Питання для самоперевірки

1. Що називається гідравлічними машинами?

2. Які технічні показники характеризують роботу насоса?

3. За якими ознаками класифікуються насоси, та область їх застосування?

Лекція 2.

Тема: Класифікація насосів по принципу дії. Насоси об’ємного принципу дії. Поршневі насоси їх принципові схеми і принцип дії.

Мета: Ознайомитися з видами об'ємних насосів та особливостями їх експлуатації.

План лекції

1. Класифікація насосів

2. Поршневі насоси

3. Роторні насоси

4. Роторно-пластинчасті і фігурно-роторні насоси

5. Водокільцеві насоси

За принципом дії суднові насоси розділяють на об'ємні, лопатеві і струменеві.

Об'ємними називаються такі насоси, в яких нагнітання рідини з робочих камер здійснюється витискувачами різної форми. В залежності від характеру процесу витіснення об'ємні насоси діляться на поршневі і роторні.

Поршневими називаються насоси, які всмоктують і нагнітають рідину за допомогою поршня, що рухається в робочому циліндрі. Насос називається прямодіючим, якщо поршень рідинного циліндра закріплений безпосередньо на одному штоку з поршнем парового циліндра, і приводним, якщо поршень рідинного циліндра рухається за допомогою кривошипно-шатунного механізму.

За кількістю працюючих порожнин в одному циліндрі поршневі насоси підрозділяються на насоси простої і подвійної дії. У насосах простої дії (рис. 159, а) при русі поршня в одну сторону відбувається витіснення рідини з циліндра в нагнітальний трубопровід, а при зворотному ході - всмоктування її з приймального трубопроводу. Ці насоси на судах найчастіше застосовують з ручним приводом. У насосі подвійної дії (рис. 159, б) кожна порожнина забезпечена прийомними та відпливними клапанами, які забезпечують всмоктування рідини з однієї порожнини і нагнітання її з іншої при кожному ході поршня. Найбільш широке застосування мають поршневі насоси чотирикратної дії, що представляють собою агрегат з двох насосів подвійної дії.

Схеми поршневих насосів.

Продуктивність поршневого насоса залежить від розмірів гідравлічних циліндрів, їх кількості та числа подвійних ходів, а створюваний ним натиск обмежується міцністю деталей і потужністю двигуна. Поршневі насоси мають гарну всмоктуючу здатність і використовуються для перекачування малих кількостей рідини при великих напорах, а також для перекачування в'язких рідин. Загальний к. к. д. поршневих насосів коливається в межах η = 0,7÷0, 9. Недоліками поршневих насосів є нерівномірність подачі, великі габарити, вага і складність конструкції.

Роторні насоси розрізняють по конструктивному виконанню витискувачів. До роторних насосів відносяться шестеренні і гвинтові насоси, часто вживані на судах для перекачки рідин з в'язкістю більшою, ніж в'язкість води.

Шестеренні насоси мають продуктивність від 0,5 до 250 м3 / год при тиску нагнітання від 2 до 40 кг/см2, 400 - 5000 об / хв і загальний к. к. д. η = 0,50÷0,85. У суднових установках шестеренні насоси використовують переважно для подачі масла до тертьових поверхонь двигунів, а також для перекачування рідкого палива.

Шестеренні насоси надійні в роботі, можуть бути безпосередньо з'єднані з швидкохідними двигунами, прості за конструкцією і мають невеликі габарити і вагу. Основними їх недоліками є висока чутливість до забруднення перекачуємої рідини механічними домішками, неврівноваженість радіальних сил тиску рідини на шестерні, а також збільшення зазорів в процесі експлуатації через знос шестерень.

Зачеплення шестерень в насосах може бути зовнішнім або внутрішнім, а зуби-прямими, косими, шевронними або спіральними. На рис. 160 показані характеристика насоса і конструктивні схеми шестеренних насосів з прямими і шевронними зубами.

Незалежно від форми зубів і зачеплення кожен шестерневий насос складається з ведучої і веденої шестірень, укладених в корпус. При обертанні шестерні перекачуєма рідина потрапляє з порожнини всмоктування у западини зубів і переноситься ними уздовж стінок корпусу в порожнину нагнітання.

На суднах поширені насоси із зовнішнім зачепленням і евольвентним профілем зуба шестерні.

Гвинтовий насос (рис. 6.2) - це роторно-обертальний насос, у якого рідина рухається вздовж осі обертання робочих органів. Тригвинтовий насос складається з корпусу 2, всередину якого найчастіше вставляють змінну робочу сорочку, ведучого гвинта 3, сполученого з приводним двигуном, двох ведених гвинтів 4, що виконують роль герметичних обкладок, всмоктуючої порожнини з патрубком 1 і напорної порожнини з нагнітальним патрубком 5. По лінії контакта ведучий і ведені гвинти утворюють систему ущільнень. Ці ущільнення геометрично відділяють порожнину нагнітання від порожнини всмоктування, а також робочі камери А, Б, В. Усмоктувальна і нагнітаюча порожнини з'єднуються запобіжно-перепускним клапананом 6. Коли ведучий гвинт обертається за годинниковою стрілкою, робочі камери переміщаються вгору вздовж осі гвинтів. При цьому обсяг порожнини В збільшується, тиск у ній знижується, вона заповнюється рідиною, обсяг порожнини А зменшується, і в результаті силового впливу гвинтових поверхонь на рідину тиск її підвищує і вона витісняється в порожнину нагнітання. Рідина в порожнині Б, обсяг якої незмінний, переміщається в осьовому напрямку від порожнини всмоктування в порожнину нагнітання. Таким чином, потоку рідини в насосі надається потенційна енергія в той момент, коли робоча камера в порожнині нагнітання розкривається.

Шестерневий насос (рис. 6.3) - це роторний зубчастий насос, у якого робочі органи виконані у вигляді шестерень, забезпечующих геометричне замикання робочих камер і передавальних крутний момент. Корпус насоса 1 включає провідну 2 і ведену 3

шестерні, всмоктувальну порожнину з всмоктуючим патрубком А і нагнітальну порожнину з нагнітальним патрубком Б. Робочі камери насоса 4, 5, 6 і т. д. - це межзубцьові западини, обмежені корпусом ( або сорочкою) насоса. Осьові і радіальні зазори між шестернями і корпусом (сорочкою) виконують мінімальними. При обертанні шестерні (зазначеному стрілками) зубці у всмоктувальній порожнині виходять із зачеплення, приводячи до збільшення обсягу робочих камер. Тиск у них внаслідок цього знижується, і камери заповнюються рідиною. У певний момент межзубцевий обсяг відсікається від порожнини всмоктування, і рідина переноситься в порожнину нагнітання (вказано стрілками). У момент розкриття межзубцьової западини в порожнині нагнітання зубці шестерень входять в зачеплення, зменшуючи робочий об'єм. В результаті силового впливу поверхні зубця на рідину їй надається потенційна енергія, що підвищує тиск, і вона витісняється в порожнину нагнітання. Зубці шестерень, що знаходяться в зачепленні утворюють лінію безперервного ущільнення, яка геометрично роз'єднує усмоктувальну і нагнітаючу порожнини насоса.

Таким чином, робочий цикл об'ємного насоса включає процеси всмоктування, відсікання робочого об'єму від порожнини всмоктування, перенесення рідини до порожнини нагнітання і витіснення (нагнітання) її в цю порожнину. Процеси всмоктування і нагнітання можуть протікати роздільно (поршневі насоси) і одночасно (гвинтові і шестеренні насоси). Якщо за один оборот або подвійний хід робочого органу з всмоктуючої порожнини в нагнітальну здійснюється один робочий цикл, то насос називають насосом одноразової дії, якщо проходить кілька робочих циклів - насосом багаторазової дії. Кратність позначають буквою і.

На суднах знайшли широке застосування з зворотно-поступальних насосів - поршневі і плунжерні, з роторних - гвинтові, шестеренні і роторно-поршневі насоси, рідше водокільцеві. Бажана область використання за параметрами: великі напори, малі і середні подачі.

Об'ємні насоси входять до складу усіх типів суднових ГЕУ, більшої частини допоміжних установок і агрегатів; їх включають до системи гідравліки і загальносуднових пристроїв, об'ємні гідроприводи.

Роторно-пластинчасті і фігурно-роторні насоси

Ротаційні насоси з лопатками-пластинками (шиберами) прості по конструкції, надійні в роботі і, зручні в експлуатації.

Н асоси цього типу з числом лопаток більше двох при підводі до них рідини під тиском можуть бути використані як гідромотори.

На рис. 12 показані загальний вигляд (а) і схема (б) шиберного насоса найпростішої конструкції, вживаного як масляного насоса в невеликих двигунах внутрішнього згоряння.

Насос складається з круглого розточеного зсередини корпусу 1, що має в нижній

.Рис. 12. Шиберний насос. частині приймальний і відливний патрубки

Усередині корпусу ексцентрично встановлений ротор 2, дотичний з корпусом у нижній частині. У роторі є наскрізний діаметральний паз, в який вставлені дві лопатки 3, що притискаються до внутрішньої поверхні корпусу пружинами, поміщеними між лопатками. Шийки на роторі служать для скріплення обох його половин і лежать в підшипниках; одна - в підшипнику корпусу, а інша, більшої довжини, виходить через підшипник кришки назовні. На останній закріплюють приводну шестерню або зірочку. При обертанні ротора за годинниковою стрілкою лопатка, що проходить лівий (всмоктуючий) патрубок, створює за собою розрідження, в результаті чого здійснюється всмоктування рідини, яке триває до моменту підходу цієї лопатки до нагнітального патрубка. Друга лопатка в цей момент перекриває всмоктуючий патрубок і при своєму подальшому обертанні нагнітає рідину через правий патрубок. В процесі експлуатації насоса відбувається знос лопаток, збільшується зазор між бічними стінками корпусу і ротором, а також між корпусом і окружністю ротора в нижній частині. Рівномірний знос лопаток по колу не робить помітного впливу на роботу насоса; збільшення ж торцевих зазорів і зазору в нижній частині зменшує об'ємний к. п. д., тому їх величина не повинна перевищувати 0,25 мм.

Двухшиберні насоси створюють тиск 0,5-0,6 МПа (5-6 кгс/см2) і подають рідину

нерівномірно. Для отримання більш рівномірної подачі і високого напору застосовують багатошиберні насоси з числом лопаток від 4 до 12.

Конструкція шиберного насоса подвійної дії представлена ​​на рис. 13. У цьому насосі всмоктування і нагнітання відбуваються два рази за один оборот ротора.

Основними елементами насоса служать: статор 5, розташований в корпусі 1, і ротор 4, що має 12 радіальних пазів, в які без зазорів вставлені лопатки 3. Ротор має цапфи, на яких він обертається у втулках дисків 6. Внутрішня порожнина насоса утворена дисками 6, щільно прилеглими до торців статора. Ротор приводиться в обертання приводним валом насоса 2, встановленим на двох шарикопідшипниках. Ротор і лопатки щільно пришліфовані по торцевим дискам б, а зовнішні кромки лопаток - також і до стінок порожнини статора.

Під впливом відцентрових сил, що виникають при обертанні ротора, лопатки притискаються до внутрішньої поверхні статора, що має еліптичну форму. Таким чином, кожна лопатка здійснює два зворотно-поступальних ходи за один повний оборот ротора. Переходячи від положень на кінцях малої осі еліптичної порожнини статора до положень на кінцях великої осі порожнини, лопатки висуваються з пазів ротора, а при зворотному переході заглиблюються в них. Величина ходу лопатки дорівнює різниці довжин великої і малої півосей еліпса. Принцип роботи цього насоса заснований на зміні обсягу, укладеного між двома сусідніми лопатками при обертанні ротора: при висуванні лопаток з пазів цей обсяг збільшується, а при зануренні лопаток в пази - зменшується.

Для здійснення всмоктування і нагнітання рідини внутрішня порожнина насоса за допомогою чотирьох вікон в торцевих дисках статора з'єднана на ділянках збільшення межлопаточного обсягу з камерою всмоктування (вікна 7 і 8), а на ділянках зменшення межлопаточного обсягу - з камерою нагнітання (вікна 9 і 10).

На рис. 14 приведена схема для визначення продуктивності шиберного насоса подвійної дії. Теоретична продуктивність залежить від основних робочих параметрів (ширини і товщини) і числа лопаток, частоти обертання ротора і радіусу (великого і малого) внутрішнього профілю статора. У працюючому насосі (ротор 4 обертається) рідина, всмоктується через вікно 1, заповнює обсяги між лопатками 3, обмежені профілем статора 2, його торцевими площинами й поверхнею ротора 4.

Кожен такий об'єм рідини являє собою сектор кільця перетином ММ, що визначається радіусами статора Rіrі шириною лопаток b при обертанні ротора цей обсяг переноситься лопатками від вікна / до вікна 5. При подальшому обертанні ротора через зменшення обсягу між лопатками робоча рідина витісняється через вікно 5.

Рис. 13. Шиберний насос подвійної дії,

Між лопатками, ротором і статором завжди залишається невеликий об'єм рідини, яка обертається разом з ротором насоса. Величина цього обсягу залежить від радіального зазору між статором і ротором, тобто від різниці між радіусом ротора R, і малим радіусом статора р.

Корисна площа перерізу ММ межлопаточного об'єму рідини дорівнює (R-г) b.

За кожен оборот ротора через перетин ММ проходять всі обсяги, укладені між лопатками, і, якщо не враховувати обсягу самих лопаток, з вікна всмоктування в вікно нагнітання переходить об'єм рідини q, що дорівнює об'єму кільця із зовнішнім радіусом R, внутрішнім г і шириною b:

Так як за один оборот ротора відбувається два робочих цикли, то повний обсяг, що нагнітається насосом за один оборот валу, дорівнюватиме qn = 2n (R2-r2) b

Позитивною якістю шиберного насоса подвійної дії є практично повна відсутність пульсацій в потоці рідини, що подається насосом, при числі лопаток ротора не менше

8-12.

На рис. 15 зображений гідромотор, що працює за принципом шиберного насоса. Гідромотори подібного типу використовуються на суднах в якості приводів до брашпиля і лебідок.

Гідромотор має литий чавунний корпус 1, забезпечений двома фланцями для приєднання трубопроводів. З бічних сторін корпус закривається кришками б, поставленими на паперові прокладки. Внутрішня поверхня корпусу оброблена по криволінійному контуру, частина якого складають дві дуги різного радіусу, проведені із загального центру. Ділянки контуру між дугами з'єднані плавними симетричними кривими. В розточений корпус поміщений циліндричний ротор 2, бічна поверхня якого прилягає до корпусу на дузі меншого радіусу. З боку більшого радіуса між корпусом і ротором утворюється канал постійного перетину на дузі 115-120 °.

Ротор, що складається з чотирьох частин, з'єднаних одна з одною болтами 12, закріплюється безпосередньо на вантажному валу 10 лебідки за допомогою шпонки 7 і стопорного гвинта 11. Між частинами ротора є радіальні пази, в які по точній ковзній посадці поміщені чотири лопатки 5.

Діаметрально розташовані лопатки розпираються стержнями 3 і пружинами 4, тому вони весь час виявляються щільно притиснутими до внутрішньої поверхні корпусу.

Вал 10, що спирається на роликові підшипники 9, виходить з корпусу через ущільнювальні сальники 8.

Рис. 15. Шиберний гідромотор

Рідина, що подається насосом в гідромотор, припустімо через верхній патрубок, чинить тиск на лопатку, призводить ротор в обертання і, пройшовши через гідромотор, по нижньому патрубку йде до насоса. Зміна напрямку обертання ротора здійснюється шляхом зміни напрямку підведення рідини до гідромоторів. Для цієї мети служить спеціальний розподільчий золотник, встановлений на посту управління механізмом.

Гідромотори цього типу при простій і компактній конструкції надійні в роботі, мають тривалий термін служби, безшумні і зручні в експлуатації.

Н а рис. 16 представлена ​​схема роботи ще одного ротаційного насоса - коловратного. Процес всмоктування і нагнітання у цих насосів здійснюється завдяки безперервному обертанню роторів в напрямках, зазначених стрілками.

На рис. 17 показана одна з різновидів конструкції фігурно-роторного насоса, що застосовується на судах для перекачування нафтопродуктів.

Насос складається з чавунного корпусу і чавунних кришок 10 і 11, між якими з малим осьовим зазором поміщений зіркоподібний сталевий внутрішній ротор 3. Ротор 3 закріплений на приводному валику 7, що лежить на шарикопідшипниках 8 і 13. Вихід вала з корпуса з одного боку ущільнений сильфонним обертовим сальником 9 з маслостійким графітовим кільцем 1, а з

Рис. 17. Фігурно-роторний насос

іншого - ущільненням 12 типу «Зіммерінг».

Зуби внутрішнього ротора входять у вирізи зовнішнього ротора 5, зовнішня поверхня якого по точної ковзної посадці підігнана до марнування циліндричної поверхні корпуса б,. Внутрішня поверхня зовнішнього ротора 5 точно підігнана по поверхні сегмента 4, виконаного заодно з правого кришкою 10.

Насос оснащений запобіжним клапаном 2. При обертанні внутрішнього ротора в напрямку стрілки, він захоплює за собою зовнішній ротор, і, оскільки останній розташований по відношенню до внутрішнього ротору ексцентрично, на частині обороту зуби внутрішнього ротора виходять із вирізів зовнішнього ротора. Таким чином створюється підсмоктуюча дія.

Рідина заповнює западини внутрішнього ротора і вирізи зовнішнього, проходить в них уздовж сегмента і виштовхується на другій частині обороту в нагнітальну порожнину

Водокільцеві насоси

Водокільцеві насоси використовуються як електроприводних вакуум-насосів випарних установок, для перекачування палива, в системах вакуумного перекачування і зачистки води нафтоналивних суден, а також як вакуумна щабель в відцентрових насосах з самовсмоктування.

На рис. 20 представлена ​​схема водокільцевого насоса. При обертанні ротора б робоча рідина відкидається його лопатками 5 до периферії циліндрів 1, утворюючи водяне кільце 4.

. Лопатки загнуті вперед для збільшення створюваного напору. Робочою порожниною служить серповидний в поперечному перерізі вільний простір, що утворюється внаслідок ексцентриситету між ротором і циліндром. Всмоктуючі 2 і нагнітальні 3 отвори розташовані в торцевих кришках. Продуктивність водокільцевих вакуумних насосів 170 м3 / годину, що забезпечується насосом вакуум досягає 95-97%.