Вертикальные центробежные и осевые насосы для перекачивания воды и чистых жидкостей

Насосы типа НДСВ. Одноступенчатые вертикальные насосы среднего напора с двусторонним входом жидкости в рабочее колесо выпускаются двух размеров: 207ДВ и 24НДВ с подачей 2700-6500 м³/ч и напором 40-79 м.

Насосы типа В. Одноступенчатые вертикальные насосы с односторонним входом жидкости в рабочее колесо типа В являются наиболее крупными насосами. Они выпускаются нескольких размеров с подачей от 3000 до 6500 м³/ч и напором 18-72 м.

Артезианские насосы типа НА и А. Многоступенчатые секционные насосы с вертикальным валом находят применение в водоснабжении для подъема воды из артезианских скважин.

Артезианский насос изобретен и сконструирован в 1898 г. русским инженером В.А. Пушечниковым. Насосы типа НА предназначены для скважин диаметром приблизительно 300 мм, имеют от трех до восьми рабочих колес, развивают напор от 33 до 88 м и обеспечивают подачу до 150 м³/ч. Насосы типа А предназначены для скважин диаметром 20 и 24 дюйма, имеют подачу 400-1400 м³/ч и развивают напор 22-102 м. Артезианские насосы имеют небольшую высоту всасывания (0,8...1,0 м).

Насосы для загрязненных жидкостей и взвешенных веществ

 

Канализационные насосы. Для подачи фекальных, волокнистых и загрязненных жидкостей изготовляются насосы нескольких разновидностей: горизонтальные одноступенчатые консольные типа МФ с подачей 36-864 м³/ч и напором 6-50 м; вертикальные одноступенчатые типа НФВ с подачей 36-150 м³/ч и напором 13-68 м; вертикальные одноступенчатые типа ФВ с подачей 2500-5000 м³/ч и напором 24-32 м.

Землесосы. Специальные насосы, предназначенные для перекачивания смеси воды с грунтом (пульпы) и называемые землесосами, находят большое применение в гидростроительстве при механизации земляных работ. Землесосы выпускают нескольких типов: Р, НЗ и др. с подачей от 300 до 3600 м³/ч и напором 20-58 м. Промышленностью изготовляются также и менее производительные насосы для подачи песка, взвешенного в воде, например песковые насосы типа НП с подачей 23-500 м³/ч и напором 6-30 м.

Кроме перечисленных выше типов насосов, выпускают разнообразные центробежные насосы специального назначения:

многоступенчатые питательные насосы типов М и П для питания водой паровых котлов повышенного давления с подачей 36-110 м³/ч и напором 450-750 м, конденсатные насосы типов К и КД для подачи конденсата температурой до 120°С, с подачей 30-180 м³/ч и напором 35-228 м, насосы для кислот, щелочей, различных технологических жидкостей, растворов и др.

 

РОТОРНЫЕ НАСОСЫ

 

КЛАССИФИКАЦИЯ РОТОРНЫХ НАСОСОВ

 

Роторные насосы относятся к объемным и разделяются по характеру движения рабочих органов-вытеснителей на роторно-вращательные и роторно-поступательные.

Роторно-вращательные насосы имеют вытеснители, совершающие только вращательное движение. К ним относятся зубчатые и винтовые насосы. В свою очередь зубчатые насосы подразделяют на шестеренные и коловратные. Роторно-поступательные насосы по виду рабочих органов и рабочих камер делятся на шиберные и роторно-поршневые. Шиберные насосы в свою очередь по виду шиберов разделяют на пластинчатые и фигурно-шиберные.

Роторно-поршневые насосы по расположению рабочих камер разделяются на радиально-поршневые и аксиально-поршневые.

По расположению ротора аксиально-поршневые насосы изготавливают с наклонным блоком и с наклонным диском.

В роторных насосах отсутствуют всасывающие и напорные клапаны. Этим они отличаются от поршневых насосов. Кроме того, роторные насосы имеют отличительные от поршневых насосов свойства, благодаря которым они объединены в самостоятельную подгруппу. К таким свойствам относят: обратимость, высокую быстроходность, большую равномерность подачи, чем у поршневых насосов; кроме того, они работают только на неагрессивных жидкостях, обладающих смазывающими свойствами. Ниже рассматриваются наиболее распространенные роторные насосы.

 

ШЕСТЕРЕННЫЕ НАСОСЫ

 

Шестеренные насосы изготовляют с наружным или внутренним зацеплением шестерен. Насосы с наружным зацеплением более просты в изготовлении, поэтому их применяют значительно чаще. Компактные насосы с внутренним зацеплением применяют в установках малых размеров.

Шестеренный насос (рис. 10.17, а) имеет корпус, две крышки и пару зубчатых колес, насаженных на валики. В крышках размещены подшипники и сальники ведущего и ведомого валиков.

В корпусе насоса 1 предусмотрены два отверстия: всасывающее 2 с той стороны, где зубья шестеренок при вращении расходятся, и нагнетательное 3 с противоположной стороны.

Принцип действия насоса заключается в следующем. Ведущий валик насоса с насаженной на нем шестеренкой приводится во вращение от двигателя. От ведущей шестеренки получает вращательное движение и ведомая шестерня. При вращении шестеренок зубья их в полости всасывания В расходятся. При этом жидкость, находящаяся во впадинах между зубьями, перемещается и во всасывающей полости образуется разрежение, благодаря которому обеспечивается поступление жидкости ко всасывающему отверстию. Перенесенная впадинами между зубьями жидкость из полости всасывания В в полость нагнетания Н при входе зубьев в зацепление вытесняется и поступает далее в нагнетательный трубопровод.

 

Рис. 10.17. Шестеренные насосы

 

При работе шестеренного насоса во впадинах между зубьями может развиваться высокое давление, которое передается на валики и опоры насоса. Для разгрузки насоса необходимо избегать запирания жидкости во впадинах между зубьями. Для этой цели в насосах высокого давления во впадинах устраивают радиальные каналы для отведения запертой жидкости и обеспечения разгрузки валиков и опор насосов (рис. 10.17, б).

Шестеренные насосы изготовляют для низкого (до 1 МПа), среднего (до 3 МПа) и высокого (10 МПа) давления.

Насосы низкого давления обычно используют в системах смазки и охлаждения станков и машин. Насосы среднего давления применяют в гидроприводах станков, силовому органу которых нужно сообщать быстрые перемещения, например для сверлильных и шлифовальных станков. Насосы высокого давления используют в гидроприводах в случае необходимости передачи рабочему органу станка большого усилия.

Шестеренные насосы выпускают как с электродвигателем, так и без него. Вал насосов соединяется с приводным валом при помощи эластичной муфты.

Наиболее распространенными шестеренными насосами являются НШ-39-2, НШ-39М, НШ-39-2И и др. (табл. 10.2).

Шестеренные насосы при работе создают пульсацию расхода, а следовательно, и пульсацию вращающего момента, что отрицательно влияет на конструкцию насоса. Этот недостаток устраняется у винтовых насосов.

Шестеренные насосы бывают двухшестеренные (рис. 10.17, а, б) и трехшестеренные (рис. 10.17, в). При вращении средней ведущей шестерни трехшестеренного насоса по часовой стрелке в каналах 1 и 3 происходит всасывание жидкости, а в каналах 2 и 4 - нагнетание. Каналы 1 и 3, а также каналы 2 и 4 соединяются между собой. По сравнению с двухшестеренным трехшестеренный насос имеет большую подачу, но меньший объемный КПД (ввиду больших утечек).

Насосы с четырьмя, пятью и большим числом шестерен, практически не выпускают из-за низкого КПД.

За последнее время появились шестеренные насосы с гидравлической компенсацией торцевых зазоров, обеспечивающей повышение объемного КПД. Такие насосы могут работать с давлением до 10 МПа и более. Гидравлическая компенсация торцевых зазоров в шестеренных насосах осуществляется следующим образом (рис. 10.17, г). Жидкость под давлением, созданным в насосе, подводится в полость и прижимает подвижную втулку В к шестерне Ш с усилием, обеспечивающим достаточное уплотнение по торцу. Для нормальной гидравлической компенсации необходимо, чтобы втулка прижималась к шестерне, не вызывая сильного трения и повышенного износа торцов втулки и шестерни.

Кроме гидравлической компенсации торцевых зазоров, применяют способ уменьшения их при помощи боковых прокладок, имеющих ячейки с эластичными стенками. Прокладку в виде шайбы ставят между шестерней и корпусом насоса. При работе насоса через отверстие прокладки в стенках ячейки заполняют маслом. Под давлением масла, находящегося в ячейках, перегородки последних деформируются и прижимаются к торцам шестерни, выбирая зазоры.

Подачу шестеренного насоса определяют по формуле

, (10.65)

где - площадь впадины зуба, дм²; - ширина зуба (ширина шестерни), дм; - число зубьев на одной шестерне; - частота вращения, мин^-1; - объемный КПД насоса, значение которого принимается в пределах 0,8...0,9, в зависимости от плотности пригонки деталей, скорости вращения и вязкости жидкости.

Учитывая трудности при измерении площади впадины зуба, подачу шестеренного насоса с двумя одинаковыми шестернями определяют и по другой формуле:

, (10.66)

где - диаметр начальной окружности шестерни, дм; - модуль зацепления; - поправочный коэффициент, учитывающий разницу между действительным объемом впадин зубьев и расчетным кольцевым объемом (в среднем =l,l).

Так как

,

то

. (10.67)

Окружная скорость шестеренных насосов должна быть не выше 6-8 м/с. При больших окружных скоростях возникает чрезмерное разрежение у оснований впадин между зубьями, что приводит к явлению кавитации и ухудшению работы насоса.

Для шестеренных насосов рекомендуют следующие окружные скорости в зависимости от вязкости жидкости:

Вязкость жидкости,

°Е 2 6 10 20 40 70 100

Скорость, м/с 5 4 3,7 3 2,2 1,6 1,26

Скорость течения жидкости во всасывающем патрубке шестеренного насоса обычно допускается в пределах 1...2 м/с.

Давление жидкости на шестерню определяют по формуле

, (10.68)

где - диаметр окружности головок зубьев шестерен, см; - ширина шестерни, см; - давление, создаваемое насосом, Па.

Мощность шестеренного насоса определяют по формулам:

, или , (10.69)

где - подача насоса, л/мин; - угловая скорость, рад/с; - частота вращения, мин^-1; - крутящий момент на валу насоса, Н×м; - КПД насоса; - давление насоса, МПа.

В разгруженных насосах (рис. 92, б) давление на шестерню приближается по величине к окружному усилию вращения насоса.

В дальнейшем имеется тенденция к созданию шестеренных насосов с большим числом оборотов и давлением более 10 МПа. Например, в США шестеренные насосы с наружным зацеплением изготавливаются с подачей =0,75...550 л/мин и давлением =0,7...17,5 МПа при частоте вращения =1200...3600 мин^-1.

Английская фирма «Киловейт» в 1956 г. на Олимпийской выставке демонстрировала гамму шестеренных насосов с основными параметрами: =22...1200 л/мин; =12 МПа; =3000 мин^-1.

 

ВИНТОВЫЕ НАСОСЫ

 

Винтовые насосы с прямоугольной нарезкой впервые появились в первой четверти нашего столетия, но тогда они не получили распространения ввиду низкого КПД.

В 1932 г. шведский инженер Монтелиус создал винтовые насосы с профилем нарезки винтов, очерченным циклоидальными кривыми. Насосы с такой нарезкой называют насосами с циклоидальным зацеплением. Винтовые насосы с циклоидальным зацеплением создают хорошую герметичность при работе и имеют высокий КПД.

Работы по созданию винтовых насосов в СССР начались с 1934 г. Теоретическое обоснование профилей нарезки винтов Монтелиуса впервые было дано Г.В. Складневым (ВИГМ). В разработке теории винтовых насосов участвовали многие советские ученые: А.Е. Жмудь, О.А. Пыж, И.И. Куколевский, О.В. Байбаков, А.М. Васильев и др.

Винтовые насосы в настоящее время находят все большее применение в гидроприводах автоматических линий, станков и машин, в судостроении и других областях техники.

Винтовые насосы относятся к типу объемных, где подача осуществляется путем вытеснения жидкости винтами. Винты (рис. 10.18, а) являются рабочим органом насоса и совершают при работе только вращательное движение. У винтового насоса отсутствует возвратно-поступательное движение поршня или плунжера, нет всасывающего и нагнетательного клапанов, что является основным преимуществом перед поршневыми насосами. Винтовые насосы имеют малые габариты, обладают легкостью и быстротой, способны создавать давления до 20 МПа и более и частоту вращения винтов до 10000 мин^-1; имеют безпульсационную подачу жидкости.

Рабочим винтом у этих насосов является только один ведущий. Ведомые винты служат как бы уплотнителями, препятствующими протеканию жидкости из камеры нагнетания в камеру всасывания. Внутренний диаметр ведущего винта и наружные диаметры ведомых винтов всегда равны между собой.

Нарезки трех винтов во время работы насоса, соприкасаясь между собой, образуют непрерывную поверхность раздела, которая обладает хорошей герметичностью и выполняет роль поршня при перемещении жидкости из камеры всасывания в камеру нагнетания.

Рис. 10.18. Винтовые и пластинчатые насосы

 

Поверхность раздела в пределах каждого шага винта повторяется и, следовательно, с увеличением числа шагов по рабочей длине винтов число полостей возрастает. Каждая такая полость в пределах шага винта является отдельной ступенью, как это мы имеем в многоступенчатом насосе, что позволяет вследствие увеличения длины винтов создавать большие давления с высоким объемным КПД.

Винтовой насос имеет три основные части: статор - корпус насоса с полостями, примыкающими к камере всасывания и камере нагнетания, расположенными на концах винтов; ротор - винт (ведущий), который приводится во вращательное движение от двигателя; замыкатели - ведомые винты насоса, служащие для уплотнения насоса и не дающие жидкости перетекать из камеры нагнетания в камеру всасывания.

Для уравновешивания осевого давления, действующего от камеры нагнетания к камере всасывания, в винтах насоса или в его корпусе устраивают каналы, по которым жидкость со стороны камеры нагнетания подводится под торцы винтов в камере всасывания. Для защиты от повреждений насоса и всей гидросистемы в корпусе вмонтирован предохранительный клапан.

Принцип действия винтового насоса заключается в следующем. От двигателя ведущий винт приводится во вращательное движение, при этом поверхность раздела винтов отсекает объем жидкости, находящейся во впадинах винтов в камере всасывания. После этого жидкость движется вдоль винтов в камеру нагнетания и далее в нагнетательную трубу насоса. Как только будет отсечен объем жидкости в камере всасывания и жидкость начнет двигаться к камере нагнетания, в камере всасывания возникает разрежение (вакуум), вследствие чего по всасывающей трубе жидкость снова поступает в камеру всасывания и заполняет впадины винтов; далее процесс повторяется, сохраняя непрерывность работы насоса.

Следует отметить, что если жидкость до отсечения ее объемов поверхностью раздела двигалась под действием давления (разность между и ), то дальнейшее ее движение вдоль винтов происходит под действием давления на нее (как поршня) поверхности раздела винтов. Жидкость подается насосом непрерывно, что обеспечивает равномерную, без пульсации подачу жидкости.

По числу винтов различают одно-, двух-, трех-, четырех- и пятивинтовые насосы. Наиболее распространенными являются трехвинтовые насосы.

Винтовые насосы изготовляют на давление от 0,4-0,7 МПа до 20 МПа и более.

Теоретическую подачу винтового насоса определяют следующим образом. Подаваемый винтами за один оборот винтов объем жидкости

,

где - живое сечение впадин между витками винтов; , - шаг винта; , где - угол подъема винтовой линии; обычно =26...46° (при такой величине исключается самоторможение).

Если за оборотов в минуту подаваемый объем жидкости

,

то в минуту теоретическая подача насоса

(10.70)

или

. (536)

Теоретическая подача в 1 с

,

или

. (10.71)

В формулах (10.69), (10.70) и (10.71):

- диаметр окружности выступов ведомого винта и диаметр окружности впадин ведущего винта; - частота вращения ведущего винта в минуту.

Действительная подача насоса

,

где - объемный КПД насоса, обычно =0,8...0,95; при этом чем большую насос имеет подачу , тем больше КПД.

Полный КПД насоса

,

где - механический КПД, учитывающий механические.потери в винтах, подшипниках и сальниках винтов, =0,85..0,95; =0,95 относится к насосам большой мощности; - гидравлический КПД, учитывающий гидравлические потери, однако у винтовых насосов они настолько незначительны вследствие небольших скоростей жидкости в проточных каналах корпуса и винтов насоса, что принимают =1. Тогда полный КПД винтового насоса

. (10.72)

Для обеспечения безкавитационной работы винтового насоса частоту вращения определяют на неравенства

, (10.73)

где - подача, л/с; - объемный КПД насоса, который для предварительных расчетов следует брать в пределах 0,8...0,85.

Допустимую высоту всасывания у винтовых насосов можно принимать до 8-9 м.

Обычно число витков нарезки на рабочей длине винта принимают: для насосов низкого давления ; для среднего давления и для высокого давления .

Наиболее распространенными винтовыми насосами являются насосы серии МВН.

 

ПЛАСТИНЧАТЫЕ НАСОСЫ

 

Пластинчатые насосы типа ЛФ, применяемые в гидроприводах станков, выпускаются отечественной промышленностью давлением до 6,5 МПа при подаче от 5 до 200 л/мин.

Пластинчатый насос (рис. 10.18, б) имеет статор 1, ротор 6 с наклоненными к радиальному направлению лопатками 4 и вал насоса 8. Приводной вал насоса имеет с одной стороны шариковый подшипник, с другой стороны два подшипника скольжения. Подшипник скольжения, имея значительную длину, обеспечивает хорошее уплотнение. Внутренняя поверхность статора насоса имеет эллипсообразную форму. В боковых дисках насоса предусмотрены четыре отверстия. Через два отверстия жидкость засасывается, а через два других нагнетается.

Благодаря эллипсообразной форме внутренней поверхности статора за каждый оборот ротора его лопатки при вращении дважды выходят из пазов, захватывая жидкость, поступающую из всасывающих отверстий торцевых дисков насоса и дважды входят обратно в пазы, выталкивая при этом захваченную жидкость в отверстия нагнетания торцевых дисков. Такие пластинчатые насосы относятся к насосам двойного действия. Насосы могут быть и одинарного действия; у них имеется одно отверстие для всасывания и одно для нагнетания. Внутренняя поверхность статора у таких насосов имеет круглую форму.

При вращении ротора насоса по часовой стрелке (рис. 10.18, а) всасывание происходит в левом верхнем и правом нижнем квадрантах 3 и 7, а нагнетание - в правом верхнем и левом нижнем 5 и 2. Так как нагнетание жидкости осуществляется одновременно в двух противоположных квадрантах, радиальное давление жидкости на ротор уравновешивается и тем самым уменьшается нагрузка на подшипники и вал насоса.

Кроме одинарных, изготовляют сдвоенные лопастные насосы, что позволя ет получить давление до 10 МПа. Сдвоенные насосы представляют собой два насоса, смонтированных на одном общем приводном валу. Обычно спаривают два насоса разной подачи, создающих разные давления. Насос с меньшей подачей имеет большее давление (6,5 МПа), а насос с большей подачей создает давление до 2,5 МПа. Каждый из сдвоенных насосов имеет всасывающие и нагнетательные отверстия Пластинчатые насосы можно соединить последовательно, что дает возможность получать давление до 10 МПа. и выше. Выведем расчетную формулу подачи пластинчатого насоса двойного действия.

Без учета объема пластинок подача пластинчатого насоса двойного действия будет равна

, (10.74)

где - подача насоса, л/с; - ширина ротора, м; - рабочая высота пластинки, м; - скорость движения центра тяжести рабочей части пластинки, м/с. Рабочая высота пластинки:

, (10.75)

где и - большой и малый радиусы внутренней расточки в статоре, м.

Расстояние от центра вращения ротора до центра тяжести рабочей высоты пластинки , тогда скорость движения центра тяжести пластинки будет равна

, (10.76)

где - угловая скорость вращения ротора, рад/с.

Во избежание кавитации окружная скорость вращения в пластинчатых насосах, как и в шестеренных, не должна превышать 6-8 м/с. Имея в виду, что , получим

,

здесь - частота вращения ротора, мин^-1. Тогда подача насоса

или

. (10.77)

При выводе формулы (10.77) мы не учли объем пластинок.

Площадь пластинок

, (10.78)

где - число пластинок в насосе, шт.; - толщина пластинки, см; - угол наклона пластинок к радиальному направлению, град, обычно =10...15°, в среднем принимают =13°.

Следовательно, теоретическая подача насоса двойного действия за вычетом объема пластинок будет равна

, (10.79)

где - теоретическая подача насоса, л/с. Действительная подача насоса равна

,(546)

где - объемный КПД насоса; для пластинчатых насосов =0,75..0,93.

Вращающий момент на валу насоса без учета сил трения

, (10.80)

здесь - разность давлений в нагнетательной и всасывающей полостях насоса, МПа.

Мощность пластинчатого насоса определяют по формулам (534), его КПД =0,5...0,8.

Наиболее распространенными пластинчатыми насосами являются насосы Г-12-21, Г-12-22, Г-12-23 и др.

 

РОТОРНО-ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ

 

Роторно-поршневые насосы по конструкции разделяют на радиально-поршневые и аксиально-поршневые.

Радиально-поршневые насосы имеют радиальное расположение поршней к оси насоса. Обычно их применяют при давлениях в гидросистеме от 10 МПа и более.

Роторно-поршневые насосы, которые имеют ось ротора, параллельную осям рабочих камер и вытеснителей или составляет с ними угол менее 45°, называют аксиальными.

Аксиально-поршневые насосы бывают с наклонным блоком и с наклонным диском пространственного типа.

Аксиально-поршневые насосы широко применяют в гидроприводах станков и машин, что объясняется их преимуществами по сравнению с радиально-поршневыми насосами, а именно: меньший радиальный габарит, а следовательно, и меньший момент инерции вращающихся масс, большая частота вращения вала. Радиально-поршневые и аксиально-поршневые насосы являются обратимыми, так как они могут работать в качестве гидродвигателей.