Вопрос 2: Устройство шестеренных, поршневых и лопастных насосов.

Шестеренные насосы, благодаря простой конструкции и надежности в работе, широко распространены в гидроприводах дорожных машин. Принцип действия шестеренного насоса заключается в следующем.

Две шестерни равной ширины ведущая 1 и ведомая 2 находятся в зацеплении и расположены в корпусе 3 с минимальным радиальным зазором. К торцовым поверхностям шестерен прилегают боковые стенки насоса. При вращении шестерен жидкость, заполняющая впадины между зубьями, переносится шестернями по внутренней поверхности корпуса (показано стрелками) из полости всасывания А в полость нагнетания Б.

Объемный КПД в основном зависит от утечек рабочей жидкости через зазоры, образованные головками зубьев и корпусом насоса, а также между торцовыми поверхностями шестерен и боковыми стенками корпуса. Кроме того, дополнительно возникают утечки по линии контакта зубьев. Чтобы уменьшить радиальные утечки, зазор между шестернями и корпусом насоса делают минимальным, а для снижения торцовых утечек боковые стенки автоматически прижимаются к торцовым поверхностям шестерен жидкостью под рабочим давлением. Максимальное значение КПД шестеренных насосов — 0,8...0,95.

Поршневые насосы можно назвать одним из древнейших изобретений человечества. Еще греческий изобретатель Ктесибий в III в. до н.э. применил при тушении пожара насос, имевший два поршня. С тех пор поршневые насосы претерпели множество изменений, но их принцип остался неизменен.

Поршневые насосы, выпускаемые в широком ассортименте, разнообразны по своей конструкции и применяемых материалах. Чтобы понять принцип работы поршневой гидравлической машины, можно рассмотреть рабочий цикл обыкновенного одноступенчатого устройства. Изучаемый вариант состоит из рабочей камеры (цилиндра), и поршня, совершающего в нем возвратно-поступательное движение.

Как правило, в современных устройствах для передачи движения поршню применяют кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий движение вращения в возвратно-поступательное. Камера имеет напорное и всасывающее отверстия, оснащенные клапанами. При движении поршня и увеличении объема рабочего цилиндра давление в нем падает, в результате чего открывается клапан и пропускает внутрь определенное количество жидкости.

При обратном движении поршня в камере насоса генерируется избыточное давление; клапан всасывания перекрывается, а подачи - наоборот, открывает жидкости доступ в нагнетательный трубопровод. При этом жидкость будет поступать в напорный коллектор прерывисто, в зависимости от частоты движения поршня.

Для того, чтобы увеличить КПД поршневых машин и стабилизировать давление в напорном трубопроводе, применяют насосы двухстороннего действия и имеющие несколько цилиндров агрегаты. Насосы двухстороннего действия, в отличие от описанных выше, имеют поделенный пополам цилиндр, каждая часть которого имеет свой напорный и всасывающий патрубки, оснащенные клапанами. При движении поршня, в разных частях цилиндра создается либо избыточное, либо всасывающее давление, под действием которого открывается та или иная пара клапанов.

В качестве дополнительного прибора, обеспечивающего равномерную подачу поршневых насосов, применяются также воздушные колпаки, представляющие собой емкость, заполненную до некоторого уровня воздухом. При выбросе жидкости из камеры насоса, воздух, благодаря своей упругости, гасит часть давления, а при обратном цикле - воздух расширяется, и подача жидкости в напорный трубопровод или резервуар продолжается.

К недостаткам поршневых насосов следует отнести сложность изготовления, и как следствие, их высокую стоимость. К тому же, такие насосы требуют дополнительных уплотнительных приспособлений между стенками рабочей камеры и поршня, которые в результате воздействия сил трения подвержены износу.

Поршневые насосы описанной конструкции не применимы для перекачки сред, содержащих абразивные частицы. Зачастую такие насосы требуют дополнительной системы охлаждения. Последовательное соединение поршневых насосов с возвратно поступательным движением поршня не применяется, т.к. высокое давление на входе неприемлемо.

Неоспоримыми достоинствами поршневых насосов является возможность генерирования больших напорных значений при малых габаритах, взаимозаменяемость деталей, возможность регулировки давления в напорном трубопроводе путем изменения частоты движения или хода поршней.

Лопастные (а среди них – центробежные) – основной тип насосов как с точки зрения производительности и универсальности, так и их распространенности (не менее 75% промышленных насосов). Самые маленькие можно взять в руку, а самые большие достигают нескольких метров в диаметре. Мощность центробежных насосов может составлять от долей киловатта до многих тысяч киловатт.

На рисунке показан центробежный насос. Жидкость поступает к центральной части рабочего колеса (крыльчатки). Крыльчатка установлена на валу в корпусе и приводится во вращение электрическим или другим двигателем. Энергия вращения передается крыльчаткой жидкости; жидкость перемещается на периферию крыльчатки, собирается в кольцевом коллекторе (улитке) и удаляется через выходной патрубок. Патрубок имеет расширяющуюся форму; скорость потока в нем падает, и часть кинетической энергии жидкости, приобретенной в рабочем колесе насоса, преобразуется в потенциальную энергию давления. Увеличение давления на выходе из насоса может быть достигнуто увеличением либо частоты вращения, либо диаметра крыльчатки.

При заданной частоте вращения центробежный насос, работает с максимальным КПД только при расчетных значениях расхода и давления. На расчетном режиме КПД центробежного насоса может превышать 90%, на худших (нерасчетных) режимах может составить менее 10%. Перекачка жидкости с минимальными затратами энергии требует правильного выбора типа насоса, тщательного проектирования и согласования его характеристик с характеристиками системы в целом.

В центробежном насосе происходит поворот потока жидкости на 90° от осевого направления к радиальному. В осевых лопастных насосах жидкость движется примерно в осевом направлении, а рабочее колесо имеет форму корабельного винта. Такие насосы наиболее эффективны при больших расходах и малых перепадах давления. Существуют конструкции лопастных насосов, промежуточные между радиальными и осевыми; они обычно используются при больших расходах и умеренных давлениях.

Ось вращения лопастного насоса может быть горизонтальной или вертикальной, входных патрубков может быть один или два; существуют и насосные агрегаты с несколькими рабочими колесами. Многоступенчатые лопастные насосы используются для откачки воды из шахт, в системах водоснабжения и канализации.