Казарезов Проеектування пристроiв и систем пiдводных апаратiв

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

подібний до еліптичного, із двома вхідними і двома вихідними вікнами, розташованими діаметрально протилежно (див. рис. 2.11,б).

Роторно-поступальний насос, у якому витискувачі мають форму поршнів або куль, а робочі камери обмежуються витискувачами в циліндричних порожнинах ротора, називається роторно-поршневим. У радіальних роторно-поршневих насосах робочі камери розташовані радіально відносно осі ротора.

Принципова схема роботи регульованого радіального роторно-

поршневого насоса наведена
на рис. 2.12.
						1
Основними елементами
	3					2
його є статор 1, циліндровий
блок-ротор 6, поршні (плун-	4
жери) 4, що виконують роль	5
витискувачів, статорне кільце
(обойма) 2. Роль розподіль-	6
ного пристрою виконує пусто-
тіла вісь з ущільнювальною				7						2е
перегородкою 5, на якій міс-									е
титься рухомий ротор. При
обертанні ротора 6 у на-						Рис. 2.12. Схема радіального
прямку, позначеному стріл-						роторно-поршневого насоса

кою, робочі камери своїми каналами по черзі з'єднуються з усмоктувальним 3 і з нагнітальним 7 отворами.

Роторно-поршневий насос, у якого вісь обертання ротора паралельна осям робочих камер і витискувачів або складає з ними кут 45°, називається аксіальним. Аксіальні роторно-поршневі насоси бувають двох різновидів: з похилим блоком або диском. У перших осі обертання ведучого вала і ротора перетинаються і утворюють кут; у другому варіанті їх осі збігаються.

Великого поширення, особливо в гідроприводах, набули насоси з похилим блоком та подвійним несиловим карданом (рис. 2.13).

Упорний диск 5 зв'язаний жорстко з валом 7 і шарнірно зі сферичними головками шатунів 4. Інші сферичні головки шатунів шарнірно забиті в поршнях 3, які здійснюють зворотно-поступаль- ний рух у блоці циліндрів (роторі) 2. Останній обертається від вала 7 через подвійний кардан 6. Всмоктувальний і напірний трубопроводи

21

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

приєднані до нерухомого розподільника 1. При зміні нахилу розподільника на кут γ відносно вала 7 змінюється хід поршня і, отже, робочий об′єм насоса.

	5
2	3
6	4

D	1

3

2

4

7

γ

7

γ

15

а

б

Рис. 2.13. Аксіальні роторно-поршневі насоси:

а – з похилим блоком; б – з похилим диском

Лопатеві насоси

Лопатеві насоси розрізняються за такими показниками:

за подачею – малої (до 20 м3/год), середньої (від 20 до 60 м3/год) і великої (понад 60 м3/год);

занапором– низького(до0,5 МПа), середнього(від0,5 до5,0 МПа) і високого тиску (понад 5 МПа);

за коефіцієнтом швидкохідності – тихохідні, нормальні, швидкохідні;

за кількістю коліс і з'єднанням проточних частин – одноступінчасті і багатоступінчасті (з послідовним, паралельним і паралельнопослідовним з'єднанням проточних частин);

за способом підведення рідини до колеса насоса – односторонні і двосторонні;

за перетворенням кінетичної енергії на виході – за допомогою спіральної камери з дифузором або лопаткового напрямного апарата; за конструкцією корпусу – однокорпусні з горизонтальним чи

вертикальним розніманням і секційні; за розташуванням осі робочого колеса – горизонтальні (кон-

сольні і двохопорні) і вертикальні;

22

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

за всмоктувальною здатністю – із самовсмоктуванням (із пристроєм для створення вакууму в усмоктувальному трубопроводі в період пуску) і без самовсмоктувального пристрою;

за родом перекачуваної рідини – ті, що перекачують воду (прісну, морську) і в'язкі рідини (мастила, рідкі палива, кислоти).

Коефіцієнт швидкохідності – критерій, застосовуваний для розрахунку робочих коліс насосів з використанням елементів теорії подібності. Він характеризує ККД, форму проточної частини, співвідношення геометричних розмірів і характеристик насосів. Коефіцієнт швидкохідності пs, c –1, – це частота обертання еталонного насоса, що працює на воді (ρ = 103 кг/м3) при напорі 1 м вод. ст. і максимальному значенні ККД:

ns = 3,65 n Q / H 3 / 4 ,

де n – частота обертання, c –1; Q – подача, м3/с; H – напір, м вод. ст. Для різних типів насосів коефіцієнт швидкохідності пs має такі значення [7, 49]: ротаційні і поршневі не більше 40; вихрові – 10...40;

відцентрові – 40...300; осьові – 300...1200.

Робота відцентрових і осьових насосів заснована на загальному принципі дії – силовій взаємодії лопатей з потоком, що їх обтікає. Насоси цих типів розрізняються напрямком течії: у відцентрових насосах потік рідини рухається в області лопатевого колеса в радіальному напрямку; в осьових насосах потік рідини паралельний осі обертання лопатевого колеса.

Осьовий насос переміщає рідину уздовж осі робочого колеса і відрізняється від відцентрового насоса простотою конструкції, меншими розмірами при однаковій подачі і більш високим ККД. Осьові насоси для переміщення газів і підвищення їхнього тиску називають осьовими вентиляторами і компресорами (див. п. 2.3).

На рис. 2.14 і 2.15 наведені принципова і конструктивна схеми осьового і відцентрового насосів. Обидва складаються з корпусу 1 і робочого колеса 2, яке вільно обертається в ньому. При обертанні колеса в потоці рідини виникає різниця тисків з обох боків кожної з лопатей і, отже, силова взаємодія потоку з лопатевим колесом. Сили тиску лопатей на потік створюють вимушені обертальний і поступальний рухи рідини, збільшуючи тиск і швидкість, тобто механічну

23

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

енергію. Питомий приріст енергії потоку рідини в лопатевому колесі залежить від сполучення швидкості потоку, частоти обертання колеса, його розмірів і форми, тобто від сполучення конструкції, розмірів, частоти обертання і подачі

				1			насоса.
							Вихровий насос – гідравлічна ма-
					2		шина, що створює перепад тиску
							рідини шляхом її завихрення робочим
				3			колесом (рис. 2.16, 2.17).
							Дія вакуумного вихрового насоса
						4
							(див. рис. 2.16) заснована на ство-
							ренні зниженого тиску по осі вихру,
							що утворюється при проходженні
	Рис. 2.14. Принципова схема						потоку робочого газу по дотичній до
							камери завихрення. При цьому дося-
	осьового насоса:						гається розрідження до 3 кПа (близь-
	1 – корпус; 2 – напрямний апарат;
							ко 20 мм рт. ст.).
	3 – робоче колесо; 4 – лопать

			A b		2
	0
		D
				b
					1
вх	1
d			D
1	2

3	A

D 2

2

δ

C2

A – A

W

2

U2

CU2

β

2

3

β

r

2

ω

1

1

CU1r

1

ω

2

R

U1

1

4

d

5

а

D

б

Рис. 2.15. Конструктивні схеми відцентрового (а) й осьового (б) насосів:

1 – корпус; 2 – робоче колесо; 3 – відвідний пристрій; 4 – кінцеві ущільнення вала; 5 – підшипниковий вузол

24

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

Принцип дії вихрових насосів (див. рис. 2.17) заснований на передачі кінетичної енергії від рухомої лопаті до потоку рідини. Рідина подається з боків корпусу через вікно А до основ радіальних лопатей відцентрового робочого колеса 2, що обертається всередині корпусу з малими осьовими зазорами (не більше 0,2...0,3 мм). По периферії колеса в корпусі насоса 3 виконаний кільцевий канал, що закінчується напірним патрубком 6, по якому рідина витікає з насоса.

2	3				5
		4

1

а

б

Рис. 2.16. Вакуумний вихровий насос:

а – схема; б – зовнішній вигляд; 1 – тангенціальне сопло; 2 – відцентрове сопло; 3 – камера

завихрення; 4 – дифузор; 5 – завитка

1 2 3		5
	А	6
	4

Рис. 2.17. Схема вихрового насоса:

1 – кришка; 2 – робоче колесо; 3 – корпус; 4 – усмоктувальний патрубок; 5 – перемичка; 6 – напірний патрубок

25

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

Область вхідних каналів відокремлена від напірного патрубка 6 перегородкою, яка щільно прилягає до робочого колеса 2 (радіальний зазор не більше 0,2 мм) і служить ущільненням. Рідина, яка надходить через вхідний отвір у насос, потрапляє в міжлопатний простір, де їй надається механічна енергія. Відцентрові сили викидають рідину з колеса. У кільцевому каналі рідина рухається по гвинтових траекторіях, потім знову потрапляє в міжлопатний простір, де одержує додаткове збільшення механічної енергії. Таким чином, у корпусі 3 працюючого вихрового насоса утворюється парний кільцевий вихровий рух, від якого насос одержав назву вихрового.

Водокільцеві роторні насоси з електроприводом використовуються як вакуумні насоси випарних установок (подача 20...30 м3/год, витрата води 10 т/год); для перекачування палива в системах вакуумного перекачування і зачищення паливних цистерн, а також як вакуумний ступінь у відцентрових насосах із самовсмоктуванням.

Існує велика кількість конструктивних модифікацій водокільцевих насосів, що розрізняються за такими основними ознаками: за розташуванням вала – вертикальні і горизонтальні; за типом привода – з автономним приводом від електродвигуна і ті, що обертаються від основного вала обслуговуваного насоса; за способом з'єднання валів насоса і двигуна – моноблочні і насоси, вали яких обпираються на власні підшипники; за типом зазору між ущільнювальними поверхнями колеса і корпусу, у яких розташовані всмоктувальний і напірний отвори – з осьовим і радіальним зазорами; за способом підведення і відведення потоку повітря до колеса – з колесом одностороннього всмоктування і нагнітання та з колесом двосторонньої дії; за конструктивним виконанням колеса в насосах з осьовим зазором – з бічними дисками та без бічних дисків; за числом ступенів – одноступінчасті і двоступінчасті.

Насоси з осьовим зазором конструктивно простіші. Зазор можна відрегулювати, а при надмірному зносі ущільнювальних поверхонь – відновити за допомогою прокладок.

У насосі з радіальним зазором при зносі ущільнювальних поверхонь зазор не можна відновити без заміни деталей. У деяких конструкціях насосів з радіальним зазором ущільнювальні поверхні виконані конічними, що дозволяє регулювати зазор. У той же час у цих насосах не потрібна установка прокладок і для них не має

26

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

значення величина осьового люфту в опорному підшипнику. Якщо застосовується колесо з двостороннім усмоктуванням і осьовим зазором, то підведення і відведення повітря здійснюються з торців колеса, розділеного перемичкою, а якщо з радіальним зазором, то найбільш конструктивно сприятливими є підведення і відведення повітря із середини (у цьому випадку на вал насаджують два колеса).

Застосування двостороннього підведення і відведення повітря пояснюється тим, що при ширині колеса, яка перевищує певне значення, важко забезпечити повне заповнення серпоподібного простору повітрям через обмежені розміри вхідного отвору в диску чи на циліндричній ущільнювальній поверхні. У насосів з колесами без бічних дисків є простий невеликий зазор, витриманий із двох сторін. Такі колеса часто зазнають поломки, тому якості їхнього виконання і вибору матеріалу необхідно приділяти особливу увагу. Перевага таких коліс полягає у відсутності осьового зусилля.

У насосах з однобічним входом і колесами з бічними дисками виникає осьове зусилля через неоднакові площі в обох дисках, оскільки в одному з них передбачено кільцевий отвір для входу і виходу повітря. У насосах з такими колесами осьовий зазор приймається 0,10...0,15 мм з боку входу і виходу повітря і 0,5 мм – з протилежної сторони.

На рис. 2.18 показаний автономний водокільцевий насос.

			10
		9
7	8		11
			7
		12
6

5	4	3

21

Рис. 2.18. Водокільцевий насос

27

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

Він складається з циліндричного корпусу 2, двох торцевих кришок 3 і колеса 1. Оскільки в насосі передбачені двостороннє усмоктування і нагнітання, то на кожній торцевій кришці є усмоктувальний 7 і напірний 12 патрубки, що спрямовані вгору. Напірні патрубки з'єднані з баком 10, а всмоктувальні приєднані до трубопроводу 11. Оскільки насос простої дії, на торці кожної кришки передбачені лише один усмоктувальний і один напірний отвори. Осьовий зазор між колесом 1 і торцевою кришкою створюється за рахунок прокладок.

Вал обертається в двох підшипниках кочення 5, у корпусах яких розташовані набивальні сальники 4. На валу в місці сальника насаджена діафрагма. Зазор між діафрагмою і валом ущільнений для усунення можливості просочування атмосферного повітря в насос. За набивкою з боку робочого колеса розташована камера 6 гідравлічного затвора, у яку вода підводиться ззовні по трубі 8. З камери вода надходить у корпус насоса до маточини колеса, звідки під дією відцентрової сили йде до периферії, ущільнюючи осьовий зазор і живлячи ущільнювальне водяне кільце. Частково вода з камери проходить через сальник, змащуючи та охолоджуючи набивку і вал. У торцевих стінках кришок корпусу під нагнітальними вікнами є ряд круглих отворів, закритих гумовими кульковими клапанами. Призначення клапанів – автоматичний випуск повітря з міжлопатного простору колеса при досягненні необхідного тиску нагнітання. Таким чином, при використанні машини як компресора не витрачається потужність на зайве стискання повітря. Повітря з напірного трубопроводу разом з водою, кількість якої дорівнює підведеній до камери сальника, надходить у водозбірник 10, що має зливну трубу 9 і отвір для виходу повітря в атмосферу (над отвором установлений рефлектор для сепарації води).

Конструктивні модифікації лопатевих насосів можуть розрізнятися за способами:

з'єднання валів насоса і привода: за допомогою еластичної муфти; вал насоса і привода загальний (суцільний чи складений);

рознімання корпусу насоса: по осі вала; у площині, перпендикулярній до осі вала;

герметизації внутрішньої порожнини насоса.

Насоси з еластичною муфтою мають власні підшипники, розташовані або по обидва боки корпусу (рис. 2.19,а,б), або тільки з боку муфти (рис. 2.19,в). Нижній виносний підшипник кочення

28

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

взагалі небажаний у насосах через більшу ймовірність виходу з ладу через потрапляння в нього вологи і води. Для вертикальних насосів найкращою є конструкція з одним сальником, розташованим угорі, тому що нижній набивний сальник незручно регулювати, а при торцевому ущільненні важко контролювати наявність витоків.

Насос з консольно розташованим колесом спрощує конструкцію корпусу, дає можливість застосувати один сальник і поліпшити

всмоктувальну здатність, якщо
вал не прохідний. Щоб змен-	4 5	6	7
шити осьовий розмір насоса і
	2 3		8
відмовитися від нижнього саль-
ника, у багатьох насосах установ-
люють внутрішній нижній під-
шипник ковзання, що змащу-
ється рідиною, яка перекачу-
ється або додатково подводиться	1
ззовні (наприклад, консистент-
ним мастилом).

а

8
12
6
5	15	16 3
	15
		5	6
4	1
11

	3		9
		10	14
	2

12

2

13

2

7

1

5

б

в

Рис. 2.19. Насоси з еластичною муфтою:

а – горизонтальний; б – вертикальний; в – консольний

29

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

Більшість насосів із гнучкою муфтою мають корпус з патрубком і розніманням по осі, що дозволяє розбирати його без демонтажу трубопроводу і зняття електродвигуна (див. рис. 2.19,а,б).

На рис. 2.19,а зображена конструкція горизонтального відцентрового насоса 12ДН-7А, призначеного для перекачування нафтопродуктів і морської води. Усмоктувальний і напірний патрубки виконані суцільними з нижньою частиною корпусу насоса і розташовані горизонтально під кутом 180° один до одного в площині, перпендикулярній до осі вала насоса. Корпус насоса 1 і кришка 6 з розніманням у горизонтальній площині виготовлені з латуні ЛЦ16ДО4, робоче колесо 7 з двостороннім підведенням рідини – із бронзи Бр.ОЗЦ7С5Н1, вал – зі сталі Х18Н10Т. Ротор насоса обертається в сферичних роликових підшипниках 2, які защуються консистентним мастилом.

Для запобігання витокам з робочої площини є подвійні торцеві ущільнення 3 з парою тертя графіт–стеліт і ущільнювальні кільця 5. У камеру ущільнення подається вода, циркуляція якої в замкнутому контурі камери забезпечується крильчаткою. Вал насоса з'єднаний із проміжним валом привода за допомогою пружної муфти 8. Охолодження ущільнень здійснюється перекачуваною рідиною по трубі 4.

Насос, показаний на рис. 2.19,б, є модифікацією розглянутого вище насоса, але на відміну від нього має вертикальне розташування вала з муфтою 8 на його верхньому кінці. Корпус 1 насоса має рознімання у вертикальній площині. Приймальний і напірний патрубки відлиті суцільно з корпусом і спрямовані перпендикулярно до осі насоса. Робоче колесо з двостороннім підведенням посаджено на вал 12 зі шпонкою і закріплено від аксіального зсуву круглими гайками. Для зменшення витоків перекачуваної рідини зі спірального каналу на вході в робоче колесо встановлені ущільнювальні кільця 5, одне з кожної пари яких розташоване на робочому колесі, а інше – у корпусі 1 чи кришці 6 насоса. Кінцеві ущільнення 3 (подвійні торцеві з парою тертя графіт–стеліт) мають збірник витоків 9. Для охолодження і змащення пари тертя по трубі 4 в ущільнення подається прісна вода під тиском, який на одну атмосферу перевищує тиск на всмоктуванні.

Вал насоса, що обертається в кулькових підшипниках, захищений бронзовими втулками. Осьові зусилля в насосі сприймаються нижнім сферичним підшипником 2, установленим на кронштейні 10 у нижнього кільця вала. Мастило в підшипник подається по спеціальному трубопроводу 11. Матеріали основних деталей насоса

30