Гидромеханика (стр. 4 из 6)
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]
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.
4. Устройство и принцип работы турбин основных типов.
Основным признаком, характеризующим тип турбины, является конструкция ее проточной части, которая состоит из трех основных конструктивных элементов: устройства, подводящего воду к рабочему органу; непосредственно рабочего органа или рабочего колеса; устройства, отводящего воду от рабочего колеса.
Конструкции турбин должны удовлетворять следующим требованиям: должна быть исключена возможность удара потока жидкости о подвижные и неподвижные, твердые и жидкие поверхности; потери на трение о твердые поверхности должны быть минимальными; отработанная жидкость должна выходить из турбины с возможно меньшим запасом энергии.
Ковшовая турбина (рис. 7).
Главным конструктивным элементом турбины является рабочее колесо. В зависимости от конструкции колеса и принципа взаимодействия его с потоком жидкости различают четыре вида турбин: ковшовые, осевые, диагональные и радиально-осевые.
Рассмотрим устройство и принцип работы турбин основных типов.
Турбина представляет собой рабочее колесо 7, укрепленное на валу 8 выше уровня воды. Колесо вращается в воздухе, и только часть лопаток взаимодействует с водой. Вода подаётся на рабочие лопасти 6
по трубопроводу 2 через сопло. Рабочее колесо состоит из диска, по окружности которого укреплены рабочие лопасти, по форме похожие на ковши (отсюда название ковшовая). Каждая лопасть выполнена в виде двух полусфер, разделенных ножом 5. Рабочее колесо установлено в корпусе таким образом, чтобы ножи совпадали с осью струи. При натекании на лопасти струи делятся ножом на две части. Каждая из частей обтекает свою полусферу, воздействуя на лопасти с силой.
Чтобы приблизить струю к центру ковша и устранить удар тыльной стороны лопасти о струю, в лопасти сделана специальная прорезь 4 шириной не менее диаметра d струи. Размеры лопастей также устанавливаются в зависимости от диаметра струи:
ширина — (2,8—3,6) d, длина — (2,5—2,8) d, толщина — (0,9— 1,0) d. Число лопастей на рабочем колесе подбирается таким образом, чтобы, во-первых, струя не могла проскочить мимо ковша, т. е. при отходе одной лопасти следующая сразу попадала под струю, и, во-вторых, чтобы каждый последующий ковш не мешал сходу воды с предыдущего. В зависимости от диаметра рабочего колеса общее количество лопастей колеблется от 12 до 40.
Так как скорость обтекания лопастей потоком жидкости очень велика, чтобы уменьшить потери мощности, ковши должны быть изготовлены с большой точностью и качественно обработаны. Кроме того, лопасти турбины работают в условиях переменной нагрузки: она максимальна тогда, когда лопасть проходит через струю, а в другое время отсутствует. Это вызывает усталость металла, способствует расшатыванию и ослаблению крепления ковшей. Конструкции крепления лопастей к диску постоянно совершенствуются. В последние десятилетия стали применять неразъемные цельнолитые и сварно-литые рабочие колеса.
Мощность, развиваемую турбиной, регулируют изменением подачи воды через сопло. Для этих целей служит игла 2, которая позволяет изменять или полностью перекрывать выходное сечение сопла. Временно снизить мощность турбины можно и без уменьшения подачи воды через сопло. Для этих целей служит дефлектор, который либо отклоняет, либо отсекает струю.
Рабочее колесо вращается в подшипниках, смонтированных в корпусе турбины, защищенном от разбрызгивания воды кожухом (корпус и кожух на рисунке не показаны). Увеличивая число сопл, подводящих воду к рабочему колесу, можно получить две, четыре или шесть струй; при этом соответственно увеличивается и мощность турбины.
По расположению вала ковшовые турбины делятся на горизонтальные и вертикальные. Горизонтальные турбины могут иметь одно или два рабочих колеса на одном валу. В вертикальных турбинах, как правило, устанавливается одно рабочее колесо.
5.1. Основные понятия и определения. Классификация гидроприводов.
Гидроприводом называется совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов и машин посредством жидкости. Составной частью гидропривода является гидравлическая передача. Она включает в себя насос, гидродвигатель и соединяющие их гидролинии (магистраль). В состав гидропривода также входят устройства управления и обслуживания (фильтры, гидробаки, гидроаккумуляторы и др.). По принципу действия гидроприводы делятся на объемные и гидродинамические.
Объемным гидроприводом называется гидравлическая система, в которой в качестве гидравлической передачи применяются насосы и гидродвигатели объемного действия. Работа объемного гидропривода основана на использовании свойства несжимаемости капельной жидкости и передачи давления по закону Паскаля. Примером объемного гидропривода простейшей конструкции может служить гидравлический пресс, изображенный на рисунке