4.4. Характеристики роторных насосов и насосных установок

Под характеристикой роторного насоса понимают графическую зависимость его давления от подачи. Для построения характеристики насоса прежде всего необходимо определить его теоретическую подачу.

Теоретическая (или идеальная) подача любого объемного насоса может быть определена при рабочем объеме Wo и частоте его вращения n по соотношению

Q =W₀⋅n. (4.1)

Такая подача насоса существует при нулевом давлении на выходе насоса (точка А на рис. 4.12).

Рис. 4.12. Характеристика насоса и насосной установки

Как следует из формулы (4.1), теоретическая подача не зависит от давления насоса и поэтому представляет собой прямую вертикальную линию (линия 1 на рис. 4.12).

Действительная подача насоса меньше теоретической на величину объемных потерь, т.е. потерь на утечки и перетечки жидкости из полостей с высокими давлениями. Такие утечки через зазоры существуют в любом, самом технически совершенном насосе. Из-за малой величины поперечных размеров зазоров и значительной вязкости жидкости эти утечки носят ламинарный характер, т.е. их величина пропорциональна давлению насоса. Отсюда следует, что действительная характеристика насоса представляет собой прямую линию, наклоненную в сторону снижения подачи (линия 2).

На графике (рис. 4.12) видно, что величина утечек растет пропорционально росту давления, а его действительная подача c ростом давления уменьшается. Отметим: чем технически совершеннее насос, тем меньше у него утечки и меньше наклон линии 2. Действительная характеристика может быть построена при известной величине объемного КПД насоса ηо.

Например, известен объемный КПД ηо насоса при давлении р = р'. Тогда следует вычислить подачу насоса, соответствующую этому давлению Q' = Q_н ηо и на график нанести соответствующую точку (точка В).

А затем, соединив точки А и В прямой линией (линия 2), получим действительную характеристику объемного насоса. Таким образом, характеристика объемного насоса представляет собой наклонную прямую линию.

При такой характеристике для небольшого изменения подачи насоса требуется весьма существенное повышение давления. Однако на практике часто бывает необходимо изменять подачу в широком диапазоне без значительного повышения давления, т.е. регулировать подачу. Для этого необходимо “сломать” линию АВ в какой-то точке С, получив тем самым линию 3. Тогда на этом участке CD характеристики можно существенно изменять подачу при небольшом изменении давления. Характеристика АСD может быть получена только с помощью дополнительных устройств и поэтому будет являться характеристикой не насоса, а насосной установки. Под насосной установкой понимают насос с дополнительными устройствами, обеспечивающими его работу с необходимыми параметрами и требуемой характеристикой.

Линию 3 иногда называют регуляторной ветвью характеристики насосной установки. На практике эту ветвь получают двумя способами: с помощью переливных клапанов и с помощью регуляторов подачи.

На рис. 4.13а представлена схема насосной установки, которая включает насос 4 и переливной клапан 2. Основным элементом клапана является подпружиненный поршень 3.

а) с помощью переливного клапана;

б) с помощью регулятора подачи

Рис. 4.13. Способы регулирования подачи

Рассмотрим работу приведенной установки. Пока давление насоса мало, поршень 3 под действием пружины занимает крайнее верхнее положение и перекрывает регулирующую щель 1.

Вся жидкость от насоса идет в гидросистему, т.е. Q_ну = Q_н. Этому режиму работы соответствует линия АС на рис 4.12. При расчетном давлении р_р клапан начнет открываться (точка С на рис. 4.12). Дальнейшее повышение давления приведет к тому, что часть подачи насоса Q_н будет направляться через щель 1 клапана 2 в бак Q_кл, а подача насосной установки уменьшится Q_ну = Q_н - Q_кл (точка R на рис. 4.12). При увеличении давления на выходе насоса будет увеличиваться степень открытия щели 1, следовательно, и расход через клапан Q_кл, а подача Q_ну насосной установки будет уменьшаться. Наконец, при давлении на выходе насоса р = р_max поршень 3 полностью сместится вниз и вся подача насоса через щель 1 будет перепускаться в бак Q_н = Q_кл, а подача насосной установки станет равной нулю Q_ну = 0 (точка D на рис. 4.12).

Вторым способом изменения подачи насоса можно назвать использование регуляторов. Этот способ применим только для регулируемых насосов, т.е. для насосов, у которых имеется возможность изменения рабочего объема. На рис. 4.13,б представлена схема насосной установки, которая включает аксиально-поршневой насос 1 с наклонным диском 2 и регулятор подачи 3. Основным элементом регулятора является подпружиненный поршень 4, который кинематически связан с наклонным диском 2. Рассмотрим работу приведенной установки. Пока давление насоса мало, поршень 4 под действием пружины занимает крайнее правое положение, диск 2 наклонен под углом γmax и подача насоса максимальна. Этому режиму работы соответствует линия АС на рис 4.12. При расчетном давлении р_р поршень 4 начнет сдвигаться влево (точка С на рис. 4.12). Дальнейшее повышение давления приведет к тому, что поршень 4 будет занимать промежуточное положение, диск насоса будет установлен под углом – 0 < γ < γmax, а подача 0 < Q < Q_max. Этот режим будет соответствовать одной из точек линии СD на рис. 4.12, например, точке R. При увеличении давления на выходе насоса 1 поршень 4 будет смещаться дальше влево. Поэтому угол γ и подача насоса Q будут уменьшаться. Наконец, при давлении на выходе насоса р = р_max поршень 4 займет крайнее левое положение. Угол наклона диска γ и подача насоса Q станут равными нулю (точка D на рис. 4.12).

Рассмотренные способы регулирования подачи насосов используются в технике. Второй из них требует регулируемых насосов, которые сложны в изготовлении и, следовательно, насосная установка с регулятором подачи дороже. Однако при использовании насосной установки с переливным клапаном часть подачи насоса перепускается в бак через клапан, не совершая полезной работы. Поэтому насосная установка с клапаном менее экономична в эксплуатации.

Рассмотреные ранее характеристики насосов и насосных установок, работающих при постоянных (максимальных) значениях рабочих объемов. В том случае, когда в процессе работы насоса меняется его рабочий объем, для удобства анализа вводят относительный параметр, равный отношению текущего рабочего объема насоса W к максимальному Wo, т.е.

e =W/Wo. (4.2)

Этот параметр е принято называть параметром регулирования. С учетом параметра регулирования подача насоса на любом режиме насоса определяется зависимостью

. (4.3)