Лекция № 4

1. Объёмные гидравлические машины

К ним относятся:

1) роторные машины (роторно-вращательные, роторные радиально-поршневые, роторные аксиально-поршневые); 2) поршневые и плунжерные машины; 3) мембранные и шланговые машины; 4) гидроцилиндры, 5) гидропреобразователи.

1.1. Роторно-вращательные гидравлические машины

Подразделяются на: шестерённые, винтовые, пластинчатые, с вращающимися поршнями.

1.1.1. Шестерённые гидравлические машины

Шестерённые насосы выполняются с шестернями внешнего (рис. 4.1) и внутреннего зацепления (рис. 4.2).

Рис. 4.1. Схема насоса с шестернями наружного зацепления

Они могут использоваться как в качестве насосов, так и гидродвигателей. Шестерни бывают: прямозубыми, косозубыми или шевронными.

Гидравлические машины 1-го типа более распространены, так как имеют более простую конструкцию. При вращении шестерен жидкость, заключённая во впадинах зубьев переносится из камеры всасывания «в» в камеру нагнетания «н», которая образована корпусом насоса и зубьями шестерен. Разность объёмов, описываемых рабочими поверхностями, вытесняется в нагнетательную линию насоса.

Насосы отличаются: надёжностью, малыми габаритами и массой. Давления достигают 30 МПа, подачи – 20 м³/мин, частоты вращения – 18000 об/мин. Объёмный к.п.д., η_о – 0,98, а общий к.п.д., η – 0,9.

Рис. 4.2. Шестеренный насос с внутренним зацеплением:

1, 4 – отводящие и подводящие окна; 2 – внутренняя шестерня;

3 – наружная шестерня; 5 – уплотняющий серповидный элемент

Срок службы до 5000 часов. Насосы работают на жидкостях с диапазоном вязкостей – от 10 до 800 сст и выше. Предназначены для перекачки: нефти, масел и нефтепродуктов (даже мазутов).

При расчётах насосов пользуются следующими формулами

1) теоретическая подача насоса определяется из выражения

, (4.1)

где d_н – диаметр начальной (делительной) окружности ведущей шестерни;

m – модуль зацепления;

b – ширина шестерни;

n – частота вращения вала.

2) модуль зацепления для эвольвентного профиля определяется по эмпирической зависимости

или , (4.3)

где h₁ – высота зуба (проекция расстояния от точки зацепления до вершины зуба);

Q_т – теоретическая подача, л/с.

3) диаметр делительной окружности определяется по формуле

, (4.4)

где z – число зубьев (округляется до целого числа).

Эффективная (действительная) подача определяется по формуле

, (4.5)

где η_о – объёмный к.п.д.

4) приводная мощность определяется по формуле

, (4.6)

где Р_н – давление нагнетания;

η_м – механический к.п.д.

При конструировании насосов принимают b = (4…8)·m; b/d_н = 0,4…0,6.

При расчёте гидродвигателя пользуются следующими формулами

1) рабочий объём

; (4.7)

2) расчётный крутящий момент на валу

, (4.8)

где Δр – перепад давления на входе и выходе из двигателя.

3) мощность на валу

. (4.9)

4) эффективный момент

. (4.10)

5) эффективная мощность

. (4.11)

6) расчётный расход насоса для привода гидродвигателя

. (4.12)

7) фактическая подача насоса

. (4.13)

8) подводимая мощность

или . (4.14)

9) полный к.п.д.

. (4.15)

1.2. Винтовые гидравлические машины

Их можно рассматривать как машины с косозубыми шестернями, число зубьев которых равно числу заходов винтовой нарезки. Бывают 1-о, 2-х и 3-х винтовыми. Могут работать как в режиме насоса, так и гидродвигателя.

!!!1.2.1. Одновинтовые насосы

Для перекачки жидкостей под невысоким давлением применяют одновинтовые насосы (рис. 4.3), которые отличаются простотой изготовления и надежностью в эксплуатации. Насос имеет 1-у движущуюся деталь - винтовой ротор.

Рис. 4.3. Схема одновинтового насоса:

1 – корпус; 2 – ротор; 3 – обрезиненная обойма; а – замкнутая полость

Рабочая камера образуется ротором и неподвижной обоймой. Подача происходит без пульсаций, отсутствуют инерционные потери, что улучшает условия всасывания. В местах герметизации деталей имеет место скольжение с качением, поэтому насосы пригодны для работы на загрязненных жидкостях, их применяют при добыче газированной нефти из скважин, для откачки воды из угольных шахт и т.д. Давление до 5,0 МПа, расходы от 0,05 до 15 л/с; частота вращения до 15 000 об/мин.

Винтовой ротор 2 насоса обычно однозаходный; поперечные его сечения в любом месте представляют собой окружность диаметром «d». Центр сечения ротора смещен относительно его оси «О» симметрии на величину «е». При вращении он совершает движения в прорези корпуса высотой «h». Обойма 3 представляет собой двухзаходный винт.

Подача насоса определяется по формуле

, (4.16)

где h – высота сечения обоймы;

d – диаметр сечения винта;

t – шаг винта;

n – частота вращения винта;

e – эксцентриситет.

При выборе параметров насоса можно использовать опытные соотношения 20 ≤ t_ОБ/е ≤ 35, где t_ОБ – шаг обоймы и 1,5 ≤ 1/d ≤ 3,5.

Эффективная подача определяется по формуле

. (4.17)

!!!1.2.2. Двухвинтовые насосы

В 2-х винтовом насосе замкнутая камера образована 2-я винтами, находящимися в зацеплении, и неподвижной обоймой. Такие насосы (рис. 4.4) обычно выпускаются на подачи до 300 л/с при давлении до 10 МПа.

В последнее время широко используются на нефтеперекачивающих станциях. Они выполняются обычно с прямоугольной резьбой, что упрощает их изготовление. При этой резьбе ухудшается герметичность насоса. Винты связаны друг с другом при помощи зубчатой пары, размещаемой в общем с винтами корпусе. Расчетная подача двухвинтового насоса определяется по формуле

(4.18)

где D_н, D_в – наружный и внутренний диаметры винта;

t – шаг винта;

n – частота вращения винта.

Рис. 4.4. Конструктивная и расчетная схемы двухвинтового насоса

1.2.3. Трёхвинтовые насосы

Широко распространены также 3-х винтовые насосы. Схема такого насоса представлена на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Схема трехвинтового насоса

Средний винт является ведущим, а два боковых – ведомыми. При этом угол винтовой линии выбирается таким, чтобы боковые винты вращались за счёт давления жидкости. Нарезка винтов обычно 2-х заходная, винты циклоидального профиля с углом подъёма винтовой линии 30…45⁰.

Теоретическая подача 3-х винтового насоса определяется по формуле

, (4.19)

где d_н – наружный диаметр ведомых винтов.

При проектировании насосов принимают:

D_в = d_н; D_н = 5/3 · d_н; d_в = 1/3 · d_н; t = 10/3 · d_н;

где D_в и D_н – внутренний и наружный диаметры нарезки ведущего винта;

d_в – внутренний диаметр ведомых винтов;

t – шаг винтовой нарезки.

Общая длина винтов определяется по формуле

, (4.20)

где m – число перекрытий витков, принимается таким образом, чтобы перепад давления на каждое перекрытие был ≤ 2÷3 МПа.