2. Конструкция и расчет агрегатов систем охлаждения

Жидкостные насосы

Назначением жидкостных насосов является обеспечение циркуляции жидкости около охлаждаемых поверхностей двига­телей, их агрегатов и через охладители охлаждающего тела. При использовании для охлаждения двигателя водо-водяного охладителя забортной воды применяют насос забортной воды, который должен обеспечить подачу воды и напор, способный преодолеть гидравлическое сопротивление не только системы охлаждения двигателя и охладителя, но и фильтров кингстонных ящиков и теплых ящиков. Для обеспечения необхо­димых расходов нередко устанавливают несколько насосов, ра­ботающих параллельно или последовательно и обеспечиваю­щих откачку воды из трюмных отсеков судна.

Общими для всех двигателей принципами компоновки насосов являются расположение их вне картера и обеспечение воз­можно более простых приводов и водопроводов.

В судовых двигателях насосы обычно размещают на торце корпуса, рядом с масляными насосами и приводят в движение цилиндрическими зубчатыми колесами или от пальца кривошипа (поршневые насосы) на торце коленчатого вала. В автотракторных двигателях насосы компонуют соосно с вентилятором.

Центробежные насосы получили наибольшее распростране­ние как для внутренних, так и для внешних кругов циркуляции, так как они отличаются высокой подачей при малых габаритных размерах и массах, простотой конструкции и высокой износостойкостью. Через центробежные насосы можно также сливать охлаждающую жидкость из систем охлаждения. В цен­тробежных насосах применяют полузакрытые и реже открытые и закрытые колеса.

Водокольцевые, вихревые, шестеренные и поршневые на­сосы обладают в отличие от центробежных способностью подсасывания жидкости на высоту не менее 1,5 м. Их применяют для судовых двигателей в тех случаях, когда насосы располо­жены высоко над уровнем воды.

Конструкция водяного насоса тракторного двигателя А-41 (рис. 246) типична для насосов автотракторных двигателей. Во­да к крыльчатке 9 подводится через полость в чугунном корпу­се 16 насоса. Вал 6 уплотнен резиновой манжетой 7 с пружиной, а торец корпуса 16 – шайбой 11, вращаемой крыльчаткой за выступы и прижимаемой к корпусу 16 пружиной 10 манжеты. Подшипники 4 и 14 смазываются консистентными смазочными

Рис. 246. Водяной насос и вентилятор двигателя А-41

материалом, подаваемым через масленку 13 до появления его в контрольном отверстии 15, закрываемом пробкой. Полость подшипников уплотнена сальниками 2 и 12. Крыль­чатка закреплена на валу болтом 8, а шкив 5 шести- лопастного вентилятора - шпонкой и гайкой 1. Осевому смещению вала в сторону вентилятора препятствует упорное кольцо 3.

Конструкция насоса, представленного на рис. 247, характер­на для высокооборотных форсированных дизелей. В чугунном корпусе насоса с отводящим патрубком 3 и крышкой с входным патрубком 1 на двух шарикоподшипниках 7 вра­щается вал 10, к фланцу которого приклепана крыльчатка 14, отлитая из алюминиевого сплава. Вал приводится во вращение шестигранным кулачком 9 привода, вставленным в шестерню привода масляного насоса дизеля, установленную на пальцах вертикального вала привода водяного, топливоподкачивающего и масляного насосов от

Рис. 247. Водяной насос дизеля 6Ч 15/18

Рис. 248. Самовсасываю­щий насос дизеля 6Ч 15/18:

а-схема движения жидкости в насосе; б-крыльчатка; в-конструкция; 1 и 5-крыш­ки; 2 и 4-половины корпуса; 3 - крыльчатка

коленчатого вала. Так как шарико­подшипники смазываются маслом, используемым для смазы­вания передачи с коническими зубчатыми колесами, то их изолируют от водяной полости двумя уплотнениями из рези­новых колец 11 и текстолитовых втулок 13, поджимаемых пружинами 5.

Уплотнения смонтированы в промежуточной вставке 12; для проверки их работы имеются контрольные отверстия 6. Подвод масла к подшипникам дозируется маслоотражателем 8. Вода из насоса сливается через спускной кран 2. Тщательно спрофилированные лопатки крыльчатки и диффузор 4 корпуса обеспечивают высокую подачу (до 22 м³/ч) и давление на выхо­де до 0,1 МПа.

На рис. 248 показана конструкция водокольцевого само­всасывающего насоса забортной воды. Насос состоит из крыльчатки, двух бронзовых половин корпуса (рис. 248, в) и двух чугунных крышек с подшипниками вала насоса и поджимными уплотняющими сальниками.

Рис. 249. Вихревой насос:

1 и 2-выпускной и впускной патрубки; 3 - корпус; 4 - рабо­чее колесо; 5-крышка кор­пуса

Крышки со стороны половин кор­пуса насоса отделены и уплотнены латунными листами и паронитовыми прокладками, предотвращающими их коррозионное разрушение и смешение воды и масла подшипников. В поло­винах корпуса выполнены спиральные каналы I и II перемен­ного сечения, образующие полости вокруг крыльчатки (рис. 248, в). Эти полости связаны окном III с входным патруб­ком насоса, а окном IV-с выходным. Так как патрубки распо­ложены выше насоса, то полости даже при неработающем на­сосе заполнены водой. При вращении крыльчатки воздух или вода центробежными силами выбрасываются в каналы I и II, где сначала создается разрежение (на участке увеличивающихся сечений канала), а затем давление (на участке, где сечения кана­лов уменьшаются). Этим обеспечивается самовсасывание насо­сом воды.

Вихревой насос (рис.249) имеет рабочее колесо с радиальными лопатками, расположенными симметрично для устранения осевого усилия. При вращении колеса лопатками создаются вихревые токи в каналах, выполненных в корпусе и крышке насоса и охватывающих лопатки. Энергия выхода преобразуется в давление, под действием которого вода по спиральному каналу направляется в выпускной патрубок. С другой стороны насоса выполнен спиральный канал, по ко­торому вследствие разрежения, создающегося при перемеще­нии воды в охватывающих колесо каналах, вода подсасывается из впускного (вихревого) патрубка.

В конструкциях шестеренных насосов систем охлаждения зубчатые колеса не смазываются маслом в отличие от масляных насосов. Поэтому в насосах забортной воды и трюмных насосах недопустимо, чтобы зубья колес насоса касались одно другого. В таких насосах (рис. 250) оба рабочих зубчатых колеса 4 и 7 не касаются одно другого и закреплены на валиках 5 и 6 неподвижно, например, шпонками, а движение их синхронизируется наружными зубчатыми колесами 2 и 3, находящимися,

Рис. 250. Шестеренный насос забортной воды

как и зубчатое колесо 1 привода, в картере или полости, где возможно их смазывание маслом. Шариковые подшипники смазываются тем же маслом, что и шестерни, синхронизирую­щие зубчатые колеса, а бронзовые втулки в корпусе насоса - маслом из дозирующей автомасленки (сечение А-А).

Примером конструкции поршневых насосов является насос судового двигателя NVD24 (4СЧ 17,5/24), показанный на рис. 251. Корпус 5 насоса установлен на корпусе 1 привода; поршень 6 насоса с помощью шатуна 7 и болта-эксцентрика 19 с втулкой 18 эксцентрика приводится в движение от коленчато­го вала 21 двигателя шестерней 22 и колесом 23. Шатунные подшипники смазываются маслом, подводимым из подшипни­ка приводного вала 24 через отверстия в болте-эксцентрике, втулке-эксцентрике и шатуне. Направляющими поршня служат втулка 2 и грундбукса 9; поршень уплотнен сальником 8 с мяг­кой набивкой и составными кольцами 3 и 4. Смазывается пор­шень с помощью пресс-масленки 29. Вода засасывается через отверстие в коробке всасывания 16 и нижний клапан с седлом 13, уплотняемый резиновым кольцом 12, и нагнетается через с седлом 10. Седла клапанов смонтированы в корпусе насоса на шпинделе 14 с помощью дистанционной трубки 11. Клапаны прижимаются к седлам пружинами. По­дача насоса регулируется коническим клапаном 25, перепускаю­щим воду со стороны нагнетания в рабочую полость. В случае излишнего повышения давления вода перепускается через пре­дохранительный клапан, расположенный в коробке 28. Клапан 31 устраняет большое разрежение в рабочей полости в случае засорения всасывающих труб или фильтров и позволяет регу­лировать подачу насоса. Кран 30 служит для спуска воды из насоса и системы охлаждения.

На корпусе 1 могут быть установлены два таких насоса (вместо крышки 17; шатун второго насоса монтируют на место промежуточного кольца 20). Один из насосов обычно работает

Рис. 251. Поршневой водя­ной насос дизеля 4СЧ 17,5/24

как трюмный насос, но в аварийных случаях оба и работать параллельно или как охлаждающие, или как трюмные насосы. Для этого их соединяют соответствующими трубопроводами и переключательными кранами 15 и 27, смон­тированными в коробке всасывания 16 и воздушном колпаке 26, полость которого частично заполнена воздухом для умень­шения колебаний давления подаваемой воды.

Поршневые насосы аналогичной конструкции используют в качестве насосов забортной воды.

Вентиляторы

Вентиляторы являются обязательными агрегатами двигателей с жидкостными системами охлаждения автономных уста­новок наземного и воздушного транспорта и передвижных стационарных энергоустановок, обеспечивающими охлаждение рабочей жидкости в охладителях прокачкой воздуха через решетки. В двигателях воздушного охлаждения вентиляторы по- Авиационные двигатели дают воздух непосредственно к охлаждаемым поверхностям воздушного охлаждения цилиндров и их головок.

Используют вентиляторы осевого и центробежного типов.

Осевые вентиляторы отличаются от центробежных большой подачей и гидравлическим КПД (до 0,8) при одинаковых габаритных размерах, простотой конструкции кожуха, направляющего воздух на охлаждаемые поверхности, регулирования рас­хода воздуха поворотом лопастей (вплоть до реверсирования, что расширяет компоновочные возможности систем охлажде­ния и силовых установок). Однако они характеризуются повы­шенным уровнем шума при увеличенной частоте вращения (до 9200 об/мин), необходимой для получения одинакового давле­ния воздуха, малым снижением потребляемой мощности при изменении расхода воздуха дросселированием, более узкой зо­ной устойчивой (без помпажа) работы, большей зависимостью КПД от расхода воздуха, высокими требованиями к точнос­ти и качеству обработки поверхностей деталей проточной части.

Такие дополнительные преимущества осевых вентиляторов, как малый наружный диаметр и большое втулочное отношение (до 0,71), хорошее совмещение их с гидравлическими, электро­магнитными и фрикционными муфтами и электрогенераторами, удобное расположение на двигателях и около охладителей, обеспечили им основное применение в системах охлаждения двигателей.

Зависимости КПД от расходов для центробежных вентиля­торов более пологие. Эти вентиляторы могут быть устано­влены на переднем конце коленчатого вала или в маховике, вследствие чего не требуется сложный привод; тем не менее их компоновка на двигателе из-за большого наружного диаметра и необходимости поворота потока воздуха для подвода возду­ха к охлаждаемым поверхностям усложняется. Центробежные вентиляторы применяют в мотоциклетных и автомобильных двигателях воздушного охлаждения небольших мощностей при малом числе цилиндров, рядном и противолежащем их распо­ложении.

Вентиляторы жидкостных систем охлаждения устанавли­вают на двигателях непосредственно около охладителей, а при воздушном охлаждении - на двигателях или около входных или выходных отверстий отделений для двигателя.

Лопасти вентиляторов (в количестве 2-12 при жидкостном охлаждении и 5-32 при воздушном) делают вогнутыми, штам­пованными из стали (см. рис. 246) или с профилем авиационно­го крыла из пластмассы и отливают из легких сплавов/ Давле­ние, на которое рассчитывают вентиляторы, не превышает 0,5-3 кПа.

Приводы вентиляторов имеют устройства, разгружающие детали от динамических нагрузок. В автотракторных двигате­лях широко используют ременный привод (см. рис. 246), в дви­гателях большей мощности - шестеренный привод с тор­сионными валиками и фрикционными, гидравлическими или

упругими муфтами.

Рис. 252. Вентилятор дизе­ля 6Ч 15/18:

а-вентилятор с приводом; б - фрикционная муфта приво­да

На рис. 252,а показан привод вентилятора, расположенного отдельно от водяного насоса, что характерно для высокообо­ротных форсированных двигателей, в которых по условиям компоновки моторного отделения водяные, масляные и топливоподкачивающие насосы сосредотачивают в одном месте - в нижней части картера – и которые имеют общий привод от коленчатого вала.

Валику 2 привода вентилятора передается движение от ко­ленчатого вала с помощью шлицевого валика 1; ведущий шкив 3 связан с валиком 2 фрикционной муфтой, расположенной в шкиве 3, и тремя клиновидными ремнями 4 вращает ведомый шкив 6, на котором закреплена крыльчатка вентилятора с шестью штампованными лопастями 5. Натяжение ремней можно регулировать перемещением валика ведомого шкива в кронштейне 8 вентилятора натяжным устройством, имеющим натяжной болт 7.

Фрикционная муфта ведущего шкива (рис. 252, б) состоит из упорного диска 9, переднего 10 и заднего 11 дисков трения и пружин 12. Диск 11 привернут к фланцу валика 2 привода вентилятора, а диск 10 свободно перемещается на четырех штифтах вдоль ступицы ведущего шкива. Пружины 12 прижи­мают диск 10 к упорному диску, закрепленному на валу паль­цем, а ведущий шкив - к диску 11. Пружины 12 подбираются так, что при чрезмерных угловых ускорениях шкив может про­вернуться на валике 2. Привод вентилятора надежно работает благодаря демпфирующим действиям шлицевого валика, фрик­ционной муфты и клиновых ремней.

Расчет жидкостных насосов

Расход охлаждающего тела G_B (в кг/ч) определяют из уравнения

(170)

где Q - количество отводимой теплоты, вычисляемое по уравнению (167) или (168); с - теплоемкость охлаждающего тела.

Подачу водяных насосов выбирают с запасом: G_H = G_B (1,15 ÷1,20) кг/ч. Давление, создаваемое насосами, нахо­дится в пределах 0,05-0,35 МПа.

При проектировании центробежных насосов применяют теорию геометрического подобия и широко используют харак­теристики образцовых насосов (прототипов). Если линейные размеры образцового lоб и проектируемого lпр насосов связаны зависимостью lпр/lоб=λ, то подобие планов скоростей прото­ков при частотах вращения проектируемого n_пр и образцового n_об насосов определится соотношением

спр/соб= λnпр/nоб

подач

Gпр/Gоб=

давлений

pпр/pоб= ,

где и - объемные КПД соответственно проектируе­мого и образцового насосов; и - гидравлические КПД соответственно проектируемого и образцового насосов.

Если прототипа насоса нет, то основные размеры опреде­ляют в следующем порядке. Задаваясь скоростью жидкости на входе в насос (с₁ = 1÷2 м/с), по необходимой подаче опреде­ляют радиус r1, входного отверстия (рис. 253, а) из уравнения

где r₀—радиус ступицы колеса, определяемый из конструк­тивных соображений в соответствии с креплением колеса на ва­лу диаметра d; р_ж-плотность жидкости.

Необходимая для создания давления жидкости окружная скорость и₂ схода жидкости с колеса (в м/с)

где р-напор, МПа; = 0,6÷ 0,7; α - угол между скоростями и₂ и с₂ (рис. 253,6), α₂ = 8 ÷ 12^°; β₂-угол между скоростью w₂ и обратным направлением вектора скорости и₂, β₂ = 12÷90°.

При выборе угла β₂ следует иметь в виду, что при больших его значениях увеличивается давление, создаваемое насосом, но снижается КПД , поэтому большим значением β₂ соответ­ствуют меньшие значения . Наружный радиус крыльчатки

где п_к-частота вращения крыльчатки, об/мин; выбирается близкой к частоте вращения коленчатого вала с учетом распо­ложения насоса и конструкции привода.

Окружная скорость на радиусе r₁u_l = u₂r_l/r₂. Так как угол

α1 между скоростями с₁ и и₁, как правило, равен 90° (входная скорость и₁ направлена вдоль оси вала), то угол β₁ находят из

выражения tg β₁ =c₁/u₁. Ширина b₁ лопатки на входе и b₂ на выходе (см. рис. 253, а)

где z-число лопаток крыльчатки, z = 3÷12; δ₁ и δ₂ - толщина лопатки соответственно на входе и выходе; с_r - радиальная ско­рость жидкости на выходе из колеса, м/с, с_r=

Лопатки могут быть радиальными β₂ = 90°) или загнутыми назад. В последнем случае профиль лопатки обычно описы­вают дугами. Для этого после проведения окружностей радиу­сами r₁ и r₂ из произвольной точки В (рис. 253,б) на внешней окружности строят углы β₂ с перпендикулярными сторонами; под углом β₁ + β₂ к радиусу ОВ проводят прямую до пересече­ния с окружностью радиуса r₁ в точке К, через которую прово­дят прямую из точки В до пересечения с внутренней окруж­ностью в точке А. Из точки L (середины отрезка ВА) восстанавливают перпендикуляр до пересечения со стороной угла β₂ в точке Е, из которой дугой соединяют точки лопатки А и В. Толщины лопатки у концов и в средней части, опреде­ляемые из технологических соображений и возможных кавитационных разрушений, составляют 2-10 мм.

Мощность (в кВт), потребляемая

(171)

где -механический КПД насоса, =0,7÷0,9

Обычно N_n составляет 0,5-1,5% N_e двигателя.

Размеры шестеренных водяных насосов по требуемой по­даче устанавливают аналогично размерам масляных шесте­ренных насосов при коэффициенте подачи = 0,6 ÷ 0,7.

Подача поршневого насоса связана с его размерами и ча­стотой вращения n_н уравнением

где D и S - в м; n_н-в об/мин; = 0,85 ÷ 0,95.

Среднюю скорость поршня выбирают 0,2-0,9 м/с; среднюю скорость воды на всасывании - до 2 м/с, на нагнетании - до 5 м/с.

Расчет вентиляторов

Определив по уравнению (170) или (169) расход охлаждаю­щего воздуха G_B, необходимо установить основные размеры вентилятора и частоту вращения ротора вентилятора n_в, при которых будут обеспечены подача и давление вентилятора. Подача вентилятора связана с размерами вентилятора (рис.254) и частотой вращения ротора уравнением

где р_в-плотность воздуха; R-наружный радиус лопастей вентилятора; r -внутренний радиус лопастей; b- ширина лопастей; b=0,08-0,12 м; Zb-число лопастей; - коэффициент, учитывающий сопротивление потоку воздуха при выходе его из-под капота; α-угол наклона лопасти к направлению воздушного потока, α = 35-45°.

Давление р_в, создаваемое вентилятором, связано с окруж­ной скоростью ротора и на радиусе R следующей зависи­мостью:

где u= в м/с; - коэффициент, зависящий от формы лопастей.

Величина u =70-100 м/с; ее выбирают с учетом прочности лопастей или ступицы ротора.

Частота вращения ротора (в об/мин) n_в = 30u/ (πR).

При жидкостном охлаждении двигателей вентилятор уста­навливают рядом с жидкостно-воздушным охладителем. Для лучшего использования решетки охладителя и вентилятора рекомендуется, чтобы форма решетки и площади решетки и ометаемой лопастями вентилятора поверхности были одинаковы. Из этих и технологических соображений решетки делают ква­дратными, а размер R лопастей ротора вентилятора опреде­ляется размером стороны квадрата решетки. Для этого согла­совывают величины и и n_в с подачей вентилятора и созда­ваемым им давлением. Согласование и конструкция привода получаются удовлетворительными при n_в, равной 0,9-1,4 но­минальной частоты вращения вала двигателя.

Мощность, потребляемую вентилятором, можно опреде­лить по уравнению (171), если в него подставить величины G_B, р_в, ρ_в для воздуха, а вместо ηМ-КПД вентилятора η_в, равного 0,32-0,40 для клепаных роторов и 0,55-0,65 для литых. Мощ­ность вентиляторов составляет 3-6% номинальной мощности двигателей.