Насосы

   Общие  сведения

 

Насосами называются машины, служащие для перекачки и  создания напора жидкостей всех видов, механической смеси жидкостей с  твердыми и коллоидными веществами и газов. Следует заметить, что  машины для перекачки и создания напора газов (газообразных жидкостей) выделены в отдельные группы и получили название вентиляторов и компрессоров и служат предметом специального изучения, поэтому в данном разделе не рассматриваются.

Насосы в настоящее  время являются самым распространенным видом машин.

По принципу действия насосы подразделяются на:

а) центробежные, у которых  перекачка и создание напора происходят вследствие центробежных сил, возникающих  при вращении рабочего колеса;

б) осевые (пропеллерные) насосы, рабочим органом у которых  служит лопастное колесо пропеллерного типа. Жидкость в этих насосах перемещается вдоль оси вращения колеса;

в) поршневые и скальчатые насосы, в которых жидкость перемещается при возвратно-поступательном движении поршня или скалки. К этой группе можно отнести простейший вид поршневых насосов - диафрагмовые насосы, у которых рабочим органом служит резиновая или кожаная диафрагма, совершающая возвратно-поступательные движения;

г) тараны, работающие за счет энергии гидравлического удара;

д) струйные насосы, в  которых перемещение жидкости осуществляется за счет энергии потока вспомогательной жидкости, пара или газа;

е) эрлифты (воздушные  водоподъемники), в которых рабочим  телом является сжатый воздух.

В зависимости от назначения и принципа действия конструктивное исполнение насосов самое различное. Ниже рассматривается устройство, принцип работы, характеристика и применение основных групп насосов.

Устройство и принцип  действия поршневых насосов

Поршневой насос представляет собой машину объемного действия, в которой вытеснение жидкости из замкнутого пространства насоса происходит в результате прямолинейного возвратно-поступательного движения вытеснителей. К поршневым насосам относят также и плунжерные насосы. Они различаются конструкцией вытеснителя и характером уплотнения.

 

Классификация и основные конструкции поршневых насосов

Поршневые насосы классифицируются по нескольким основным признакам:

1. По характеру движения  ведущего звена: прямодействующие, в которых ведущее звено совершает  возвратно-поступательное движение (паровые прямодействующие); вальные, в которых ведущее звено совершает вращательное движение (кривошипные, кулачковые) .

2. По числу циклов  нагнетания и всасывания за  один двойной ход: одностороннего  и двухстороннего действия.

3. По количеству поршней  или плунжеров: однопоршневые, двухпоршневые, трехпоршневые и многопоршневые.

4. По виду вытеснителей: поршневые, плунжерные и диафрагменные.

5. По способу приведения  в действие: с механическим приводом  и ручные.

Рассмотрим наиболее характерные конструкции насосов:

Дифференциальные насосы. Насосы двухстороннего действия (рис. 2) имеют одну рабочую камеру 4 со всасывающим 3 и напорным  клапанами и вторую рабочую камеру 2 без клапанов. Благодаря тому что за один оборот вала насос два раза нагнетает жидкость, подача его выравнивается.

,   

Рис. 2. Схема дифференциального  насоса.

Рис. 3. Схема насоса двойного действия.

Насосы двойного действия. Этот насос (рис. 3)

имеет более равномерную подачу по сравнению с насосами простого действия и дифференциальными благодаря  тому, что по обе стороны от цилиндра имеются две рабочие камеры, в  каждой из которых находятся нагнетательные 3 и всасывающие 4 клапаны. Поэтому за один оборот коленчатого вала поршень 5 два раза нагнетает жидкость. Воздушный колпак /, соединенный с патрубком 2, при нагнетании существенно снижает пульсацию жидкости.

Кулачковые насосы. В одноцилиндровых  насосах (рис. 4, а)  поршень 3 приводится в движение кулачком 4, а возвращается в исходное положение с помощью пружины. Ось вращения кулачка смещена относительно его геометрической оси на величину эксцентриситета.. При вращении кулачка поршень совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение на пути s=2e; при этом через клапан происходит всасывание, а через клапан 2 — нагнетание жидкости.

Рис. 4. Схема насосов  с кулачковым приводом: а—одноцилиндровый; б—трехцилиндровый однорядный; в  — трехцилиндровый радиальный.

Подача в насосах  данного типа такая же неравномерная, как в поршневых насосах простого действия с шатунно-кривошипным механизмом. Для выравнивания подачи применяются многопоршневые насосы с числом цилиндров r==3—11 в одном ряду и со смещением фаз их рабочих циклов на угол φ=360°/r. Схема трехцилиндрового насоса представлена на рисунке 4, б. Кулачки 4 расположены в один ряд на приводном валу, а поршни прижимаются к кулачкам с помощью пружин (на схеме не показаны).

Для достижения компактности конструкции кулачковых насосов  часто цилиндры располагают радиально  с пересечением осей в общем центре (рис. 4, в). Центр вращения кулачка 4 и в данной схеме смещен относительно его геометрической оси на величину е. Контактное давление между поршнем и кулачком 4 уменьшается с помощью башмаков 3. Поршни прижаты к башмакам пружиной 2.

Кулачковые поршневые  насосы способны создавать высокие давления. Они применяются в различных гидроприводах, для нагнетания жидкости в гидропрессах, а также в качестве топливных насосов в дизельных двигателях, о которых вы подробно узнаете при изучении автомобилей и тракторов.

Насосы с проходным поршнем. Насосы такой конструкции отличаются компактностью: в них

отсутствует рабочая  камера,  всасывающий клапан находится в рабочем цилиндре, а напорный — в поршне. Насосы с проходным поршнем применяются для подъема жидкостей из скважин, поэтому их называют погружными (рис. 5). В обсадную трубу пробуренной скважины опускается труба 6 с присоединенным к ней цилиндром 2, внутри которого находится поршень 3. Поршень дугой 4 соединен со штангой 5, которая приводится в возвратно-поступательное движение специальным механизмом. В нижней части труба 6 заканчивается всасывающим патрубком /, а в верхней — нагнетательным 7.

При подъеме поршня всасывающий  клапан открывается и жидкость поступает  в гидроцилиндр. При опускании  поршня всасывающий клапан закрывается, давление в цилиндре повышается, вследствие чего открывается напорный клапан и жидкость через сквозное отверстие в поршне устремляется в пространство над ним. При очередном подъеме поршня одновременно с всасыванием происходит подача жидкости в нагнетательный патрубок.

Рис. 5

Насосы такого типа бывают и с ручным (рычажным)  приводом — они используются для подъема воды из скважин (колодцев) на приусадебных участках. рис. 5.

 

 

Диафрагменные насосы.

Насосы представляет собой мембрану, поршнем,            выполненную из эластичного материала (резины, кожи, ткани, пропитанной лаком, и др.).

Мембрана отделяет рабочую  камеру от пространства, в которое  жидкость не должна проникнуть.

В диафрагменном насосе, представленном на рисунке 6, а, клапанная  коробка с всасывающим 5 и нагнетательным 4 клапанами расположена отдельно, а прогиб диафрагмы 3 осуществляется благодаря возвратно-поступательному движению плунжера 2 в цилиндре насоса /, заполненном специальной жидкостью. Диафрагменные насосы подобного типа часто применяются для перекачки жидкостей, загрязненных различными примесями (песком, илом, абразивными материалами), а также химически активных жидкостей и строительных растворов.[2]

Рис. 6. Схемы диафрагменного насоса с плунжерным (а) и рычажным (б) приводами диафрагмы.

Диафрагму можно приводить  в движение не только с помощью  плунжера, но и обычным рычажным механизмом. На рисунке 6, б показана схема диафрагменного насоса с рычажным приводом. Рабочая камера 5 имеет два патрубка: всасывающий 3 и напорный 1, которые сообщаются с камерой через всасывающий 4 и напорный 2 клапаны.    Диафрагма 6 соединена со штоком 7, который совершает возвратно-поступательные движения. Диафрагменные насосы подобной конструкции используются в качестве бензонасосов на автомобильных двигателях. В этих насосах имеется два рычага: один — для ручной подкачки бензина и второй — для непрерывной его подачи во время работы двигателя. Последний приводится в движение специальным кулачком распределительного двигателя.

 

Классификация роторных насосов  и их особенности.

Роторные насосы, так  же как и поршневые, относятся  к насосам объемного действия, работающим по принципу вытеснения жидкости. По характеру движения рабочих органов (вытеснителей) роторные насосы подразделяются на вращательные и вращательно-поступательные: к насосам вращательного движения относятся зубчатые (шестеренные, коловратные) и винтовые; к насосам вращательно-поступательного движения — пластинчатые (шиберные) и поршеньковые (радиальные и аксиальные).

Роторные насосы обычно состоят из трех основных частей:

статора (неподвижного корпуса), ротора, жестко связанного с валом, и вытеснителя (одного или нескольких). В некоторых конструкциях ротор  одновременно является и вытеснителем.

Рабочий процесс роторных насосов имеет следующие особенности. При вращении ротора рабочие камеры перемещаются, изменяют свой объем и, отсекая жидкость от полости всасывания, перемещают ее в полость нагнетания. При таком принципе работы не нужны всасывающие и нагнетательные клапаны, и рабочий процесс делится на три этапа: заполнение рабочих камер жидкостью; замыкание рабочих камер и их перенос; вытеснение жидкости из рабочих камер.

Специфика рабочего процесса роторных насосов определяет их особые свойства:

1) большая быстроходность: частота вращения достигает

5-103 мин';

2) равномерность подачи, возможность ее регулирования и реверсирования;

3) обратимость, т. е.  способность работать в качестве  гидродвигателя;

4) способность создавать  высокие давления при достаточно  высоких КПД;

5) малые масса и  объем, приходящиеся на единицу  мощности;

6) большая надежность  в работе;

7) способность работать  только на чистых, не агрессивных  жидкостях (не содержащих абразивных  и других частиц), обладающих смазывающими  свойствами, что обусловлено малыми  зазорами вращающихся трущихся  деталей, обработанных с высокой точностью.

Если первые шесть  свойств являются преимуществом  роторных насосов, то последнее —  их недостатком, так как ограничивает область применения насосов.

Подача роторных насосов  определяется размерами рабочего пространства и частотой вращения ротора, а также прочностью элементов насоса. Если задвижка на напорной линии случайно оказывается закрытой, то давление может возрасти выше допустимого, что вызовет поломку или повреждение насоса. Поэтому необходима предохранительная аппаратура, защищающая насосы от перегрузки, а прочность элементов насоса должна иметь достаточный запас (с учетом сопротивления напорной линии).

Роторные насосы находят  самое широкое применение в технике, особенно в тех случаях, когда  при сравнительно небольшой подаче необходимо обеспечить высокое давление. Они успешно применяются в гидропередачах, в автоматических устройствах и системах регулирования, в топливных системах газотурбинных и ракетных двигателей, в гидравлических прессах, в смазочных системах двигателей для перекачивания вязких жидкостей, в нефтяном, коксохимическом и других производствах.

Поскольку роторные насосы имеют свойство обратимости, т. е. способны работать в качестве гидродвигателей (гидромоторов) при подводе к ним  жидкости под давлением, то в технической литературе их иногда называют гидромашинами; в дальнейшем мы будем использовать этот термин.[3]

 Шестеренные насосы .

Из всех роторных насосов  шестеренные (зубчатые) имеют наиболее простую конструкцию. Они выполняются  с шестернями внешнего или внутреннего зацепления. Наибольшее распространение получили насосы с шестернями внешнего зацепления. Насос состоит из пары одинаковых шестерен  — ведущей и ведомой, находящихся в зацеплении и помещенных в корпусе насоса (статоре) с малыми торцовыми и радиальными зазорами. Ведущая шестерня приводится во вращение двигателем. При вращении шестерен в направлении, указанном на рисунке стрелками, жидкость, заполняющая впадины между зубьями, перемещается из полости всасывания в полость нагнетания. Так как крышка корпуса насоса достаточно плотно прилегает к торцам шестерен, то жидкость выжимается из впадин, когда зубья входят в зацепление на противоположной нагнетательной стороне насоса.

Вследствие разности давлений на всасываемой и на нагнетательной сторонах  шестерни подвергаются воздействию радиальных сил, что может привести к заклиниванию ротора. Чтобы предотвратить чрезмерное увеличение давления в области нагнетания и образование вакуума на противоположной стороне при отходе зуба из впадин, в корпусе насосов выполняют разгрузочные каналы для выравнивания давления. Для этих же целей могут служить каналы и в роторных шестернях, полученные сверлением отверстий во впадинах зубьев.

В насосах высокого давления (свыше 10 МПа) торцовые зазоры уплотнены  специальными «плавающими» втулками, которые прижимаются к шестерням при повышенном давлении. Для повышения давления жидкости применяют многоступенчатые шестеренные насосы, в которых подача каждой последующей ступени меньше подачи предыдущей. Они развивают давление до 20 МПа.

         Устройство и классификация центробежных насосов 
 
Центробежный насос состоит из следующих основных элементов: спирального корпуса, рабочего колеса, расположенного внутри корпуса  и сидящего  на  валу.  Рабочее  колесо на  вал  насаживается с помощью шпонки. 
Вал вращается в подшипниках, в месте прохода вала через корпус для уплотнения устроены сальники. Вода в корпус насоса поступает через всасывающий патрубок и попадает в центральную часть вращающегося рабочего колеса. Под действием лопаток  рабочего колеса  жидкость начинает вращаться и центробежной силой отбрасывается от центра к периферии колеса в спиральную часть корпуса (в турбинных насосах в направляющий аппарат) и далее через нагнетательный патрубок  в напорный трубопровод. В результате действия лопаток рабочего колеса на частицы воды кинетическая энергия двигателя преобразуется в давление и скоростной напор струи. 
Напор насоса измеряется в метрах столба перекачиваемой жидкости. Всасывание жидкости происходит вследствие разрежения перед лопатками рабочего колеса. 
Для создания большего напора и лучшего отекания жидкости лопатками придают специальную выпуклую форму, причем рабочее колесо должно вращаться выпуклой стороной лопаток в направлении нагнетания. 
Центробежный насос должен быть оборудован следующей арматурой и приборами: приемным обратным клапаном с сеткой1. предназначенным для удержания в корпусе и всасывающем патрубке насоса воды при его заливе перед пуском; сетка служит для задержания крупных взвесей, плавающих в воде; задвижкой на всасывающем патрубке, которая устанавливается около насоса; вакуумметром3 для измерения разрежения на всасывающей стороне. Вакуумметр устанавливается на трубопроводе между задвижкой и корпусом насоса; краном для выпуска воздуха при заливе (устанавливается в верхней части корпуса); обратным клапаном на напорном трубопроводе, предотвращающем движение воды через насос в обратном направлении при параллельной работе другого насоса; задвижкой на напорном трубопроводе, предназначенной для пуска в работу, остановки и регулирования производительности и напора