Изучение конструкции объёмных и динамических нагнетателей

Лабораторная работа №5

Цель работы: изучение конструкций и принципа действия объёмных и динамических нагнетателей – шестеренных, пластинчатых, радиально-поршневых, аксиально-поршневых насосов, а также центробежных насосов. Составление конструктивных схем машин и эскизов основных рабочих элементов.

Оборудование: насосы шестеренные, пластинчатые, радиально-поршневые, аксиально-поршневые, центробежные.

Предварительная подготовка

Ознакомиться с назначением, принципом действия, устройством и конструкциями объёмных и динамических насосов различного типа

Методические указания

Насосы являются механизмами, служащими для преобразования механической энергии двигателя в механическую энергию состояния жидкости, для приведения в действие тех или иных исполнительных органов оборудования.

Во время работы насоса жидкости сообщается приращение давления либо за счёт скоростного напора (кинетической энергии), либо за счёт статического напора.

В результате приращения давления происходит перемещение жидкости из полости большого давления в полость меньшего давления. В гидравлических системах оборудования применяются насосы, создающие приращение давления за счёт статического напора. Такие насосы называются насосами объёмного действия.

Цикл работы насоса объёмного действия состоит из следующих элементов:

- создание вакуума в рабочей камере путём увеличения её объёма;

- заполнение рабочей камеры жидкостью из бака через линию всасывания под влиянием атмосферного давления.

- вытеснение жидкости из рабочей камеры путём уменьшения её объёма в линию нагнетания.

Увеличение и уменьшение объёма рабочей камеры насоса обеспечиваются движением нагнетающих частей. В период увеличения её объёма рабочая камера соединена с линией всасывания и разъединена с линией нагнетания. После заполнения жидкостью в период уменьшения её объёма рабочая камера соединена с линией нагнетания и разъединена с линией всасывания.

По конструкции рабочего органа объёмные насосы разделяются на шестеренные, пластинчатые (лопастные) и роторно-поршневые. Роторно-поршневые насосы в свою очередь делятся на аксиальные и радиальные роторно-поршневые, а также поршневые эксцентриковые.

По принципу распределения потоков рабочей жидкости между всасывающей и напорной гидролиниями насосы разделяются на насосы с замыканием рабочих органов (шестерённые и пластинчатые), с радиальным распределением потоков через вал и втулку (радиальные роторно-поршневые), с торцовым распределением потоков плоским или сферическим распределителем (аксиальные роторно-поршневые) и с клапанным распределением потоков (поршневые эксцентриковые).

Шестеренные и пластинчатые насосы применяются для рабочих давлений 12…16 МПа (120…160 кг/см²); аксиальные и радиальные роторно-поршневые – для давлений 20…30 МПа (200…300 кг/см²) и поршневые эксцентриковые для давления 50 МПа (500 кг/см²) и выше.

Шестеренные насосы с внешним зацеплением шестерен по сравнению с насосами других типов получили наибольшее распространение. Это объясняется простотой их изготовления и эксплуатации, малыми габаритами и массой, сравнительно высоким КПД, лёгкостью реверсирования, достаточной надёжностью и долговечностью.

В шестеренных насосах допускаются большие кратковременные перегрузки по давлению, величина которых определяется лишь конструкцией подшипников.

К недостаткам шестеренных насосов относятся: наличие полости с защемляемым объёмом рабочей жидкости, внутренние утечки через торцевые зазоры шестерен и корпуса насоса, значительный шум и пульсация потока.

На рисунке 1 представлена конструкция шестеренного насоса с гидравлической компенсацией торцевых зазоров.

В корпусе насоса 1 имеются два ступенчатых глухих отверстия для размещения шестерен 2 и 5, и двух пар втулок 3 и 11. Втулки закрывают отверстия для шестерен и одновременно являются подшипниками валиков насоса, выполненных заодно с шестернями.

Корпус закрыт крышкой 4 при помощи болтов 12. Крышка имеет центрирующий выступ для соосного монтажа вала насоса с приводным валом и отверстия 16 для монтажных болтов. Для предотвращения утечки масла по стыку корпуса и крышки в выемке Д по контуру корпуса уложено кольцо круглого сечения 10 из маслостойкой резины. Масло, проникающее при работе насоса через зазоры между втулками и корпусом из полости давления насоса Т в полость Д, создаёт давление на кольцо 10 с усилием, соответствующим давлению масла плюс усилие от предварительного сжатия кольца, при этом обеспечивается требуемая герметичность стыка. На хвостовике валика ведущей шестерни имеются шлицы для соединения с приводом.

В крышке насоса имеется уплотнение 7 для предотвращения утечки масла по хвостовику приводного валика из полости С. С торца уплотнение закрыто кольцом 8 и зафиксировано в осевом направлении замковой шайбой 9.

В боковых частях корпуса имеются отверстия для всасывания В и нагнетания Г. Для уплотнения зазоров между сопрягающимися поверхностями втулок 11 и крышки 4 поставлены резиновые кольца 6.

В месте пересечения отверстий корпуса втулки 3 и 11 имеют лыски, по которым их стыковые плоскости К прилегают друг к другу. При параллельном положении лысок между ними образуется зазор величиной около 0,1 мм.

Рисунок 1 - Шестеренный насос с гидравлической компенсацией торцевых зазоров

При повороте втулок в разные стороны этот зазор «выбирается» и создаётся плотное прилегание лысок друг к другу. При этом стык втулок располагается под некоторым углом к горизонтали (см. разрез А–А). При работе насоса под давлением указанный поворот втулок обеспечивается за счёт трения шестерен о торцы втулок.

Для создания предварительного поворота втулок применены изогнутые проволочки 15, которые обеспечивают «выборку» зазора между лысками. Проволочки вставляются в соответствующие отверстия во втулках.

На торцах втулок имеются канавки 17 для разгрузки от давления запираемого между зубьями шестерен масла.

Гидравлический поджим втулок происходит следующим образом. Полость Д соединена с полостью нагнетания Т каналом Р, который образован за счёт фрезеровки лыски на корпусе в месте пересечения отверстий. Таким образом, к кольцевым площадям втулок 11 поводится рабочее давление насоса, создающее их прижим к шестерням и соответственно шестерен ко втулкам 3. Торцевые зазоры в насосе «выбираются» и остаются в пределах толщины масляного слоя, зависящего от вязкости масла и результативного удельного давления.

Так как давление во впадинах зубьев шестерен насоса постоянно падает от камеры нагнетания до камеры всасывания, то если подвести давление ко всей кольцевой поверхности втулок 11 из камеры Д, отсутствие встречного давления на втулки из части впадин шестерен вызовет перекос втулок.

Для избежания перекоса втулок и связанных с ним явлений неравномерного износа и заедания часть площади торцов втулок 11 разгружается от давления следующим образом. В полости Д между торцами крышки 4 и втулок 11 устанавливается пластина 13, по контуру которой укладывается резиновое кольцо 14 круглого сечения, изолирующее площадь, занятую пластинкой от давления. Резиновое кольцо при соединении крышки с корпусом получает предварительное сжатие. Давление масла на кольцо стремится вдавить его между пластиной и крышкой и между пластинкой и торцами втулок и уплотняет эти соединения.

Незначительная утечка масла, проникающая за контур пластинки, отводится через отверстие Л по каналу, аналогичному каналу Р, во всасывании. Это устройство позволяет уравновесить давления изнутри и извне втулок и способствует равномерному износу втулок.

В связи с повышением давления насосов и стремлением обеспечить их высокий объёмный КПД гидравлическая компенсация торцовых зазоров находит всё большее применение.

Центробежные насосы в силу целого ряда своих качеств являются самыми распространёнными из всех типов насосов. Широкий диапазон подач (до десятков м³/с) и напоров, высокая частота вращения, доходящая до десятков тысяч оборотов в минуту и сравнительно высокий КПД (80…85 %) позволяют использовать их в самых различных отраслях народного хозяйства в качестве питательных насосов для подачи воды, циркуляционных, сетевых – для нужд теплофикации и т.д.

Центробежные вентиляторы используются для проветривания помещений в качестве тяго-дутьевых машин (дутьевых вентиляторов).

На рисунке 2 представлен продольный разрез простейшего центробежного насоса. Основными элементами указанной конструкции насоса являются: корпус 3, внутри которого на валу 4 насажено рабочее колесо 2, подшипники 6, наружное уплотнение вала 5.

На рисунке 3 представлена схема этого насоса. Рабочее колесо, в каналах которого происходит повышение энергии жидкости, состоит из переднего 4 и заднего 7 дисков. Между дисками размещены лопасти 1, образующие криволинейные каналы. Передний диск имеет уплотнительное кольцо 2, предназначенное для герметизации (уменьшения протечек) напорной части насоса от приёмной. Подвод 3, выполненный в виде сходящегося патрубка, улучшает условия поступления жидкости на рабочее колесо. В месте выхода вала из корпуса устанавливается уплотнение 8.

На рисунке 4 показаны основные геометрические параметры рабочего колеса. Рабочие колёса могут быть с односторонним и двусторонним подводом жидкости, как это показано на рисунке 5, т.е. жидкость подводится к рабочим органам с двух противоположных сторон.

По конструктивному оформлению рабочие колёса бывают закрытые (рисунок 6, а), имеющие передний и задний диски; полузакрытые (рисунок 6, б), в которых отсутствует передний диск и лопасти крепятся к заднему диску; открытые (рисунок 6, в), имеющие втулки с закреплёнными на них лопастями. Межлопаточные каналы в этом случае образуются лопастями и стенками корпуса.

Преимуществом полузакрытых и открытых рабочих колёс является отсутствие потерь, вызванных трением наружных поверхностей дисков о жидкость в корпусе насоса.

Рисунок 2 - Консольный одноступенчатый центробежный насос:

1 – уплотнительное кольцо; 2 – рабочее колесо; 3 – корпус; 4 – вал; 5 – уплотнительный сальник; 6 – подшипники; 7 – соединительная муфта

Рисунок 3 - Схема устройства центробежного насоса:

1 – лопасть рабочего колеса; 2 – уплотнительное кольцо рабочего колеса; 3 – подводящий патрубок; 4 – передний диск рабочего колеса; 5 – рабочее колесо; 6 – корпус; 7 – задний диск рабочего колеса; 8 – сальниковое уплотнение; 9 – вал; 10 – диффузор

Рисунок 4 - Основные Рисунок 5- Рабочее колесо с

геометрические параметры двусторонним входом жидкости

рабочего колеса

Центробежный насос может быть одноступенчатым, т.е. иметь одно рабочее колесо, либо многоступенчатым, когда на валу последовательно закреплено несколько рабочих колёс.

Корпус насоса объединяет все его элементы и выполняет следующие функции: собирает жидкость, выходящую из рабочего колеса и направляет её в напорный трубопровод. Насос может быть однопоточным, в котором жидкость подаётся через один отвод; двухпоточным, в котором жидкость подаётся через два отвода; многопоточным, имеющим несколько отводов.

Рисунок 6- Схематическое Рисунок 7- Схема последовательного

изображение рабочих колёс включения рабочих колёс

различного типа: центробежного насоса

а - закрытое колесо;

б – полузакрытое;

в – открытое;

1 – лопасть колеса;2 – корпус насоса

Одна из особенностей центробежного насоса – невозможность пуска его в действие без предварительного залива перекачиваемой жидкостью, так как наличие зазора между уплотнительным кольцом рабочего колеса и корпусом не позволяет создать необходимого разряжения и обеспечить поступление жидкости к рабочему колесу. Чтобы запустить насос, его корпус и весь приёмный трубопровод должны быть заполнены перекачиваемой жидкостью. При вращении рабочего колеса лопасти захватывают жидкость, которая под влиянием сил, возникающих при обтекании ею лопастей, отбрасывается от центра колеса к периферии, попадает в корпус и далее в напорный трубопровод.

Порядок выполнения

1. Произвести разборку насоса того или иного типа.

2. Изучить конструкцию основных рабочих органов насосов и его комплектующих элементов.

3. Составить эскизы основных рабочих элементов насоса (шестерен, ротора лопастного насоса и рабочих пластин и т.д.).

4. Составить конструктивную схему того или иного типа насоса.

5. Осуществить сборку насоса.

Контрольные вопросы

1.Принцип действия и особенности объёмных поршневых насосов.

2.Принцип действия и особенности объёмных лопастных насосов.

3.Принцип действия и особенности объёмных шестерных насосов.

4.Что представляет собой полный напор насоса?

5.Как определяется наибольшая допустимая высота всасывания насоса?

6.Что представляет собой кавитация при работе насоса?

7.На чём основан принцип работы центробежного насоса ?

8.Что представляют собой «утечки» при работе центробежного насоса?

9.Как изменится напор, если центробежный насос, нагнетающий воду, станет с теми же скоростями нагнетать воздух?

10.Что такое явление кавитации при работе центробежного насоса?