Казарезов Проеектування пристроiв и систем пiдводных апаратiв

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

Розділ 2. СИЛОВІ ЕЛЕМЕНТИ СИСТЕМ І ПРИСТРОЇВ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

2.1. Загальна характеристика силових елементів систем і пристроїв підводних апаратів

До силових елементів систем підводних апаратів відносяться механізми й агрегати, що виконують пряме і зворотне перетворення механічної енергії в енергію робочого середовища, що циркулює усередині системи. Такими елементами є:

насоси, компресори, електрогенератори, які перетворюють механічну енергію у певний вид внутрішньосистемної енергії;

гідро-, пневмота електроакумулятори, які накопичують і віддають у систему запаси енергії;

гідро-, пневмо-, електродвигуни і циліндри, які перетворюють запаси внутрішньосистемної енергії в обертальний і поступальний рухи.

2.2. Насоси

Насоси систем підводних апаратів призначені для переміщення рідини і створення напору (тиску) у загальносуднових і спеціальних системах. На підводних апаратах застосовують об'ємні, лопатеві і струминні насоси. Об'ємні насоси поділяються на діафрагмові, роторні, крильчасті і поршневі. Лопатеві насоси бувають осьовими, вихровими, відцентровими і водокільцевими; струминні – ежекторного й інжекторного типів, гідроелеватори та ін. [7].

Класифікація насосів за принципом їхньої дії і призначенням наведена на рис. 2.1.

Описи конструкцій, принципів руху робочих органів і рекомендації із застосування на підводних апаратах перерахованих вище типів насосів наведені нижче.

Об'ємні насоси

Насоси об'ємного типу здійснюють подачу рідини шляхом витиснення її робочим органом (поршнем, діафрагмою, крильчат-

11

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

Насосиси

Дляперекачування рідин, якісильнозабруднені різнимидомішкамик

Рис. 2.1. Класифікація насосів за принципом дії і призначенням

12

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

кою і т. п.). У поршневих насосах рухомий орган переміщається поступально, у ротаційних – обертається. У діафрагмових насосах рухомий орган являє собою діафрагму з еластичного матеріалу, з'єднану зі штоком, який рухається поступально. Крильчасті насоси містять зворотно-поворотно рухомі робочі органи – крильчатки. Насоси мають високі ККД (75…90 %) і робочий тиск до 28…33 МПа.

Подача насоса Q об'ємного типу, наприклад поршневого, визначається добутком об'єму перекачуваної рідини q, витиснутого за один хід робочого органа, на число ходів в одиницю часу:

Q = q nн kп м3/с,

де q – робочий об'єм насоса, м3; nн – число ходів робочого органа насоса за одиницю часу, с–1; kп – коефіцієнт утрат насоса через перетікання рідини, kп ≈ 0,9.

Необхідний крутний момент на валу насоса становитиме

М = q2∆ πP H м,

де ∆ P – робочий тиск, Н/м2.

Потужність на валу, необхідна для приводу насоса,

де ρ * – густина рідини, Н/м3; η н – ККД насоса; η м – ККД механічної передачі.

Поршневі (плунжерні) насоси відносяться до насосів об'ємного типу, у яких переміщення рідини здійснюється шляхом витиснення її з робочих камер, що поперемінно сполучаються з входом і виходом насоса. Робочий орган виконується у вигляді поршня (плунжера).

Поршневі (плунжерні) насоси розрізняють:

за характером руху ведучої ланки, зв'язаної з джерелом енергії: прямодійні, у яких ведуча ланка здійснює зворотно-поступальний рух (наприклад, парові прямодійні); вальні, у яких ведуча ланка здійснює обертальний рух (кривошипні і кулачкові);

13

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

за числом циклів нагнітання й усмоктування за один подвійний хід: односторонньої і двосторонньої дії;

за числом поршнів: однопоршневі, двопоршневі, трипоршневі, багатопоршневі.

На рис. 2.2 наведена принципова схема однопоршневого насоса односторонньої дії. У циліндрі 1 зворотно-поступальний рух здій-

Над клапанною коробкою 7 знаходиться напірний трубопровід 9. У кулачковых поршневих (плунжерних) насосах (рис. 2.3,а) поршень (плунжер) 3 пружиною притискається до кулачка (ексцентрику) 4. Вісь обертання кулачка (точка О1) зміщена відносно його геометричної осі (точка О1) на деяку відстань, що називається ексцентриситетом е. При обертанні кулачка 4 поршень 3 здійснює у пустотілому циліндрі зворотно-поступальний рух на відстань l = 2e.

Рис. 2.3. Схеми кулачкових поршневих насосів:

а – одноциліндровий; б – трициліндровий; в – радіальний трициліндровий

14

15

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

фрагма 4 із двома всмоктувальними клапанами 2. На валу, що приводиться в рух за допомогою рукоятки, насаджена крильчатка 6 з двома напірними клапанами 1. Під час руху рукоятки ліворуч рідина всмоктується в ліву порожнину з правої порожнини, під час руху праворуч права порожнина стає усмоктувальною, ліва – нагнітальною. Подача ручних крильчастих насосів становить 35...220 л/хв, тиск – до 20,4 МПа.

Роторні насоси відносяться до об'ємного типу з обертовим робочим органом – ротором. Витиснення рідини здійснюється з переміщуваних робочих камер у результаті обертального чи зворотнопоступального руху другорядних робочих органів – витискувачів (замикачів). Розрізняють роторні насоси коловратні, у яких ротор і витискувачі роблять лише обертальні рухи (шестеренні, гвинтові), і роторно-поступальні, у яких витискувачі роблять зворотно-по- ступальні рухи біля ротора (поршневі і пластинчасті (шиберні)). Частота обертання ротора 3000 об/хв і вище. За напрямком переміщення перекачуваної рідини відносно робочого органа роторно-обертальні насоси поділяють на зубчасті і гвинтові (черв'ячні). Зубчасті насоси бувають шестеренними (з евольвентним профілем поверхні торкання ротора і замикача) і коловратними (з неевольвентним профілем поверхні торкання ротора і замикача).

Шестеренні насоси мають робочий орган у вигляді двох шестірень з великим модулем і бувають із шестірнями зовнішнього і

17

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

порожнини всмоктування в порожнину нагнітання. Всмоктування відбувається при виході зубців одного колеса з западин іншого, нагнітання – при вході зубців однієї шестірні в зачеплення з іншою.

У практиці широко застосовуються насоси, що складаються з пари прямозубих шестірень із зовнішнім зачепленням і з однаковим числом зубців евольвентного профілю. Для збільшення подачі використовують насоси з трьома і більше шестірнями, розміщеними навколо центральної ведучої шестірні.

Для підвищення тиску рідини застосовуються багатоступінчасті шестеренні насоси. Подача кожного наступного ступеня цих насосів менше від подачі попереднього. Для відведення надлишку рідини в кожному ступені є пропускний (запобіжний) клапан, який перепускає рідину з боку нагнітання у бік усмоктування і відрегульований на відповідний максимально допустимий тиск.

Крім насосів із прямозубими шестірнями, застосовують насоси з косозубими шевронними шестірнями. Шестеренні насоси використовують для подачі нафтопродуктів та інших

рідин без абразивних домішок (рис. 2.8).

Гвинтові насоси – гідравлічні машини для подачі рідини з підвищеною в'язкістю (наприклад, рідких металів), робочими органами яких є різні гвинти. У залежності від числа гвинтів насоси поділяють на одно-, дво-, три- і багатогвинтові. У корпусі насоса розміщені один ведучий і один, два чи три ведені гвинти. Найбільшого поширення набули тригвинтові насоси з циклоїдним зачепленням, які мають ряд істотних переваг: високий напір, рівномірність подачі і безшумність роботи. Під час обертання гвинтів місця їх зачеплення переміщаються уздовж осі і замкнутий між гвинтами обсяг рідини витискається.

На рис. 2.9 наведена принципова схема насоса, який має три двозахідні гвинти, з яких середній 5 – ведучий і два інші 4 – ведені. При цьому напрямок нарізки на ведучому 4 і веденому 5 гвинтах

18

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

протилежні. У корпусі 1 встановлена обойма 2, залита бабітом і сполучена своїми вікнами з усмоктувальним патрубком 3. Гвинти 4 і 5, розташовані усередині обойми 2 з мінімальними зазорами, при зачепленні утворюють робочі камери, які під час обертання переміщаються разом з рідиною уздовж осі до напірного патрубка.

Рис. 2.9. Схема тригвинтового насоса

Пластинчасті (шиберні) насоси мають робочий орган у вигляді ротора, в подовжніх пазах якого розташовані пластинки, що при-

разової дії. Насоси одноразової дії Рис. 2.10. Схема принципу дії

міжлопатний простір збільшується, тиск у ньому знижується, у результаті чого всмоктується рідина. Інший простір зменшується, і таким чином рідина витискується в напірний трубопровід.

На рис. 2.11,а наведена найпростіша конструкція пластинчас-

19

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

того насоса одноразової дії. У корпусі насоса – статорі 1, внутрішня поверхня якого циліндрична, ексцентрично розташований ротор 2, що являє собою циліндр із пазами, виконаними або радіально, або під невеликим кутом до радіуса. У прорізах знаходяться прямокутні пластини – витискувачі (шибери) 3, які при обертанні ротора 2 здійснюють відносно нього обертально-поступальний рух. Під дією відцентрових сил або спеціальних пристроїв пластини 3 своїми зовнішніми торцями притискаються до внутрішньої поверхні статора 1 і ковзають по ній. При обертанні ротора 2 за годинниковою стрілкою рідина через вікно, розташоване на периферії статора 1, надходить у насос з усмоктувального патрубка 4 і через протилежне вікно подається в напірний патрубок 6 (вікна на рисунку не показані). Робочі камери в насосі обмежуються двома сусідніми пластинами 3 і поверхнями статора 1 та ротора 2. Ущільнення ротора 2 і пластин 3 з торців здійснюється плаваючим диском, який тиском рідини притискається до ротора 2. Для відділення всмоктувальної порожнини від нагнітальної в статорі 1 є ущільнювальні перемички 5, розмір яких має бути трохи більший за відстань між краями двох сусідніх пластин 3.

55

Рис. 2.11. Конструкція пластинчастих насосів:

а – одноразової дії; б – дворазової дії

У пластинчастому насосі дворазової дії подача рідини з кожної робочої камери за один оберт ротора здійснюється двічі. Внутрішня поверхня статора в такому насосі має спеціальний профіль,

20