3.3.3 Гвинтові насоси

Гвинтові насоси з прямокутною нарізкою вперше з’явилися в першій чверті нашого сторіччя, але тоді вони не набули поширення через низький ККД.

У 1932 р. шведський інженер Монтеліус створив гвинтові насоси з профілем нарізки гвинтів, окресленим циклоїдальний кривими. Насоси з такою нарізкою називають насосами з циклоїдним зачепленням. Гвинтові насоси з циклоїдним зачепленням створюють хорошу герметичність при роботі і мають високий ККД. Роботи зі створення гвинтових насосів в СРСР почалися з 1934 р. Теоретичне обгрунтування профілів нарізки гвинтів Монтеліус вперше було дано Г. В. Складневим. У розробці теорії гвинтових насосів брали участь багато радянські вчені: А. Є. Жмудь, О. А. Пиж, І. І. Кукольовський, О.В. Байбаков, А. М. Васильєв та ін.

Гвинтові насоси в даний час знаходять все більше застосування в гідроприводу автоматичних ліній, верстатів та машин, в суднобудуванні та інших галузях техніки.

Гвинтові насоси відносяться до типу об’ємних, де подача здійснюється шляхом витіснення рідини гвинтами. Гвинти (рис. 3.8 , а) є робочим органом насоса й роблять при роботі тільки обертальний рух. У гвинтового насоса відсутній зворотно-поступальний рух поршня або плунжера, немає всмоктуючого і нагнітального клапанів, що є основною перевагою перед поршневими насосами. Гвинтові насоси мають малі габарити, володіють легкістю і швидкістю, здатні створювати тиску до 20 МПа і більше та частоту обертання гвинтів до 10000 об/хв; мають безпульсаційну подачу рідини.

Робочим гвинтом у цих насосів є тільки один ведучий. Ведені гвинти служать як би ущільнювачами, що перешкоджають протіканню рідини з камери нагнітання в камеру всмоктування. Внутрішній діаметр ведучого гвинта і зовнішні діаметри ведених гвинтів завжди рівні між собою.

Нарізки трьох гвинтів під час роботи насоса, стикаючись між собою, утворюють безперервну поверхню розділу, яка має гарну герметичністю і виконує роль поршня при переміщенні рідини з камери всмоктування в камеру нагнітання.

Поверхня розділу в межах кожного кроку гвинта повторюється і, отже, зі збільшенням числа кроків по робочій довжині гвинтів число порожнин зростає. Кожна така порожнина в межах кроку гвинта є окремою сходинкою, як це ми маємо на багатоступінчастому насосі, що дозволяє внаслідок збільшення довжини гвинтів створювати великий тиск з високим об’ємним ККД.

Рисунок 3.8 – Гвинтовий насос

Гвинтовий насос має три основні частини: статор – корпус насоса з порожнинами, що примикають до камери всмоктування і камери нагнітання, розташованими на кінцях гвинтів; ротор – гвинт (ведучий), який приводиться в обертальний рух від двигуна; замикачі – ведені гвинти насоса, службовці для ущільнення насоса і не дають рідини перетікати з камери нагнітання в камеру всмоктування.

Для врівноваження осьового тиску, що діє від камери нагнітання до камери всмоктування, в гвинтах насоса або в його корпусі влаштовують канали, по яких рідина з боку камери нагнітання підводиться під торці гвинтів в камері всмоктування. Для захисту від пошкоджень насоса і всієї гідросистеми в корпусі вмонтовано запобіжний клапан.

Принцип дії гвинтового насоса полягає в наступному. Від двигуна провідний гвинт приводиться в обертальний рух, при цьому поверхня розділу гвинтів відсікає обсяг рідини, що знаходиться в западинах гвинтів в камері всмоктування. Після цього рідина рухається уздовж гвинтів в камеру нагнітання і далі в нагнітальну трубу насоса. Як тільки буде відтятий об’єм рідини в камері всмоктування і рідина почне рухатися до камери нагнітання, в камері всмоктування виникає розрідження (вакуум), внаслідок чого по всмоктувальній трубі рідина знову надходить у камеру всмоктування і заповняє западини гвинтів; далі процес повторюється, зберігаючи безперервність роботи насоса.

За кількістю гвинтів розрізняють одно-, дво-, три-, чотири- і пятигвинтові насоси. Найбільш поширеними є тригвинтові насоси.

Гвинтові насоси виготовляють на тиск від 0,4-0,7 МПа до 20 МПа і більше.

Теоретичну подачу гвинтового насоса визначають наступним чином. Подаваний гвинтами за один оборот гвинтів об’єм рідини визначається за формулою:

                                                       (3.33)

де ω – живий перетин западин між витками гвинтів, ω=1,243d²_н, м²;

h – крок гвинта, h=πd_нtgβ=10d_н/3, м;

β – кут підйому гвинтової лінії, зазвичай β=26...46° (при такій величині β виключається самогальмування).

Якщо за n оборотів в хвилину подається об’єм рідини:  

                                                     (3.34)

тоді в 1 хвилину теоретична подача насоса визначається за формулою:  

(3.35)

або                                                     

(3.36)

Теоретична подача в 1 с визначається за формулою:                                  

(3.37)

або                                                     

(3.38)

У формулах (3.35), (3.36) і (3.38):

d_н – діаметр окружності виступів веденого гвинта і діаметр кола западин ведучого гвинта, м;

n – частота обертання ведучого гвинта в хвилину, об/хв.

Дійсна подача насоса визначається за формулою:

(3.39)

де η_υ – об’ємний ККД насоса, зазвичай η_υ=0,8...0,95; при цьому чим більшу насос має подачу Q, тим більше ККД.

Повний ККД насоса визначається за формулою:

(3.40)

де η_м – механічний ККД, що враховує механічні втрати в гвинтах, підшипниках і сальниках гвинтів; η_м=0,85...0,95; η_м=0,95 відноситься до насосів великої потужності;

η_г – гідравлічний ККД, що враховує гідравлічні втрати; однак у гвинтових насосів вони настільки незначні внаслідок невеликих швидкостей рідини в проточних каналах корпусу і гвинтів насоса, що приймають η_г=1.

Тоді повний ККД гвинтового насоса визначається за формулою:             

(3.41)

Для забезпечення безкавітаційної роботи гвинтового насоса частоту обертання визначають з нерівності:                                                     

(3.42)

де Q – подача, л/с;

η – об’ємний ККД насоса, який для попередніх розрахунків слід брати в межах 0,8...0,85.

Потужність насоса визначають за формулами (3.32).

Допустиму висоту всмоктування у гвинтових насосів можна приймати до 8-9 м. Звичайно число витків нарізки на робочій довжині гвинта приймають: для насосів низького тиску z=1,5h; для середнього тиску z=3h і для високого тиску z=5h. Найбільш поширеними гвинтовими насосами є насоси серії МВН (табл. 3.4).

Таблиця 3.4 – Технічна характеристика гвинтових насосів

Марка насоса	Подача насоса Q		Максимальний тиск р, МПа	Частота обертання n, об/хв	ККД		Розмір гвинта
	м3/год	л/с			ηυ	η	Діаметр dн, мм	Довжина Lр, мм
МВН-0,8	2,9	0,8	0,5	1430	0,80	0,66	21,6	108
МВН-6	21,6	0,6	2,5	1460	0,81	0,71	42,0	214
МВН-10	39,6	10,0	2,5	1460	0,82	0,72	51,0	255
МВН-25	90,0	25,0	2,5	1460	0,86	0,74	66,0	330