рабочей поверхностью шайбы 6.

5.2.4 Радиально-поршневые насосы. Конструктивная схема насоса дана на рисунке 5.9. Ротор 1 имеет радиально расточенные отверстия 2, выполняющие назначение цилиндров. Поршеньки 3, входящие в отверстия 2, своими наружными концами упираются во внутреннюю поверхность направляющего корпуса 4.

Рисунок 5.9. Поршневой радиальный роторный насос.

Ротор 1 расположен в корпусе 4 эксцентрично. Внутри осевой расточки ротора поставлена неподвижная разделительная перегородка 5. При вращении ротор в направлении часовой стрелки поршеньки, бегущие по дуге ab, отодвигаются от центра и всасывают жидкость из внутренней плоскости 6. Движение концов поршеньков по дуге ba вызывает перемещение их к центру и подачу жидкости в полость 7 и далее к напорному штуцеру насоса.

Средняя подача насоса

, (5.2)

Насос реверсивен и обратим. Последнее обусловлено тем, что при подведении жидкости под давлением сила, действующая на любой из поршней, обусловливает скольжение наружного конца поршня по образующей. Поэтому возникают вращение ротора и крутящий момент на его валу.

5.3 Винтовые насосы. В системе регулирования и смазки крупных машин-двигателей находят применение винтовые насосы. Рисунок 5.10 объясняет способ действия таких насосов. В цилиндрическую расточку корпуса 1 плотно вставлен винт 2. В плоской прорези корпуса находится пластина 3, зубцы которой входят в межвитковые каналы винта и плотно перегораживают их.

При вращении винта в направлении, указанной стрелкой, жидкость, заключенная в межвитковых канала 4, удерживается от вращения зубцами пластины 3 и перемещается вверх, и для непрерывной работы насоса она должна быть бесконечной, что конструктивно невыполнимо. Поэтому в конструкциях винтовых насосов роль пластины 3 выполняют замыкающие винты, витки которых плотно входят в межвитковые каналы основного (ведущего) винта, перегораживая их.

На рисунке 5.11 показан винтовой насос с двумя замыкающими винтами (червяками). Подача (л/с) стандартного насоса такого типа выражается формулой

, (5.3)

где η₀ - КПД (η₀ = 0,70 … 0,95); n - частота вращения червяка, об/мин; d - диаметр червяка, см.

1 - корпус; 2 - винт; 3 - пластина, перегораживающая межвитковые каналы 4	1 - рабочий червяк (винт); 2 - замыкающие червяки; 3 - полость охлаждения; 4 - полость всасывания; 5 - полость подачи
Рисунок 5.10. Способ действия винтового насоса.	Рисунок 5.11. Винтовой насос с одним рабочим и двумя замыкающими червяками